研 究 背 景

LA-ICP-MS成像技術作為神經科學研究的一個強大的新工具已得到廣泛認可并應用到科研領域，這項技術能夠對人類和實驗動物的大腦進行精確的解剖定位和超痕量元素的定量分析。LA-ICP-MS能夠實現準確的元素定性和定量、具有超高的靈敏度（ppb-ppt）和超寬的動態范圍，以及高空間分辨率（微米），無需標識或標記。

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域，用以區分灰質（神經元、膠質和血管）和白質（神經纖維束）；磷元素的成像圖極大地促進了其它目標元素（Cu、Zn、Fe、Gd等）的準確定位和含量分布。大腦標本LA-ICP-MS成像技術是一個新穎而強大的工具，可以探索基本大腦機制，加速開發新的診斷方法、治療方法、藥物輸送系統，用于治療神經退行性疾病、腦外傷、腦癌、脫髓鞘疾病、癲癇和其他中樞神經系統疾病。

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儀 器 及 參 數

★ ICP-MS:

iCAP RQ ICP-MS,Thermo Scientific

★ LA:

激光燒蝕系統

(LSX-213 G2+,Teledyne CETAC Technologies)

為確保LA-ICP-MS具有最大靈敏度和最佳穩定性，通過調用Qtegra ISDS LA模式自動調諧程序進行優化調整，優化后參數如下：

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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，確認組織學神經解剖學。這些實驗得到了波士頓大學醫學院機構動物護理和使用委員會的批準，并根據實驗動物護理評估和認證協會和國家研究委員會實驗動物護理和使用指南的指導方針進行。

人腦：

死后的人腦以福爾馬林固定組織，皮質區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醫學院機構審查委員會的批準。

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儀器優化及標準制備

用NIST參考標準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，將明膠標準品10μm的厚度切片并轉移到顯微鏡載玻片上。在轉移過程中必須小心，以避免引入組織皺紋和褶皺。在樣品分析前，明膠標準片需一直保存在-20?C。

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數 據 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反向觸發控制，當進行逐行區域掃描時，iCAP RQ ICP-MS會在每一行的開始處向激光燒蝕平臺發送一個觸發脈沖，這種設置可以避免質譜端意外情況下向激光剝蝕系統發送觸發指令，對于人腦等高價值稀缺的樣品尤其重要。LA-ICP-MS數據集通過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)進行解剖學的繪圖和元素的定量。

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結 果 和 討 論

大鼠和人腦中元素和濃度的分布提供了關于大腦結構和功能的重要信息:

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

★ 磷在整體大腦中的含量較高，在灰質中的相對富集程度是最高的，其中小神經元的細胞密度最大（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分灰質和白質理想的元素；

★ 鐵同位素可用于常規基礎腦成像，通過鐵成像顯示了來自大鼠和人類四個腦區：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從相對濃度轉換為絕對濃度，采用人工添加Gd元素來制備的明膠標準片進行校準曲線的創建，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 論

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采用iCAP RQ ICP-MS與LSX-213-G2+聯用技術，可以獲得高質量大腦標本中的元素成像圖，這種元素質譜成像方式提供了關于大腦結構的新信息和在健康與疾病診斷功能的新信息。LA-ICP-MS成像是對其他神經成像技術的補充，并帶來推進臨床前大腦研究和臨床應用的新機遇。

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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