레이저 어블레이션(LA)-ICP-MS를 이용한 생물학적 시료의 금속 이미징

생물학적 시스템 내에서 원소 분석물과 금속의 역할을 이해하는 것은 임상, 의학 및 제약부터 식품 및 환경 과학에 이르기까지 다양한 분야에서 핵심 연구 과제입니다. 연구자들은 일반적으로 다양한 바이오 이미징 및 metallomics 기술을 사용하여 관심 시료를 탐구합니다. 이러한 기술의 예로 액체 크로마토그래피(LC)-ICP-MS, 단일 셀(sc)-ICP-MS, 및 레이저 어블레이션(LA)-ICP-MS가 있으며, 각각 단백질 정량화¹, 단일 셀 분석² 및 바이오 이미징에 사용되고 있습니다. 바이오 이미징은 조직, 셀 및 저분자량 화합물을 시각화하는 데 중점을 두는 반면, metallomics는 생물학적 구조에서 금속의 기능과 역할을 조사합니다.

이 자료에서 보여준 것처럼, 일본에 있는 두 연구 그룹은 LA-ICP-MS를 사용하여 고체 시료 표면에서 원소의 국소화에 대한 상세한 정보를 제공했습니다. 도쿄에 있는 닛폰 의과병원, 진단 병리학과의 Yukako Shintani-Domoto 그룹은 Agilent 8900 ICP-QQQ를 사용하여 인간 심장 시료의 얇은 절편에서 금속 분포를 조사했습니다. 교토 대학교 의학대학원, 암 면역요법 및 면역 생물학 센터 Multiomics Platform의 Yuki Sugiura 그룹은 Agilent 7900 ICP-MS를 사용하여 생쥐 신장 시료를 연구했습니다.

LA-ICP-MS 기기 및 소프트웨어 호환성

별도의 연구에서는 8900 ICP-QQQ와 7900 ICP-MS 기기를 아르곤(Ar) 질량 유량 제어기가 장착된 ESL213 Laser Ablation 시스템(Elemental Scientific Lasers, Bozeman, MT, USA)과 결합하여 사용하였습니다. 일부 국가에서 헬륨(He) 공급이 부족해지자 헬륨(He) 가스 대신 아르곤(Ar)을 운반 가스 및 보조 가스로 사용했습니다.

LA 시스템은 ESL에서 개발한 ICP-MS MassHunter용 ActiveView2(AV2) 플러그인을 통해 Agilent ICP-MS MassHunter 소프트웨어에서 직접 제어되었으며(그림 1), 이를 통해 완벽하게 통합된 시료 분석, 데이터 처리 및 보고가 가능했습니다.

그림 1. ESL AV2 플러그인을 통해 Agilent ICP-MS MassHunter 소프트웨어에 표시된 ESL213 LA 시스템의 "실행 대기열" 탭과 상태 패널입니다.

분석 워크플로

LA-ICP-MS 기기 작동 조건이 표 1과 표 2에 나와 있습니다.

표 1. 레이저 어블레이션 시스템 파라미터.

표 2. ICP-MS 시스템 파라미터.

심장 시료의 금속 분포

심근경색(MI)은 관상동맥의 혈전증이나 폐색으로 인해 발생합니다. 만성기인 진구성 MI에서는 심근에 섬유화가 발생하며, 이는 아잔 염색에서 파란색 영역으로 나타납니다(그림 2a 참조). 또한 LA-ICP-MS에서 8900을 사용하여 O₂ 질량 이동 모드로 측정한 ³¹P, ⁴⁴Ca 및 ⁵⁶Fe 농도는 다른 영역에 비해 좌측 영역에서 감소했습니다(그림 2(b-d) 참조). 두 가지 보완적인 기술을 통해 얻은 결과는 LA-ICP-MS로 얻은 금속 분포 정보가 조직 내 세포 생존력의 지표로 사용될 수 있음을 보여주었습니다.

그림 2. (a) 인간 심장의 아잔 염색. (b-d) LA-ICP-MS로 측정된 얇은 심장 절편의 분석물 분포. 척도: 1000μm.

생쥐 간에서 금속 단백질의 특징적인 국소화

C57BL/6 생쥐 간의 10μm 박편을 H₂ 및 He 모드에서 7900을 사용하여 LA-ICP-MS로 분석했습니다. 그림 3의 이미지는 ⁹⁵Mo, ⁹⁸Mo 및 ⁵⁶Fe의 존재를 보여줍니다. ⁹⁵Mo 및 ⁹⁸Mo는 유사한 패턴을 보여 이 분석법의 신뢰성을 입증합니다. 몰리브덴 신호는 동위 원소가 간에 축적되어 molybdopterin 보조 인자로 존재한다는 것을 시사합니다. ⁵⁶Fe 신호는 주로 시료의 중앙 하단에 있는 혈관을 둘러싸고 있으며, 이는 관찰된 적혈구와 잘 일치하여 heme 철의 존재를 시사합니다(그림 3c). 그림 3a와 3c를 중첩시키면 ⁵⁶Fe와 ⁹⁵Mo가 서로 다른 영역에서 검출되는 것을 알 수 있습니다(그림 3d). 이는 조직에서 금속 단백질의 특징적인 국소화를 보여줍니다.

그림 3. (a) - (e) LA-ICP-MS로 측정된 ²⁴Mg, ⁵⁶Fe, ⁶³Cu, ⁹⁵Mo 및 ⁹⁸Mo의 분포입니다. (f) iolite 4 소프트웨어(ESL)로 생성한 Red Green Blue(RGB) 모드 이미지로, ⁵⁶Fe(적색)와 ⁹⁵Mo(녹색) 데이터를 하나의 이미지로 결합했습니다. 척도: 500μm.

통합 LA-ICP-MS 분석법의 이점

이 연구는 얇은 절편의 바이오 이미징에서 ESL LA 시스템이 장착된 Agilent 8900 ICP-QQQ 및 Agilent 7900 ICP-MS가 뛰어난 성능을 발휘한다는 사실을 보여줍니다. 이 데이터는 조직 병변으로 인한 금속 축적과 조직 내 금속 단백질과 보조 인자의 특징적인 국소화에 대한 유용한 통찰력을 제공했습니다.

자세한 내용은 연구 요약을 참조하세요.

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