元素成像如何转化神经科学研究

在神经科学研究中,人们经常使用成像技术两种在活的有机体内和在体外研究生产关键的见解,将难以实现没有可视化功能。成像的应用是无限的;例如,详细分析细胞电路使神经疾病进展的深入了解¹,而非侵入性的纵向监测大脑结构和体积促进效果研究新的治疗方法。²

最近,复杂的映射技术,使研究不同元素的分布在一个二维区域的组织变得可用。³元素映射神经科学研究的测量是非常重要的,作为一个广泛的数据挖掘显示详细的信息关于大脑结构和生理的变化。广泛应用存在元素映射在神经科学的研究,包括研究神经退行性病变、创伤性脑损伤、调节受损的金属绑定和含金属药物的分布。

这些功能是通过强大的元素成像技术,如激光消融(LA)结合电感耦合等离子体质谱法(icp),这是支持很大程度上是因为它能够同时测量多个元素在一个分析。⁴虽然icp本质上是受到干扰离子的存在可能影响精度,它提供了大量的机会在生物样品中微量元素的测量。建立在icp的功能,先进的技术被添加,使评估元素空间分布与高分辨率在感兴趣的领域。

传统icp作为一种工具在生物研究

传统的icp系统,通常用于为基础的解决方案icp分析,在1980年代早期开发的测量微量元素的浓度。与传统icp、电离源被称为等离子体,样品分解为它的组成元素,转变为离子和女士随后分析和量化的。⁵然而,物种相同的质荷比女士感兴趣的分析物中产生问题的分析,导致测量时目标分析物的浓度是高估了。干扰物种可以被分为两大类:恒压和多元。

等压干扰是指不同元素的同位素共享一个共同的质量,而多元干扰是由至少两个不同元素的原子的结合。信号产生的干扰物种导致过高的分析物的浓度,⁶可以从许多来源包括结果:氩等离子体的离子生成的样本矩阵,泄露空气背景气体的组件,从玻璃器皿和污染。^6、7

在多大程度上导致背景噪音干扰物种,或光谱干扰,是高度依赖矩阵的性质。因此,必须谨慎地考虑每一个分析来确定如何最好地克服干扰的问题。几个策略曾不同程度的成功,包括⁶:

● 监控一个同位素免费从光谱重叠

● 估计干扰的程度和应用数学校正

● 实现最初的样品制备步骤删除元素可能导致干扰

虽然这些方法是有用的在减少干扰,它们并不完美的解决方案;对感兴趣的分析物选择性限制了研究问题可以解决,还有数学修正错误的空间。现代quadrupole-based icp仪器解决干扰问题在某种程度上,通过专门的细胞的结合是建立在icp系统。这些特殊细胞可以在碰撞或反应模式;每一个都使用不同的方法来消除多酸的干扰。⁸简单地说,碰撞细胞充满无电抗气体(例如氦),离子都喂。大,和潜在的干扰,多原子离子碰撞将经历比规模较小的离子,并将失去动能,使他们无法克服一个能量势垒在出口处。同样,细胞反应模式利用气体反应更快比目标分析物与干扰离子,允许离子过滤检测。然而,每一个细胞的模式有限制有关的损失绝对灵敏度和有限的灵活性。初始样品制备步骤也存在缺点:他们经常劳动,cost-intensive涉及危险化学品的使用,并介绍样本污染的风险。

介绍如何将元素bioimaging吗

其他领域的持续努力icp与icp分析的范围超出了液体的解决方案。其中之一是激光消融,便于直接采样的固体样品采用高强度短脉冲光将固体样品直接转化为一个气溶胶。激光烧蚀icp(介绍)克服了许多传统icp的局限性,因为它消除了需要任何样品制备。因此,样品制备、测量的相关缺点可以用更少的时间获得。

介绍的真正好处,然而,在于它能够提供精确的解剖定位信息通过ultra-trace元素定量。高水平的横向分辨率是通过耦合激光烧蚀与不同的icp系统来满足所需的信息的类型。这样的功能是变革,使加工工件的识别与宏观成像不会被探测到。组织皱纹,折叠和眼泪可以创建额外的分析挑战如果不明,但可以检测到碳映射与介绍(图1)。磷是神经影像的另一个有价值的元素;相对浓缩的灰质、磷映射因此使灰白色物质分化(图2)。

图1:元素分布地图12 c显示明显的相对浓缩组织构件。答:低功率的显微照片消融前大鼠前扣带皮层日冕部分。b .日冕介绍老鼠吻侧海马的形象。箭头表示组织的皱纹。介绍大鼠小脑的形象。箭头表示组织褶皱。信贷:奥尔加Minaeva

碳和磷映射提供了一个更大的背景数据的解释,这是特别有用,当调查其他元素,可以通过使用单四极介绍。信息组织均匀性和灰色和白色的事促进准确的定位和定量的其他元素,如铜、锌、铁和钆,并允许他们真正测量工件有区别。总的来说,激光消融的icp为神经成像提供了许多额外的有价值的好处,使:

● 明确的识别元素

● Ultra-trace分析灵敏度的十亿分之几或兆

● 一个大动态范围支持元素在不同浓度的测量

● 高空间分辨率(单个微米)无标签或标签

● 同时多个元素映射到生成相同的大脑部分

图2:31 p元素分布显示相对浓缩在灰质。答:低功率的显微照片消融前大鼠前扣带皮层日冕部分。b .日冕介绍老鼠吻侧海马的形象。c .日冕介绍大鼠小脑的形象。d .介绍大鼠前扣带的形象。信贷:奥尔加Minaeva

消除干扰三重四极介绍

虽然单四极介绍是一个强大的bioimaging工具,许多研究将受益于改善解决。等压和多元干扰仍是一个障碍量化的一些元素的兴趣和代表元素映射的一个主要限制因素。为了提供增强的干扰去除,三重四极可以用于女士介绍,允许更大的选择性应用隔离和检测目标分析物。与三重四极女士之前和之后,不同的扫描方式可以设置前体目标离子进行化学反应与反应气体碰撞细胞,使离子检测到更大的控制权。因此,可以获得更高的灵敏度和选择性分布的定量范围更广,和较低的检测和定量限制成为可能。

使用三重四极女士,有几种方法可用于克服干扰的挑战。其中一个是防止新干扰多原子离子的形成首先;应用程序的第一个四极滤质器删除某些前体离子,所以他们不能与氧气反应或其他活性气体碰撞中使用细胞。或者,可以过滤掉不必要的同位素通过仔细选择第三四极的扫描范围。额外的过滤器不一定妥协被分析元素的灵敏度。因此,女士的三重四极有助于改进结果,即使不是所有的元素都背负干扰离子。

元素bioimaging补充其他神经影像技术如何

神经影像技术可以结合证实的发现,或获得互补信息,提供了一个更加清晰的认识组织样本。多个分析的集成成像方法称为多传感器成像,⁹和可以获得更丰富的数据集从一个样本。集成技术的目标已经恰当地描述metallomics的上下文中,目的是理解一个特定金属的作用,在时间的上下文中定义的位置细胞过程,并与这些如何动态级联功能更高层次的组织,器官和组织的水平。¹⁰类似的目标可以应用于元素映射,可以改变与潜在机制在疾病或健康。

介绍多传感器成像,是一个典型的候选人⁹和补充了范围广泛的技术。为例,介绍结合matrix-assisted激光解吸/电离或电喷雾电离质谱(MALDI -电喷雾质谱/)提供了一种方法来检测和识别金属结合蛋白在老鼠大脑的部分中,MALDI -电喷雾质谱/用于提供检测蛋白质的结构分析。¹⁰结合飞行时间(TOF-MS),女士介绍允许同时检测几乎整个周期表,¹¹提供一个机会来捕获metallome在生物样本的空间分布。皮肤和大脑肿瘤组织,介绍增强MRI的影像对比,从而大大缩减背景和改善限制钆和磷的检测。¹²鉴于越来越快速成像能力的介绍,这项技术有望有很高的潜在临床诊断工具来可视化生物标记。¹¹

对高分辨率成像的未来

能够准确地映射元素分布在神经科学研究生物组织是非常宝贵的,哪里有需要高精确的解剖定位。元素映射也可以提供新的机遇探索的重要的生理过程,在健康和疾病,诊断和治疗应用的发展。结合激光消融,icp是一个强大的神经影像工具,使ultra-trace元素定量、允许元素映射数据的上下文中被灰白色物质和组织质量的区别。

提高干扰去除使更广泛的动态范围和更清洁的背景显示额外的结构信息,并可以实现使用三重四极女士这样的高级功能,与其他成像技术集成,预计将神经影像学研究和临床设置。

引用

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