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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(gè)強(qiáng)大的新工具已得到廣泛認(rèn)可并應(yīng)用到科研領(lǐng)域，這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)θ祟惡蛯?shí)驗(yàn)動(dòng)物的大腦進(jìn)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(zhǔn)確的元素定性和定量、具有超高的靈敏度（ppb-ppt）和超寬的動(dòng)態(tài)范圍，以及高空間分辨率（微米），無(wú)需標(biāo)識(shí)或標(biāo)記。

此外還可以將一個(gè)大腦切片同時(shí)生成多個(gè)元素成像圖，通過(guò)無(wú)處不在的元素，例如磷可被用來(lái)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(jìn)了其它目標(biāo)元素（Cu、Zn、Fe、Gd等）的準(zhǔn)確定位和含量分布。大腦標(biāo)本LA-ICP-MS成像技術(shù)是一個(gè)新穎而強(qiáng)大的工具，可以探索基本大腦機(jī)制，加速開(kāi)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(guò)調(diào)用Qtegra ISDS LA模式自動(dòng)調(diào)諧程序進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，優(yōu)化后參數(shù)如下：

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樣 品 準(zhǔn) 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(guò)換液清除腦血管中的血液），用200毫升4%多聚甲醛（PFA）進(jìn)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(shí)，嵌入石蠟中， 10μm的厚度切片。對(duì)相鄰的大腦切片進(jìn)行魯氏快藍(lán)、蘇木精、伊紅（LHE）染色，確認(rèn)組織學(xué)神經(jīng)解剖學(xué)。這些實(shí)驗(yàn)得到了波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院機(jī)構(gòu)動(dòng)物護(hù)理和使用委員會(huì)的批準(zhǔn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物護(hù)理評(píng)估和認(rèn)證協(xié)會(huì)和國(guó)家研究委員會(huì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物護(hù)理和使用指南的指導(dǎo)方針進(jìn)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(jī)上以10微米的厚度進(jìn)行切片。這些實(shí)驗(yàn)得到了波士頓大學(xué)醫(yī)學(xué)院機(jī)構(gòu)審查委員會(huì)的批準(zhǔn)。

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儀器優(yōu)化及標(biāo)準(zhǔn)制備

用NIST參考標(biāo)準(zhǔn)SRM-612（NIST，Gaithersburg，MD）和NIST-3118a（NIST，Gaithersburg，MD添加了Gd的明膠（10% w/v））進(jìn)行分析校準(zhǔn)。明膠標(biāo)準(zhǔn)品是采用Type-A 300 Bloom強(qiáng)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(gè)冷凍的低溫夾頭上，并放入保持在-20?C的低溫機(jī)中。一旦變硬，將明膠標(biāo)準(zhǔn)品10μm的厚度切片并轉(zhuǎn)移到顯微鏡載玻片上。在轉(zhuǎn)移過(guò)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(zhǔn)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(guò)電脈沖信號(hào)形式實(shí)現(xiàn)反向觸發(fā)控制，當(dāng)進(jìn)行逐行區(qū)域掃描時(shí)，iCAP RQ ICP-MS會(huì)在每一行的開(kāi)始處向激光燒蝕平臺(tái)發(fā)送一個(gè)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(duì)于人腦等高價(jià)值稀缺的樣品尤其重要。LA-ICP-MS數(shù)據(jù)集通過(guò)Qtegra Laser DRWO輸出到定制型的MATLAB®程序（Mathworks, Natick, MA）和ImageJ (NIH開(kāi)放源碼軟件)進(jìn)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(duì)肉眼無(wú)法檢測(cè)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(guò)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(duì)富集程度是最高的，其中小神經(jīng)元的細(xì)胞密度最大（如海馬的齒狀回、小腦的顆粒細(xì)胞層），因此磷成像是一個(gè)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(guò)鐵成像顯示了來(lái)自大鼠和人類四個(gè)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(duì)濃度轉(zhuǎn)換為絕對(duì)濃度，采用人工添加Gd元素來(lái)制備的明膠標(biāo)準(zhǔn)片進(jìn)行校準(zhǔn)曲線的創(chuàng)建，通過(guò)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(duì)其他神經(jīng)成像技術(shù)的補(bǔ)充，并帶來(lái)推進(jìn)臨床前大腦研究和臨床應(yīng)用的新機(jī)遇。

References

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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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