HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE S INDUKČNĚ VÁZANÝM PLAZMATEM – ANALÝZA JEDINÉ BUŇKY

Význam tématu

Analýza jediné buňky poskytuje detailní vhled do heterogenity buněčných populací, která bývá ztracena při průměrování výsledků z velkých souborů buněk. Stopy kovů, polokovů a jejich chemické formy hrají klíčovou roli v biologických a biochemických procesech, a jejich kvantifikace na úrovni jednotlivých buněk umožňuje pochopení mechanismů signalizace, metabolizmu, fyziologických i patologických stavů.

Cíle a přehled studie / článku

Tento přehled si klade za cíl shrnout nejnovější přístupy, instrumentaci a metodologii pro analýzu stopových prvků a jejich specií v jednotlivých buňkách za využití technik hmotnostní spektrometrie s indukčně vázaným plazmatem (ICP-MS). Zaměřuje se na multielementární kvantifikaci, speciační analýzu a prostorové zobrazování, ale i na výzvy spojené s izolací a manipulací jediné buňky.

Použitá metodika a instrumentace

Pro analýzu jediné buňky jsou využívány následující přístupy:

• ICP-MS: multielementární analýza s LOD v rozsahu μg l⁻¹ až pg l⁻¹, možnost izotopových stanovení a spojení s separačními technikami (HPLC, CE, GC).
• ETV-ICP-MS: elektrotermická vaporizační jednotka umožňuje vnášení mikroobjemů buněčných extraktů bez mineralizace vzorku.
• Time-resolved ICP-MS (single-cell ICP-MS): diskrétní detekce signálu z jednotlivých buněk využívající total-consumption zmlžovače nebo microdroplet dispensery.
• LA-ICP-MS: laserová ablace pro přímou bodovou analýzu a mapování prostorové distribuce prvků s laterálním rozlišením až 1 μm.
• Chip-based mikroextrakční techniky: magnetická MS-PME, monolitické sorbenty in situ polymerované, chip-based LPME pro mikroextrakci a koncentraci prvků a specií.
• Mikrofluidické systémy (µTAS): umožňují manipulaci s jednotlivými buňkami, jejich extrakci a přímé vnášení do ICP-MS.
• Hmotnostní cytometrie (mass cytometry): průtoková cytometrie v kombinaci s kovovými sondami (lanthanoidy, nanočástice) pro kvantitativní fenotypizaci a počítání buněk.

Hlavní výsledky a diskuse

Zavedení výše uvedených přístupů umožnilo dosažení ultranízkých mezí detekce (fg l⁻¹) a multielementární speciační analýzy bez destrukce molekulárního prostředí buňky. Mikroextrakční čipy a ETV-ICP-MS prokázaly schopnost stanovení Cd, Hg, Pb či Bi na úrovni subpikogramů. LA-ICP-MS techniky pak poskytují kvalitativní, kvantitativní i prostorová data o rozložení Cu, Ag, Au či SiO₂ nanočástic v jednotlivých buňkách. Hmotnostní cytometrie umožnila paralelní detekci desítek kovových značek za účelem detailní fenotypizace a sledování životaschopnosti buněk.

Přínosy a praktické využití metody

Díky vysoké selektivitě, citlivosti a schopnosti multielementární analýzy nachází ICP-MS aplikace v:

• studii buněčné signalizace a metabolizmu metaloproteinů,
• vyhledávání a validaci biomarkerů onemocnění,
• sledování biologické osudu nanočástic a léčiv v buňkách,
• klinické diagnostice a personalizované medicíně prostřednictvím fenotypizace buněk pomocí mass cytometry.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj směřuje k:

• snižování detekčních limitů a spotřeby vzorku prostřednictvím vylepšení zmlžovačů, ablačních systémů a ETV techniky,
• integraci hyphenovaných přístupů (dvojrozměrná chromatografie, CE-ICP-MS) pro komplexní speciační analýzu,
• vyšší robotizaci a throughputu mikrofluidických platforem,
• propojení s technikami organické MS pro strukturní charakterizaci kovových komplexů v buňkách,
• využití pokročilých zobrazovacích protokolů pro mapování elementární distribuce v buňkách a tkáňových sekcích.

Závěr

ICP-MS a jeho deriváty představují flexibilní a vysoce citlivé nástroje pro chemickou analýzu jediné buňky. Kombinace mikroextrakcí, pokročilých ionizačních zdrojů, časově rozlišené detekce a hmotnostní cytometrie umožňuje získat bohaté informace o elementární composici, specích kovů a prostorové distribuci v jednotlivých buňkách. Další technologické a metodické inovace zvýší kvalitu, reproducibilitu a aplikovatelnost single-cell ICP-MS v biologii, medicíně i materiálovém výzkumu.

Reference

• Tim S., Satija R.: Nature Reviews Genetics 20, 257 (2019).
• Klepárník K., Foret F.: Analytica Chimica Acta 800, 12 (2013).
• Trouillon R. et al.: Analytical Chemistry 85, 522 (2013).
• Pita Barbosa A. et al.: Theoretical and Experimental Plant Physiology 31, 71 (2019).
• Liu Y.F. et al.: Analyst 144, 846 (2019).
• Gong Y.L. et al.: Electrophoresis 40, 1212 (2019).
• Fan Y.Y. et al.: Lab on a Chip 18, 1151 (2018).
• Kuzmin A.N. et al.: Biosensors – Basel 7, art. 52 (2017).
• Ino K. et al.: Electroanalysis 30, 2195 (2018).
• Matczuk M. et al.: Analyst 140, 3492 (2015).
• Cruz-Alonso M. et al.: Analytical and Bioanalytical Chemistry 411, 549 (2019).
• Lohr K. et al.: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 33, 1579 (2018).
• Wang H. et al.: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 32, 1650 (2017).
• Peng L. et al.: Biomaterials 34, 9545 (2013).
• Anan Y. et al.: Chemical Research in Toxicology 28, 1803 (2015).
• Wang Y.C. et al.: Metallomics 7, 1399 (2015).
• Ordoñez Y.N. et al.: Analytical Chemistry 82, 2387 (2010).
• Hu L.G. et al.: Angewandte Chemie International Edition 52, 4916 (2013).
• Manz A., Graber N., Widmer H.M.: Sensors and Actuators B 1, 244 (1990).
• Chen B.B. et al.: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 25, 1931 (2010).
• Wang H. et al.: Analyst 140, 5619 (2015).
• Chen B.B. et al.: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 28, 334 (2013).
• Wang H. et al.: Analytical Chemistry 88, 796 (2016).
• Gijs M.A.M.: Microfluidics and Nanofluidics 1, 22 (2004).
• Pamme N.: Lab on a Chip 6, 24 (2006).
• Švec F., Huber C.G.: Analytical Chemistry 78, 2101 (2006).
• Throckmorton D.J. et al.: Analytical Chemistry 74, 784 (2002).
• Zhang J. et al.: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 31, 1391 (2016).
• Wang H. et al.: Journal of Analytical Atomic Spectrometry 28, 1660 (2013).
• Hu B. et al.: Spectrochimica Acta Part B 86, 14 (2013).
• Wang H. et al.: Analytical Chemistry 89, 4931 (2017).
• Meyer S. et al.: Metallomics 10, 73 (2018).
• Wei X. et al.: Analytical Chemistry 90, 14543 (2018).
• Lum J., Leung K.S.: Analytica Chimica Acta 1061, 50 (2019).
• Tsang C.N. et al.: Journal of the American Chemical Society 133, 7355 (2011).
• Drescher D. et al.: Analytical Chemistry 84, 9684 (2012).
• Drescher D. et al.: Advanced Functional Materials 24, 3765 (2014).
• Van Malderen S.J.M. et al.: Analytical Chemistry 88, 5783 (2016).
• Bandura D.R. et al.: Analytical Chemistry 81, 6813 (2009).