應用分享 | 原位冷凍TOF-SIMS對斑馬魚RPE組織的生物成像

飛行時間二次離子質譜（TOF-SIMS），也叫靜態二次離子質譜，是飛行時間和二次離子質譜結合的一種新的表面分析技術。因其免標記、高靈敏、多組分檢測和高空間分辨成像等優勢，為諸多生命科學問題的研究提供了重要的技術支持。近年來，TOF-SIMS在基礎細胞生物學、組織生理病理學、生物醫藥與臨床醫學等領域的研究中被廣泛應用。

圖1. “水中小白鼠”斑馬魚（左）；冷凍干燥的斑馬魚頭部截面的光學顯微鏡圖像（右）。

小科普：斑馬魚（zebrafish）被稱為“水中小白鼠”，是生物學家的理想實驗對象。斑馬魚和人類的基因有著高達87%的同源性——這意味著在斑馬魚身上進行的實驗，其結果大多數情況下可類比到人身上。因此，大量的胚胎學、遺傳學、毒理學研究，以及多種人類疾病相關的實驗，選用斑馬魚作為模式生物。[1]

圖2. PHI nanoTOF儀器與手套箱（N2氛圍）互聯[2]

例如，本文中為了解析細胞器離子環境的變化如何影響黑素體的生物形態和人類皮膚色素沉積，以斑馬魚作為模式生物（見圖1），利用冷凍-飛行時間二次離子質譜（cryo-TOF-SIMS，見圖2）對斑馬魚幼體的視網膜色素上皮組織（RPE）進行化學成像分析。在這項工作中使用多元統計分析技術對高空間分辨和高質量分辨的TOF-SIMS實驗數據進行主成分分析(PCA)，從而快速篩選出與黑色素生物合成相關的新標記離子，并借此識別RPE和其他物質。該項工作以題為“Chemical Imaging of Retinal Pigment Epithelium in Frozen Sections of Zebrafish Larvae Using ToF-SIMS”發表于《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》。[2]

圖3. 冷凍斑馬魚眼部切片的TOF-SIMS影像：正離子模式（上圖）和負離子模式（下圖） [2]

圖4. 正/負離子圖像單一數據集的PCA分析結果。PC 13的圖像可以清晰地區分RPE(綠色)與周圍材料(紅色)。[2]

通過將冷凍斑馬魚眼部切片的正/負極性離子圖像（見圖3）整合成單一的高光譜圖像數據集，而后進行主成分分析，能夠同時識別來自兩種極性的質量峰之間的正負相關性（見圖4）。此外，利用主成分分析獲得的信息，還可以輕松識別不同的化學成分。

圖5. 冷凍斑馬魚眼部切片各種物質的成分疊加圖[2]

如圖5所示，借助標記離子的疊加圖，可以直觀地描繪斑馬魚眼部橫截面中存在的各種化學物質及其分布情況：ITO離子信號（紫色），水團簇離子信號（青色），磷脂標記物（綠色），氨基酸標記物（紅色）和白多巴胺黑色素標記物（藍色）。

新一代PHI nano TOF 3實現了外觀與性能的雙重提升！采用全新的外觀設計，配備ULVAC-PHI先進的液態金屬離子設備，空間分辨率優于50 nm，并結合TRIFT分析器，可實現寬帶通能量、寬立體接受角的高靈敏度質譜分析。

參考文獻：

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/121712003.

[2] Van Nuffel, S. et al. Chemical Imaging of Retinal Pigment Epithelium in Frozen Sections

of Zebrafish Larvae Using ToF-SIMS. J. Am. Soc. Mass Spectrom. (2020). DOI: org/10.1021/jasms.0c00300.