研 究 背 景

LA-ICP-MS成像技术作为神经科学研究的一个强大的新工具已得到广泛认可并应用到科研领域，这项技术能够对人类和实验动物的大脑进行精确的解剖定位和超痕量元素的定量分析。LA-ICP-MS能够实现准确的元素定性和定量、具有超高的灵敏度（ppb-ppt）和超宽的动态范围，以及高空间分辨率（微米），无需标识或标记。

此外还可以将一个大脑切片同时生成多个元素成像图，通过无处不在的元素，例如磷可被用来定位不同的大脑组织区域，用以区分灰质（神经元、胶质和血管）和白质（神经纤维束）；磷元素的成像图极大地促进了其它目标元素（Cu、Zn、Fe、Gd等）的准确定位和含量分布。大脑标本LA-ICP-MS成像技术是一个新颖而强大的工具，可以探索基本大脑机制，加速开发新的诊断方法、治疗方法、药物输送系统，用于治疗神经退行性疾病、脑外伤、脑癌、脱髓鞘疾病、癫痫和其他中枢神经系统疾病。

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仪 器 及 参 数

★ ICP-MS:

iCAP RQ ICP-MS,Thermo Scientific

★ LA:

激光烧蚀系统

(LSX-213 G2+,Teledyne CETAC Technologies)

为确保LA-ICP-MS具有最大灵敏度和最佳稳定性，通过调用Qtegra ISDS LA模式自动调谐程序进行优化调整，优化后参数如下：

（△点击查看大图）

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样 品 准 备

大鼠大脑：

大鼠被二氧化碳窒息而死，然后用200毫升磷酸盐缓冲盐水经心肌灌注（通过换液清除脑血管中的血液），用200毫升4%多聚甲醛（PFA）进行原位灌注固定。处理后的大脑在4˚C下浸泡在4%的PFA中24小时，嵌入石蜡中， 10μm的厚度切片。对相邻的大脑切片进行鲁氏快蓝、苏木精、伊红（LHE）染色，确认组织学神经解剖学。这些实验得到了波士顿大学医学院机构动物护理和使用委员会的批准，并根据实验动物护理评估和认证协会和国家研究委员会实验动物护理和使用指南的指导方针进行。

人脑：

死后的人脑以福尔马林固定组织，皮质区的切片被包埋在石蜡中，在切片机上以10微米的厚度进行切片。这些实验得到了波士顿大学医学院机构审查委员会的批准。

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仪器优化及标准制备

用NIST参考标准SRM-612（NIST，Gaithersburg，MD）和NIST-3118a（NIST，Gaithersburg，MD添加了Gd的明胶（10% w/v））进行分析校准。明胶标准品是采用Type-A 300 Bloom强度的明胶粉（Electron Microscopy Sciences, Hartfield, PA），涡旋明胶和Gd溶液，并在60˚C的水浴中加热。然后将少量的明胶移到一个冷冻的低温夹头上，并放入保持在-20˚C的低温机中。一旦变硬，将明胶标准品10μm的厚度切片并转移到显微镜载玻片上。在转移过程中必须小心，以避免引入组织皱纹和褶皱。在样品分析前，明胶标准片需一直保存在-20˚C。

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数 据 采 集 和 处 理

iCAP RQ ICP-MS可与激光烧蚀通过电脉冲信号形式实现反向触发控制，当进行逐行区域扫描时，iCAP RQ ICP-MS会在每一行的开始处向激光烧蚀平台发送一个触发脉冲，这种设置可以避免质谱端意外情况下向激光剥蚀系统发送触发指令，对于人脑等高价值稀缺的样品尤其重要。LA-ICP-MS数据集通过Qtegra Laser DRWO输出到定制型的MATLAB®程序（Mathworks, Natick, MA）和ImageJ (NIH开放源码软件)进行解剖学的绘图和元素的定量。

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结 果 和 讨 论

大鼠和人脑中元素和浓度的分布提供了关于大脑结构和功能的重要信息:

★ 碳成像可以针对肉眼无法检测到的组织成像质量提供重要的信息，诸如组织在加工，切片，和转移过程中的皱纹、褶皱、撕裂等痕迹；

★ 磷在整体大脑中的含量较高，在灰质中的相对富集程度是最高的，其中小神经元的细胞密度最大（如海马的齿状回、小脑的颗粒细胞层），因此磷成像是一个用于区分灰质和白质理想的元素；

★ 铁同位素可用于常规基础脑成像，通过铁成像显示了来自大鼠和人类四个脑区：大鼠前扣带回皮层，大鼠海马，大鼠小脑和人类大脑皮层；

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大鼠和人脑中钆的分布

为了将大脑成像图中的Gd从相对浓度转换为绝对浓度，采用人工添加Gd元素来制备的明胶标准片进行校准曲线的创建，通过大鼠全身给药（静脉注射）磁共振成像（MRI）所使用的钆基造影剂后（钆喷酸二聚体），最终绘制大鼠大脑中的总钆浓度图。

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研 究 结 论

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采用iCAP RQ ICP-MS与LSX-213-G2+联用技术，可以获得高质量大脑标本中的元素成像图，这种元素质谱成像方式提供了关于大脑结构的新信息和在健康与疾病诊断功能的新信息。LA-ICP-MS成像是对其他神经成像技术的补充，并带来推进临床前大脑研究和临床应用的新机遇。

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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