HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE S INDUKČNĚ VÁZANÝM PLAZMATEM – ANALÝZA JEDINÉ BUŇKY

Význam tématu

Analýza jednotlivých buněk odstraňuje průměrování charakteristik populací a odhaluje heterogenitu chemického složení, klíčovou pro studium buněčné signalizace, patologie či objevu nových biomarkerů. Technologie založené na ICP-MS umožňují vysoce citlivé, multielementární stanovení kovů, polokovů a jejich specií na úrovni femto- až pikogramů, přičemž kombinace s dalšími technikami otevírá cestu k prostorové i speciační analýze jediné buňky.

Cíle a přehled studie

Cílem přehledového článku je shrnout nejnovější přístupy v oblasti hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem určené pro analýzu jediné buňky. Zaměřuje se na kvantitativní stanovení ultra-stopových koncentrací, speciační analýzu, prostorové zobrazování prvků a polotkov v jednotlivých buňkách a fenotypizaci pomocí hmotnostní cytometrie.

Použitá metodika a instrumentace

• ICP-MS a elektrotermická vaporizační ETV-ICP-MS pro multielementární analýzu s detekčními limity až pg l–1.
• Laserová ablace spojená s ICP-MS (LA-ICP-MS) pro prostorové zobrazování distribuce prvků v buňkách s laterálním rozlišením až 1 µm.
• Časově rozlišené (time-resolved) scICP-MS pro diskrétní detekci signálů z jednotlivých buněk.
• Čipové mikroextrakční systémy (MS-PME, LPME) integrované s ICP-MS pro miniaturizovanou přípravu vzorku a zvýšení faktoru zakoncentrování analyzovaných buněk.
• Kapalinové a kapilární separační techniky (HPLC, CE) ve spojení s ICP-MS pro speciační analýzu kovů a jejich komplexních sloučenin.
• Hmotnostní cytometrie s kovovými sondami (ICP-TOF-MS) pro simultánní fenotypizaci, kvantifikaci buněčných markerů a počítání buněk.

Hlavní výsledky a diskuse

Analytické platformy kombinující mikroextrakci a miniaturizaci dokážou analyzovat stovky až jednotky buněk s detekčními limity na úrovni fg l–1. LA-ICP-MS umožňuje kvantitativní mapování intracelulárních distribucí kovů pomocí microarray čipů. Časově rozlišené scICP-MS zajišťuje spolehlivou detekci a kvantifikaci jednotlivých buněk, zatímco hmotnostní cytometrie nabízí vysokou selektivitu a širokospektrální profilování kovových markerů.

Přínosy a praktické využití metody

• Studium metalomiky na úrovni jednotlivých buněk a mapování intracelulárních distribucí kovových prvků.
• Analýza interakcí buněk s nanočásticemi a biologickými léčivy.
• Fenotypizace a kvantifikace buněčných populací v biomedicínském výzkumu, diagnostice a QA/QC.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další vývoj směřuje ke snížení mezí detekce, zlepšení efektivity transportu vzorku do plazmatu, miniaturizaci ablačních spotů (<1 µm) a integraci multidimenzionálních separačních technik pro komplexní speciační a strukturální analýzu biomolekul a kovových komplexů v jediné buňce. Rozšíření aplikací v oblasti strukturní biologie a vývoje nových bioznaček podpoří interdisciplinární výzkum.

Závěr

Přístupy založené na ICP-MS představují vysoce citlivé a specifické nástroje pro analýzu jediné buňky. Kombinace mikroextrakce, dělené injekce, laserové ablace a hmotnostní cytometrie poskytuje komplexní přehled o elementárním a molekulárním složení buněk. Technologie nadále vyžadují technické inovace pro zvýšení citlivosti, robustnost a širší využití v biologii, medicíně i průmyslové analytice.

Reference

1. Tim S., Satija R.: Nature Rev. Gen. 20, 257 (2019).
2. Klepárník K., Foret F.: Anal. Chim. Acta 800, 12 (2013).
3. Trouillon R., Passarelli M. K., Wang J., Kurczy M. E., Eving A. G.: Anal. Chem. 85, 522 (2013).
4. Pita Barbosa A., Ricachenevsky F. K., Flis P. M.: Theor. Experiment. Plant. Phys. 31, 71 (2019).
5. Liu Y. F., Chen X. Y., Zhang Y. Q., Liu J.: Analyst 144, 846 (2019).
6. Gong Y. L., Fan N., Yang X., Peng B., Jiang H.: Electrophoresis 40, 1212 (2019).
7. Fan Y. Y., Dong D. F., Li Q. L., Si H. B., Pei H. M., Li L., Tang B.: Lab Chip 18, 1151 (2018).
8. Kuzmin A. N., Pliss A., Prasad P. N.: Biosensors-Basel, 7, art. No. 52 (2017).
9. Ino K., Nashimoto Y., Taira N., Azcon J. R., Shiku H.: Electroanalysis 30, 2195 (2018).
10. Matczuk M., Kupiec M., Legat J., Pawlak K., Timerbaev A. R., Jarosz M.: Analyst 140, 3492 (2015).
11. Cruz-Alonso M., Lores-Padín A., Gonzáles-Iglesias H., Fernández B., Pereiro R.: Anal. Bioanal. Chem. 41, 549 (2019).
12. Lohr K., Traub H., Wanka A. J., Panne U., Jakubowski N.: J. Anal. At. Spectrom. 33, 1579 (2018).
13. Wang H., He M., Chen B., Hu B.: J. Anal. At. Spectrom. 32, 1650 (2017).
14. Peng L., He M., Chen B., Wu Q., Zhang Z., Pang D., Zhu Y., Hu B.: Biomaterials 34, 9545 (2013).
15. Anan Y., Kimura M., Hayashi M., Koike R., Ogra Y.: Chem. Res. Toxicol. 28, 1803 (2015).
16. Wang Y., Hu L., Yang X., Chang Y., Hu Q., Li H., Sun H.: Metallomics 7, 1399 (2015).
17. Ordoñez Y. N., Montes-Bayón M., Blanco-González E., Sanz-Medel A.: Anal. Chem. 82, 2387 (2010).
18. Hu L., Cheng T., He B., Li L., Wang Y., Lai Y., Jiang G., Sun H.: Angew. Chem. Int. Ed. 52, 4916 (2013).
19. Manz A., Graber N., Widmer H. M.: Sens. Actuators B 1, 244 (1990).
20. Chen B., Heng S., Peng H., Hu B., Yu X., Zhang Z., Pang D., Yue X., Zhu Y.: J. Anal. At. Spectrom. 25, 1931 (2010).
21. Wang H., Wu Z., Chen B., He M., Hu B.: Analyst 140, 5619 (2015).
22. Švec F., Huber C. G.: Anal. Chem. 78, 2101 (2006).
23. Throckmorton D. J., Shepodd T. J., Singh A. K.: Anal. Chem. 74, 784 (2002).
24. Zhang J., Chen B., Wang H., Huang X., He M., Hu B.: J. Anal. At. Spectrom. 31, 1391 (2016).
25. Wang H., Wu Z., Zhang Y., Chen B., He M., Hu B.: J. Anal. At. Spectrom. 28, 1660 (2013).
26. Hu B., He M., Chen B., Xia L.: Spectrochim. Acta B 86, 14 (2013).
27. Wang H., Chen B., He M., Hu B.: Anal. Chem. 89, 4931 (2017).
28. Meyer S., Lopez-Serrano A., Mitze H., Jakubowski N., Schwerdtle T.: Metallomics 10, 73 (2018).
29. Wei X., Dong-Hua Z., Cai Y., Jiang R., Chen M., Yang T., Xu Z., Yu Y., Wang J.: Anal. Chem. 90, 14543 (2018).
30. Lum J., Leung K. S.: Anal. Chim. Acta 1061, 50 (2019).
31. Tsang C. N., Ho K. S., Sun H., Chan W.: J. Am. Chem. Soc. 133, 7355 (2011).
32. Drescher D., Giesen C., Traub H., Panne U., Kneipp J., Jakubowski N.: Anal. Chem. 84, 9684 (2012).
33. Drescher D., Zeise I., Traub H., Guttmann P., Seifert S., Buchner T., Jakubowski N., Schneider G., Kneipp J.: Adv. Funct. Mater. 24, 3765 (2014).
34. Van Malderen S. J. M., Vergucht E., De Rijcke M., Janssen C., Vincze L., Vanhaecke F.: Anal. Chem. 88, 5783 (2016).
35. Bandura D. R., Baranov V. I., Ornatsky O. I., Antonov A., Kinach R., Lou X., Pavlov S., Vorobiev S., Dick J. E., Tanner S. D.: Anal. Chem. 81, 6813 (2009).