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研 究 背 景

LA-ICP-MS成像技術(shù)作為神經(jīng)科學(xué)研究的一個強大的新工具已得到廣泛認可并應(yīng)用到科研領(lǐng)域，這項技術(shù)能夠?qū)θ祟惡蛯嶒瀯游锏拇竽X進行精確的解剖定位和超痕量元素的定量分析。LA-ICP-MS能夠?qū)崿F(xiàn)準確的元素定性和定量、具有超高的靈敏度（ppb-ppt）和超寬的動態(tài)范圍，以及高空間分辨率（微米），無需標(biāo)識或標(biāo)記。

此外還可以將一個大腦切片同時生成多個元素成像圖，通過無處不在的元素，例如磷可被用來定位不同的大腦組織區(qū)域，用以區(qū)分灰質(zhì)（神經(jīng)元、膠質(zhì)和血管）和白質(zhì)（神經(jīng)纖維束）；磷元素的成像圖極大地促進了其它目標(biāo)元素（Cu、Zn、Fe、Gd等）的準確定位和含量分布。大腦標(biāo)本LA-ICP-MS成像技術(shù)是一個新穎而強大的工具，可以探索基本大腦機制，加速開發(fā)新的診斷方法、治療方法、藥物輸送系統(tǒng)，用于治療神經(jīng)退行性疾病、腦外傷、腦癌、脫髓鞘疾病、癲癇和其他中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病。

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儀 器 及 參 數(shù)

★ ICP-MS:

iCAP RQ ICP-MS,Thermo Scientific

★ LA:

激光燒蝕系統(tǒng)

(LSX-213 G2+,Teledyne CETAC Technologies)

為確保LA-ICP-MS具有最大靈敏度和最佳穩(wěn)定性，通過調(diào)用Qtegra ISDS LA模式自動調(diào)諧程序進行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后參數(shù)如下：

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樣 品 準 備

大鼠大腦：

大鼠被二氧化碳窒息而死，然后用200毫升磷酸鹽緩沖鹽水經(jīng)心肌灌注（通過換液清除腦血管中的血液），用200毫升4%多聚甲醛（PFA）進行原位灌注固定。處理后的大腦在4?C下浸泡在4%的PFA中24小時，嵌入石蠟中， 10μm的厚度切片。對相鄰的大腦切片進行魯氏快藍、蘇木精、伊紅（LHE）染色，確認組織學(xué)神經(jīng)解剖學(xué)。這些實驗得到了波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院機構(gòu)動物護理和使用委員會的批準，并根據(jù)實驗動物護理評估和認證協(xié)會和國家研究委員會實驗動物護理和使用指南的指導(dǎo)方針進行。

人腦：

死后的人腦以福爾馬林固定組織，皮質(zhì)區(qū)的切片被包埋在石蠟中，在切片機上以10微米的厚度進行切片。這些實驗得到了波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院機構(gòu)審查委員會的批準。

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儀器優(yōu)化及標(biāo)準制備

用NIST參考標(biāo)準SRM-612（NIST，Gaithersburg，MD）和NIST-3118a（NIST，Gaithersburg，MD添加了Gd的明膠（10% w/v））進行分析校準。明膠標(biāo)準品是采用Type-A 300 Bloom強度的明膠粉（Electron Microscopy Sciences, Hartfield, PA），渦旋明膠和Gd溶液，并在60?C的水浴中加熱。然后將少量的明膠移到一個冷凍的低溫夾頭上，并放入保持在-20?C的低溫機中。一旦變硬，將明膠標(biāo)準品10μm的厚度切片并轉(zhuǎn)移到顯微鏡載玻片上。在轉(zhuǎn)移過程中必須小心，以避免引入組織皺紋和褶皺。在樣品分析前，明膠標(biāo)準片需一直保存在-20?C。

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數(shù) 據(jù) 采 集 和 處 理

iCAP RQ ICP-MS可與激光燒蝕通過電脈沖信號形式實現(xiàn)反向觸發(fā)控制，當(dāng)進行逐行區(qū)域掃描時，iCAP RQ ICP-MS會在每一行的開始處向激光燒蝕平臺發(fā)送一個觸發(fā)脈沖，這種設(shè)置可以避免質(zhì)譜端意外情況下向激光剝蝕系統(tǒng)發(fā)送觸發(fā)指令，對于人腦等高價值稀缺的樣品尤其重要。LA-ICP-MS數(shù)據(jù)集通過Qtegra Laser DRWO輸出到定制型的MATLAB®程序（Mathworks, Natick, MA）和ImageJ (NIH開放源碼軟件)進行解剖學(xué)的繪圖和元素的定量。

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結(jié) 果 和 討 論

大鼠和人腦中元素和濃度的分布提供了關(guān)于大腦結(jié)構(gòu)和功能的重要信息:

★ 碳成像可以針對肉眼無法檢測到的組織成像質(zhì)量提供重要的信息，諸如組織在加工，切片，和轉(zhuǎn)移過程中的皺紋、褶皺、撕裂等痕跡；

★ 磷在整體大腦中的含量較高，在灰質(zhì)中的相對富集程度是最高的，其中小神經(jīng)元的細胞密度最大（如海馬的齒狀回、小腦的顆粒細胞層），因此磷成像是一個用于區(qū)分灰質(zhì)和白質(zhì)理想的元素；

★ 鐵同位素可用于常規(guī)基礎(chǔ)腦成像，通過鐵成像顯示了來自大鼠和人類四個腦區(qū)：大鼠前扣帶回皮層，大鼠海馬，大鼠小腦和人類大腦皮層；

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大鼠和人腦中釓的分布

為了將大腦成像圖中的Gd從相對濃度轉(zhuǎn)換為絕對濃度，采用人工添加Gd元素來制備的明膠標(biāo)準片進行校準曲線的創(chuàng)建，通過大鼠全身給藥（靜脈注射）磁共振成像（MRI）所使用的釓基造影劑后（釓噴酸二聚體），最終繪制大鼠大腦中的總釓濃度圖。

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研 究 結(jié) 論

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采用iCAP RQ ICP-MS與LSX-213-G2+聯(lián)用技術(shù)，可以獲得高質(zhì)量大腦標(biāo)本中的元素成像圖，這種元素質(zhì)譜成像方式提供了關(guān)于大腦結(jié)構(gòu)的新信息和在健康與疾病診斷功能的新信息。LA-ICP-MS成像是對其他神經(jīng)成像技術(shù)的補充，并帶來推進臨床前大腦研究和臨床應(yīng)用的新機遇。

References

1.Gholap, D. et al. Anal. Bioanal. Chem. 2012, 402(6), 2121-9.

2.Fingerhut, S. et al. J. Trace Elem. Med. Biol. 2018, 45, 125-130.

3.Hare, D. J. et al. J. Vis. Exp. 2017, 119, e55042.

4.Hare, D. J. et al. Anal. Methods 2013, 5, 1915–1921.

5.Minaeva, O. et al. Radiology 2019, 190461.

6.CUSTOMER APPLICATION NOTE 44449，ICP-MS as a tool in elemental brain imaging

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