原位冷冻TOF-SIMS对斑马鱼RPE组织的生物成像

飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS），也叫静态二次离子质谱，是飞行时间和二次离子质谱结合的一种新的表面分析技术。因其免标记、高灵敏、多组分检测和高空间分辨成像等优势，为诸多生命科学问题的研究提供了重要的技术支持。近年来，TOF-SIMS在基础细胞生物学、组织生理病理学、生物医药与临床医学等领域的研究中被广泛应用。

图1. “水中小白鼠”斑马鱼（左）；冷冻干燥的斑马鱼头部截面的光学显微镜图像（右）。 

小科普：斑马鱼（zebrafish）被称为“水中小白鼠”，是生物学家的理想实验对象。斑马鱼和人类的基因有着高达87%的同源性——这意味着在斑马鱼身上进行的实验，其结果大多数情况下可类比到人身上。因此，大量的胚胎学、遗传学、毒理学研究，以及多种人类疾病相关的实验，选用斑马鱼作为模式生物。[1] 

图2. PHI nanoTOF仪器与手套箱（N2氛围）互联[2]

例如，本文中为了解析细胞器离子环境的变化如何影响黑素体的生物形态和人类皮肤色素沉积，以斑马鱼作为模式生物（见图1），利用冷冻-飞行时间二次离子质谱（cryo-TOF-SIMS，见图2）对斑马鱼幼体的视网膜色素上皮组织（RPE）进行化学成像分析。在这项工作中使用多元统计分析技术对高空间分辨和高质量分辨的TOF-SIMS实验数据进行主成分分析(PCA)，从而快速筛选出与黑色素生物合成相关的独有的新标记离子，并借此识别RPE和其他物质。该项工作以题为“Chemical Imaging of Retinal Pigment Epithelium in Frozen Sections of Zebrafish Larvae Using ToF-SIMS”发表于《Journal of the American Society for Mass Spectrometry》。[2]

图3. 冷冻斑马鱼眼部切片的TOF-SIMS影像：正离子模式（上图）和负离子模式（下图） [2]

图4. 正/负离子图像单一数据集的PCA分析结果。PC 13的图像可以清晰地区分RPE(绿色)与周围材料(红色)。[2]

通过将冷冻斑马鱼眼部切片的正/负极性离子图像（见图3）整合成单一的高光谱图像数据集，而后进行主成分分析，能够同时识别来自两种极性的质量峰之间的正负相关性（见图4）。此外，利用主成分分析获得的信息，还可以轻松识别不同的化学成分。

图5. 冷冻斑马鱼眼部切片各种物质的成分叠加图[2]

如图5所示，借助标记离子的叠加图，可以直观地描绘斑马鱼眼部横截面中存在的各种化学物质及其分布情况：ITO离子信号（紫色），水团簇离子信号（青色），磷脂标记物（绿色），氨基酸标记物（红色）和白多巴胺黑色素标记物（蓝色）。

新一代PHI nano TOF 3实现了外观与性能的双重提升！采用全新的外观设计，配备ULVAC-PHI先进的液态金属离子设备，空间分辨率优于50 nm，并结合TRIFT分析器，可实现宽带通能量、宽立体接受角的高灵敏度质谱分析。

参考文献：

[1] https://zhuanlan.zhihu.com/p/121712003.

[2] Van Nuffel, S. et al. Chemical Imaging of Retinal Pigment Epithelium in Frozen Sections

of Zebrafish Larvae Using ToF-SIMS. J. Am. Soc. Mass Spectrom. (2020). DOI: org/10.1021/jasms.0c00300.