元素成像如何改变神经科学研究

在神经科学研究中，成像技术在两者中都被广泛使用在活的有机体内和在体外如果没有可视化功能，就很难实现批判性见解的研究。成像的应用是无限的;例如，对细胞回路的详细分析可以更深入地了解神经疾病的进展¹而非侵入性的脑结构和脑容量纵向监测有助于新疗法的疗效研究。²

最近，复杂的绘图技术使得研究不同元素在二维组织区域的分布成为可能。^3.元素映射测量在神经科学研究中非常有价值，因为可以挖掘广泛的数据来揭示关于大脑结构和生理变化的详细信息。元素作图在神经科学研究中有广泛的应用，包括神经退行性变、创伤性脑损伤、金属结合调节受损和含金属药物分布的研究。

这些功能是通过强大的元素成像技术实现的，例如激光烧蚀(LA)结合电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)，这在很大程度上是因为它能够在一次分析中同时测量多种元素。⁴尽管ICP-MS存在干扰离子，可能会影响准确度，但它为生物样品中微量元素的测量提供了大量机会。在ICP-MS能力的基础上，正在添加先进的技术，从而能够以高分辨率评估感兴趣区域的元素空间分布。

常规ICP-MS在生物学研究中的应用

常规的ICP-MS系统通常用于基于溶液的ICP-MS分析开发于20世纪80年代早期用于测定微量元素的浓度。在传统的ICP-MS中，被称为等离子体的电离源将样品分解成其组成元素，这些元素被转化为离子，并随后由MS进行分析和定量。⁵然而，与感兴趣的分析物具有相同的质荷比的物种在质谱分析过程中会产生问题，因为它们会导致目标分析物的测量浓度被高估。干扰物质可分为两大类:等压的和多原子的。

等压干扰是指同位素具有相同质量的不同元素，而多原子干扰是由来自不同元素的至少两个原子的组合引起的。由干扰物种产生的信号导致对分析物浓度的高估，⁶并可能由许多来源造成，包括:等离子体中的氩气，样品基质产生的离子，背景空气气体的泄漏成分，以及玻璃器皿的污染。^6，7

干扰物种引起背景噪声或光谱干扰的程度高度依赖于矩阵的性质。因此，每次分析都必须仔细考虑，以确定如何最好地克服干扰问题。已经采用了几种策略，并取得了不同程度的成功，包括⁶：

● 监测没有光谱重叠的同位素

● 估计干扰程度并应用数学校正

● 实施初始样品制备步骤，以去除可能导致干扰的元素

虽然这些方法在减少干扰方面很有用，但它们并不是完美的解决方案;对感兴趣的分析物进行选择性限制了可以解决的研究问题，并且在数学修正中存在错误的空间。现代的基于四极杆的ICP-MS仪器通过在ICP-MS系统中加入专门的单元，在一定程度上解决了干扰问题。这些特殊的电池可以在碰撞或反应模式下操作;每一种都使用不同的方法来消除多原子干扰。⁸简单地说，碰撞电池充满了非反应性气体(例如氦气)，所有的离子都被注入其中。较大的、具有潜在干扰性的多原子离子将比较小的离子经历更多的碰撞，并将失去动能，使它们无法克服出口的能量势垒。类似地，处于反应模式的细胞利用一种气体，这种气体与干扰离子的反应速度比目标分析物更快，允许离子在被检测到之前被过滤。然而，每种单元模式都有其局限性，涉及绝对灵敏度的损失和有限的灵活性。最初的样品制备步骤也存在缺点:它们通常是劳动和成本密集型的，涉及危险化学品的使用，并引入样品污染的风险。

LA-ICP-MS如何改变元素生物成像

在ICP-MS领域的其他正在进行的努力涉及将ICP-MS分析的范围扩展到液体溶液之外。其中之一是激光烧蚀，它通过使用高强度光的短脉冲将固体样品直接转化为气溶胶，从而促进了固体样品的直接采样。激光消融ICP-MS (LA-ICP-MS)克服了传统ICP-MS的许多限制，因为它不需要任何样品制备。因此，消除了样品制备的相关缺陷，可以在更短的时间内获得测量结果。

然而，LA-ICP-MS的真正好处在于它能够通过超微量元素定量提供精确的解剖定位信息。通过将激光消融与不同的ICP-MS系统相结合，以适应所需的信息类型，可以实现高水平的横向分辨率。这种能力是变革性的，允许识别无法用宏观成像检测到的加工伪影。如果组织皱褶、褶皱和撕裂未被识别，则会产生额外的分析挑战，但可以通过LA-ICP-MS碳作图检测到(图1)。磷是神经成像的另一种有价值的元素;由于磷在灰质中的相对富集，因此磷作图能够区分灰白色物质(图2)。

图1:12C元素分布图显示组织伪影中明显的相对富集。a .消融前大鼠前扣带皮层冠状面低倍显微照片。B.大鼠海马吻侧冠状面LA-ICP-MS图像。箭头表示组织中的皱纹。C.大鼠小脑LA-ICP-MS图像。箭头表示组织褶皱。来源:奥尔加·米纳耶娃

碳和磷绘图为数据解释提供了更大的背景，这在研究其他元素时尤其有用，并且可以使用单四极子LA-ICP-MS实现。关于组织均匀性和灰质和白质的信息有助于准确定位和定量其他元素，如铜、锌、铁和钆，并允许将其真实测量结果与人工制品区分开来。总的来说，在ICP-MS中加入激光消融为神经成像提供了许多额外的有价值的好处，使:

● 明确的元素鉴定

● 超痕量分析灵敏度在十亿分之一或万亿范围内

● 大的动态范围，以支持在不同浓度的元素测量

● 高空间分辨率(单微米)，无需标签或标签

● 多个元素地图将同时生成从同一大脑部分

图2:31P的元素分布显示在灰质中相对富集。a .消融前大鼠前扣带皮层冠状面低倍显微照片。B.大鼠海马吻侧冠状面LA-ICP-MS图像。C.大鼠小脑冠状面LA-ICP-MS图像。D.大鼠前扣带LA-ICP-MS图像。来源:奥尔加·米纳耶娃

用三重四极子LA-ICP-MS去除干扰

虽然单四极杆LA-ICP-MS是一种强大的生物成像工具，但许多研究可以从提高分辨率中受益。等压和多原子干涉仍然是量化一些感兴趣的元素的障碍，是元素映射的主要限制因素。为了提供增强的干扰去除，可以在LA-ICP-MS中使用三重四极杆质谱，允许在分离和检测目标分析物时应用更大的选择性。与三重四极质谱，可以在前体目标离子与碰撞单元中的反应气体发生化学反应之前和之后设置不同的扫描模式，从而能够更好地控制检测哪些离子。因此，可以在更宽的定量范围内获得更高的灵敏度和选择性，并降低检测和定量限。

使用三重四极杆质谱，可以采用几种方法来克服干扰挑战。其中之一是首先防止新的干扰多原子离子的形成;应用第一个四极杆作为质量过滤器去除某些前体离子，使它们不能与氧气或碰撞电池中使用的其他反应性气体反应。或者，可以通过仔细选择第三个四极子的扫描范围来过滤掉不需要的同位素。额外的滤波器不一定会降低所分析元素的灵敏度。因此，添加三重四极杆质谱有助于优化结果，即使不是所有元素都带有干扰离子。

元素生物成像如何补充其他神经成像技术

神经成像技术可以结合起来证实发现，或获得补充信息，提供更深入的了解组织样本。多种分析成像方法的集成被称为多传感器成像，⁹并且允许从单个样本中获得更丰富的数据集。整合技术的目标已经在金属组学的背景下得到了恰当的描述，其目的是了解特定金属在细胞过程背景下的特定位置的作用，并将这些与动态功能如何在组织、器官和生物水平上级联到更高水平有关。¹⁰类似的目标可以应用于元素映射，其中变化可以与疾病或健康期间的潜在机制相关联。

LA-ICP-MS是多传感器成像的主要候选者，⁹并已被用来补充广泛的技术。例如，LA-ICP-MS结合基质辅助激光解吸/电离或电喷雾电离质谱(MALDI-/ESI-MS)提供了一种检测和鉴定大鼠脑切片中金属结合蛋白的方法，MALDI-/ESI-MS用于对检测到的蛋白进行结构分析。¹⁰与飞行时间质谱(TOF-MS)一起，LA-ICP-MS可以同时检测几乎整个元素周期表，¹¹提供了捕捉生物样品中金属组的空间分布的机会。在皮肤和脑肿瘤组织中，LA-ICP-MS增强了MRI对比成像，显著降低了背景，提高了钆和磷的检测限。¹²鉴于LA-ICP-MS成像能力越来越快，该技术有望成为可视化生物标志物的临床诊断工具。¹¹

迈向高分辨率成像的未来

精确绘制生物组织中元素分布的能力在神经科学研究中非常有价值，在神经科学研究中，对精确的解剖定位有很高的需求。元素作图还可以为探索健康和疾病期间的基本生理过程以及诊断和治疗应用的发展提供新的机会。结合激光消融，ICP-MS是一种强大的神经成像工具，可以实现超微量元素定量，允许元素映射数据在灰白色质的区别和组织质量的背景下进行解释。

增强干扰去除可以获得更大的动态范围和更清晰的背景，以揭示更多的结构信息，并且可以通过使用三重四极杆ms实现。这种先进的功能，与其他成像技术相结合，有望改变研究和临床环境中的神经成像。

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