Chemische Charakterisierung und Spurenanalytik
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Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) is gaining importance for bioimaging cytometry to answer analytical, biological and biomedical questions. High sensitivity and spatial resolution make it an excellent tool for imaging of metal and heteroelement distribution in single cells. Comparable to CyTOF imaging mass cytometry, metal coded antibodies can be used for multiparametric analysis as well as quantification.
In this project, nanocrystals are investigated as new highly sensitive metal tags for identification and quantification of biomarkers, like Alzheimer’s or breast cancer, in clinical cell assays and tissue samples. Of high significance is the simultaneous analysis of several biomarkers at once, which is possible by special coding of lanthanide tags on the biomarker associated antibody. Nanocrystals show potential for sensitive measurement in MS due to high stability and signal amplification compared to tags with fewer metal atoms. For proof of principle, synthesis and characterization of lanthanide doped nanocrystals was performed by a nanoPET pharma GmbH with great reproducibility and homogenous size. In A549 cell cultures, the uptake and distribution of these nanocrystals within the monolayered cells was investigated by LA-ICP-MS measurements using subcellular resolution. The nanocrystals showed high sensitivity and the possibility of multiparametric analysis by doting different lanthanides. Additionally, stability of the bioconjugation of the nanocrystals and target antibodies was investigated using Dot Blot experiments and LA-ICP-MS.
Laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) has been revealed as a convenient technique for trace elemental imaging in tissue sections, providing elemental 2D distribution at a quantitative level. For quantification purposes, in the last years several approaches have been proposed in the literature such as the use of CRMs or matrix matched standards. The use of Isotope Dilution (ID) for quantification by LA-ICP-MS has been also described, being mainly useful for bulk analysis but not feasible for spatial measurements so far. In this work, a quantification method based on ID analysis was developed by printing isotope-enriched inks onto kidney slices from rats treated with antitumoral Pt-based drugs using a commercial ink-jet device, in order to perform an elemental quantification in different areas from bio-images. For the ID experiments ¹⁹⁴Pt enriched platinum was used. The methodology was validated by deposition of natural Pt standard droplets with a known amount of Pt onto the surface of a control tissue, where could be quantified even 50 pg of Pt, with recoveries higher than 90%. The amount of Pt present in the whole kidney slices was quantified for cisplatin, carboplatin and oxaliplatin-treated rats. The results obtained were in accordance with those previously reported. The amount of Pt distributed between the medullar and cortical areas was also quantified, observing different behavior for the three drugs.
In der klinischen Diagnostik werden für zytometrische Messverfahren bereits eine Reihe von Reagenzien eingesetzt zur Markierung von Antikörper eingesetzt, um die Detektion von Biomarkern mittels Fluoreszenz- oder Flugzeitmassenspektrometrie zu ermöglichen.
Seit kurzem ist auch eine Imaging Mass Cytometry Kombination direkt erhältlich, wodurch der Nachweis von Biomarkern in Gewebeschnitten erreicht werden kann. Dazu wird eine Kopplung von Laser Ablation und induktiv gekoppeltem Plasma Massenspektrometrie eingesetzt, wobei ähnlich der Massenzytometrie, zuvor Antikörper mit Metallen markiert, und im Anschluss mit dem Gewebeschnitt inkubiert werden. Durch die hohe Ortsauflösung können die Biomarker lokalisiert, und zukünftig vielleicht auch quantifiziert werden.
Insbesondere Lanthanide eignen sich als Markierungsmetalle, da sie einen niedrigen Untergrund und chemisch ähnliches Verhalten zueinander aufweisen. Allein durch diese Elemente können bereits etwa 15 Parameter unterschieden werden, was durch isotopenreine Standards weiter gesteigert werden kann.
Vom Markierungsgrad abhängig werden unterschiedlich viele Metalle am Antikörper gebunden, und beeinflussen so die Sichtbarkeit im ICP-MS. Nanopartikel könnten daher eine deutliche Steigerung der Sensitivität bewirken. GdVO4 Nanokristalle scheinen bisher sehr vielversprechend und bieten neben multiparametrischen Anwendungen auch Multimodalität.
Die Synthese der Nanokristalle zeigte hohe Homogenität und Reproduzierbarkeit in Partikelgröße in der Zusammensetzung. Ein erstes Experiment mit einer Zellkultur konnte bereits die effiziente Markierung der Zellen unter Beweis stellen, wobei durch hohe Signalstärke auch subzelluläre Auflösung in der LA-ICP-MS erreicht werden konnte.
Imaging of elemental distributions in single cell assays as well as tissue sections can be performed by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). This powerful technique offers precise spatially resolved measurements at trace and ultratrace levels and has been established as an excellent tool to answer analytical, biological and biomedical questions. To date, mass cytometry is already able to simultaneously detect up to 40 cellular targets due to conjugation of isotopically pure lanthanides to affinity binders, e.g. antibodies.
To further enhance the ability of multiparametric analysis to more than 100 analytes at once, we investigated lanthanide nanocrystals as new, highly sensitive metal tags for identification of targets in clinical cell assays and tissue samples. Multiparametric analysis will be possible by encoding the lanthanide composition of nanocrystals associated to the affinity binders. Nanocrystals showed remarkable potential for sensitive detection in MS due to high stability and signal amplification compared to e.g. polymer tags, carrying fewer metal atoms. Furthermore, the nanocrystals allow multimodal imaging due fluorescence of Eu3+ as well as contrast enhancing properties of Gd3+ in magnetic resonance imaging.
Synthesis of functionalized lanthanide nanocrystals for further bioconjugation was performed with high reproducibility and monodisperse size distribution. For proof of principle, the uptake and distribution of these nanocrystals within the monolayered cell line A549 were investigated by mapping the intensities at subcellular resolution using LA-ICP-MS. It could be shown, that the cells were efficiently labeled with the nanocrystals. Additionally, the bioconjugation of the nanocrystals to antibodies and particularly the preservation of the antibody specificity was investigated using Dot Blot experiments. All in all, the results imply high sensitivity and the possibility of multiparametric analysis by doting various lanthanides into the nanocrystals.
Atherosklerotische Läsionen können durch Magnetresonanztomographie (MRT) unter Verwendung von sehr kleinen Eisenoxidnanopartikeln (VSOP) sichtbar gemacht werden. VSOP akkumulieren in atherosklerotischen Plaques und dienen somit als Atherosklerosesonde.
Das Ziel dieses Projektes war die Abbildung der Verteilung von Europium-dotierten VSOP (Eu-VSOP) durch Laserablation ICP-MS in histologischen Dünnschnitten der Aortenwurzelregion des ApoE-Knockout-Mausmodells, das reich an atherosklerotischen Plaques ist. Darüber hinaus wurde untersucht, ob die VSOP-Akkumulation in den Plaques mit anderen Biomarkern der Entzündung wie Makrophagen und verändertem Endothel korreliert. Somit wäre eine Beurteilung, ob es sich hierbei um instabile bzw. vulnerable Plaque-Regionen handelt möglich. Zu diesem Zweck wurden Antikörper mit verschiedenen Lanthaniden markiert und mit der Eu-VSOP-Verteilung unter Verwendung von LA-ICP-MS in einem Multiplex-Messmodus korreliert.
Eine mögliche Korrelation von reaktiven Stickstoffspezies (RNS) mit endogenem Eisen oder Eu-VSOP kann ebenfalls durch LA-ICP-MS nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck wurden RNS-spezifische Antikörper auch mit Lanthaniden markiert.
Imaging of Eu doped very small iron oxide nanoparticle in atherosclerotic plaques via LA-ICP-MS
(2018)
Atherosclerotic lesions can be visualized by magnetic resonance imaging (MRI) using very small iron oxide nanoparticles (VSOP). VSOP accumulate in atherosclerotic plaques and thus serve as an atherosclerosis probe.
The aim of this project was to image the distribution of europium doped VSOP (Eu-VSOP) by laser ablation ICP-MS in histological thin cuts of the aortic root region of ApoE knockout mouse model that is rich in atherosclerotic plaques. In addition, it was investigated whether VSOP accumulation in the plaques correlates with other biomarkers of inflammation for example macrophages and altered endothelium to assess whether it correlates with instability or vulnerability of the plaque regions. For this purpose, antibodies were labeled with various lanthanide elements and correlated with the Eu-VSOP distribution using LA-ICP-MS in a multiplex measurement mode.
A possible correlation of reactive nitrogen species (RNS) with endogenous iron or Eu-VSOP can also be detected by LA-ICP-MS. For this purpose, RNS-specific antibodies were also labeled with lanthanides.
Quantification of metals in single cells by LA-ICP-MS comparison of single spot analysis and imaging
(2018)
LA-ICP-MS is increasingly used for single cell analysis in two different detection modes using either the imaging mode with subcellular resolution or alternatively single spot analysis of cells with a larger laser spot size. This study compares the analytical figures of merit of both detection modes (signal to noise, precision, accuracy, throughput), as well as ease of operation and data evaluation. Adherent 3T3 fibroblast cells were stained with two metal dyes (mDOTA-Ho, Ir-DNA-intercalator) and several dozen cells were measured using both modes. We found a ten times higher throughput for single spot analysis, which has as well a straightforward data analysis, shortening the total analysis time further. The signal to noise ratio for single spot analysis was found to be slightly better compared to the signal to noise of pixels in imaging. The mean metal intensity per single cell differed by only 10% between both modes and obtained distributions were found to show no statistically significant differences. Using matrix matched calibration based on standards spotted onto nitrocellulose membrane, we achieved detection limits (10 σ) of 12 fg for Ir and 30 fg for Ho and quantified 57 ± 35 fg Ir and 1,192 ± 707 fg Ho per single cell. Compared to a conventional ICP-MS measurement of a digest of ~60,000 cells, 54 % of Ir content and 358 % Ho content was found using quantitative LA-ICP-MS. The difference might be a consequence of the two metal dyes binding to different structures of the cell and therefore might behave differently in sample preparation for conventional and LA-ICP-MS.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
Gegenstand der vorzustellenden Arbeiten ist die Prüfung der Umweltbeständigkeit und -verträglichkeit von Materialien und Produkten hinsichtlich der Emission von potenziellen Schadstoffen in die Umwelt. Hierzu werden chemisch-physikalische Einflüsse (Bewitterung) und mikrobielle Beanspruchungen an Modellmaterialien evaluiert. So werden die Freisetzungsraten von Schadstoffen in Abhängigkeit der Beanspruchung beschrieben. Als Modellmaterialien kommen die Polymere Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP) zum Einsatz, die jeweils mit polybromierten Flammschutzmitteln (PBFSM) versehen sind. Synergistische Effekte der Bewitterungsparameter und der mikrobiologischen Beanspruchung sollen dabei ebenso betrachtet werden, wie die gezielte Alterung. Auch findet eine Beschreibung des Verhaltens der ausgetragenen Schadstoffe in den Umweltkompartimenten Boden oder Wasser statt. Hier sind mit Hilfe der zu entwickelnden Screening- und non-Target-Analyseverfahren die Transformation und der Metabolismus durch Mikroorganismen zu beschreiben. Auch soll mit Hilfe der RFA und der LA-ICP-MS die Abreicherung der PBFSM in den Modellmaterialien beschrieben werden. Aus den Ergebnissen sollen Korrelationen zwischen den künstlichen Alterungsverfahren und realen Szenarien abgeleitet werden.
We are using LA-ICP-MS to quantify metals in biological cells and thin cuts of tissues from varies organs. Different applications will be presented to demonstrate the state of the art of bioimaging to visualize the elemental distribution pattern in soft bio-materials (tissue, single cells) of metals, metal containing stains and metal-tagged antibodies. For this purpose, different strategies for metal tagging will be presented and will be compared in terms of analytical figures of merit. First applications for detection of biomarkers in animal and human tissue samples will be presented.
In a first example, we have applied LA-ICP-MS to visualize the local distribution of proteins, which are used as bio-markers for neurodegenerative diseases. For this purpose, brain tissues from mice experiments have been stained by metal-tagged antibodies. House-keeping proteins have been investigated as internal cellular standards. Additionally, ink-jet printing of metal doped inks onto the surface of tissue samples has been applied for drift corrections and quantification. Validation of our results are achieved in comparison to immune-histochemical staining and optical microscopy.
In a second example, we used specific metal-tagged antibodies for detection of biomarker specific for prostate cancer. For this purpose, micro tissue arrays are incubated with metal-tagged antibodies for bioimaging of samples from many patients using simultaneous detection of all relevant biomarkers and their tags.
For improvement of sensitivity in the next example application nanoparticle tagged antibodies for detection of metallothionines in eye lens tissue samples will be discussed.
Recently we have used our tagging and staining strategies to determine the cell cycle of single cells, which is of future interest for toxicological studies.
Finally, future trends in elemental microscopy and mass cytometry imaging will be discussed.