Buckle, Tessa

Van Acker, Thibaut

Van Malderen, Stijn

Vanhaecke, Frank

Ghent University Academic Bibliography

    14306 Industrial RoadOmaha, NE 68144 USA  +1.402.733.2829 teledynecetac.com Application Note    © 2017 Teledyne CETAC Technologies    APPLICATION NOTE: ANALYTE G2‐003 High‐speed sub‐micrometer imaging of sub‐cellular structures in single cells using ARIS Thibaut Van Acker1, Stijn J.M. Van Malderen1, Tessa Buckle², Frank Vanhaecke1 1Department of Analytical Chemistry, Ghent University, Campus Sterre, Krijgslaan 281 ‐ S12, 9000 Ghent, Belgium 2Interventional Molecular Imaging Laboratory, Department of Radiology, Leiden University Medical Center, Albinusdreef 2, 2300 RC Leiden, the Netherlands INTRODUCTION  The  focus  of  many  bioimaging  techniques,  such  as fluorescence microscopy and imaging mass spectrometry, has been slowly evolving from imaging the distribution of species on  the macroscale  level  to  the  cellular  and  sub‐cellular  level. LA‐ICP‐MS has followed this trend, as  it has been realized that the elemental distribution on a cellular and  sub‐cellular  level  provides  insights  into  the mechanistic  processes driving  the  elemental distribution observed  at  the  macroscale  level.  While  LA‐ICP‐MS imaging  at  the  sub‐cellular  level  is  not  yet mainstream, the  number  of  papers  devoted  to  this  topic  is  rapidly increasing. The ARIS  is a  recently  introduced  robust  low‐dispersion  add‐on  to  the HelEx  II  cell,  greatly  enhancing the scanning speeds (< 40 ms washout) and sensitivity of the  system,  which  can  be  used  to  achieve  a  spatial resolution  higher  than  that  of  conventional  setups.  The performance of this setup is not limited by the washout of the  LA  system  any  longer,  but  rather  limited  to  the sensitivity  of  the  mass  spectrometer.  In  this  proof‐of‐concept  study,  we  have  demonstrated  the  use  of  an Analyte  G2  193  nm  ArF*excimer‐based  laser  ablation system  (Teledyne Photon Machines, Bozeman, MT, USA) equipped with the ARIS device coupled to an Agilent 7900 ICP‐mass spectrometer  (Agilent Technologies  Inc., Tokyo, Japan) to image single cells at a scale of 500 nm. EXPERIMENTAL SECTION MDAMB231  X4  breast  cancer  cells  of  human  origin, overexpressing  the  chemokine  receptor  4  (CXCR4) were seeded  onto  2.5  mm  diameter  coverslips  in  Dulbecco’s minimum  essential  medium  (DMEM),  containing  10% fetal  bovine  serum  and  penicillin/streptomycin  (Life Technologies Inc., Carlsbad, CA, USA). After 24 hours, the cells were  fixed  using  an  ethanol‐series.  The  cells were then  incubated  at  room  temperature  for  15  min  with 500 µL  of  1:50  diluted  500  µM  DNA‐binding  103Rh‐intercalator  solution  (Fluidigm  Corporation,  South  San Francisco, CA, USA) and subsequently washed with 2 mL of  MaxPar®  Cell  Staining  Buffer  (Fluidigm  Corporation, South  San  Francisco,  CA, USA).  The  cell  plates were  air‐dried and placed in 1 inch brackets within the standard 9‐hole  sample  holder.  A  small  region  of  150  x  200  µm2 containing multiple  cells was  scanned using  a  laser  spot size of 1 μm, with (overlapping) horizontal scan  lines at a vertical  interspacing of  500 nm. By overlapping  ablation positions,  an  effective  sampling  area  (and  lateral resolution)  equal  to  a  quarter  of  the  spot  size  area  is achieved. The repetition rate was set to 100 Hz, the scan speed  to  10  µm  s‐1,  and  the  laser  energy  density  was determined  to be 2.98  J cm‐2. The  laser was operated  in fixed  dosage mode  (stage‐priority  triggering)  to  achieve better  positioning  accuracy  during  ablation.  In  this approach,  25  pixels  were  acquired  every  second  (dwell times: 17 ms  for  31P and  for  103Rh,  total  scan cycle  time: 40 ms).  The  total  analysis  time  for  this  area  was approximately 1 h 40 min.  Figure 1: Diagram of the Aerosol Rapid Introduction System (ARIS). TELEDYNE CETAC TECHNOLOGIES     teledynecetac.com       Figure  2:  Images  of  the  103Rh  and  31P  signal  overlaid  on  a  brightfield microscopy  image of the ablated zone prior to ablation. A) Microscopic image acquired a priori. B) Overlay with the  ‘jet’ colormap of the 103Rh signal with a figure inset (1). Note that a logarithmic scaling was used. C) Overlay with the ‘jet’ colormap of the 31P signal. Note that a logarithmic scaling was used.  RESULTS AND CONCLUSION The  images  thus  acquired  are displayed  in  Figure  2;  these  images are  generated  using  an  inverse logarithmic  scaling  of  the transparency  channel  and  a logarithmic  scaling  of  the  ‘jet’ colormap.  As  can  be  observed  in these  images,  the  contrast  ratio  of this  image  is  remarkably  high, considering  the  extreme  lateral resolution  that was achieved. All  fine details  of  the  cells’  outline  can  be discerned.  As  expected,  the Rh‐intercalator is highly concentrated in the  cells’  nuclei, whilst  trace  amounts are  also  present  in  other  cell compartments.  The  phosphorus channel  also  reflects  the  position  of the  nucleus,  due  to  the  high  density of  phosphate  groups  in  the  DNA.  In conclusion,  a  LA‐ICP‐MS  setup equipped with the ARIS device is well‐suited to image the intracellular metal distribution  down  to  a  scale  of 500 nm.  

High-speed sub-micrometer imaging of sub-cellular structures in single cells using ARIS

https://biblio.ugent.be/publication/8534448/file/8534449

High-speed sub-micrometer imaging of sub-cellular structures in single cells using ARIS

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Ghent University Academic Bibliography