Mass spectrometry-based enzymatic histochemistry methods for in situ imaging of catecholamine biotransformations on brain tissue sections

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is an incurable and progressive neurodegenerative movement disorder that is caused by loss of dopaminergic nerve cells in the substantia nigra in the brain. The most effective treatment today is to administer L-DOPA, the precursor to dopamine. Animal models are being used to investigate the neurochemical background of PD. Matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) mass spectrometry is a technique that can be used to simultaneously measure numerous neurotransmitters, their metabolites and their distribution in tissue sections.The main aim of the study was to develop and optimize a MALDI-MSI method for measuring in situ enzyme activity of L-DOPA metabolizing enzymes in brain tissue sections. Rat brains were sectioned and used for method optimization. L-DOPA-d3 was applied on tissue sections and MALDI-MSI was used to measure its in situ bioconversion metabolism using FMP-10 as a matrix. Various parameters such as the concentration of L-DOPA, pH of the dissolution solvent, incubation temperature and incubation period were studied to determine the optimal parameters. They were then applied to a PD animal model to investigate regional changes in enzyme activity in PD.The optimized method used phosphate-buffered saline (PBS) (pH 7.4) as a solvent for L-DOPA-d3. The L-DOPA-d3 solution was sprayed onto the tissue using 6 passes in a TM-sprayer (L-DOPA-d3 concentration at 1.890 µg/mm2) at 37°C, and then the sample was incubated for 30 minutes at 37°C. The method allowed for images of dopamine-d3 seen in the striatum after application of L-DOPA-d3. When applied to the PD animal model, regional differences in dopamine-d3 production was seen in the lesioned (Parkinson-like) brain tissue.This study demonstrates a MALDI-MSI-based enzyme histochemistry method for visualizing enzyme activities such as the biotransformation of L-DOPA to dopamine. With further optimization it could provide novel insights into the ever-growing field of PD research.

Parkinsonsveiki er ólæknanlegur og framsækinn taugahrörnunarsjúkdómur sem einkennist af tapi á dópamín taugafrumum í svartsviði (substantia nigra) í heilanum. Árangursríkasta meðferðin í dag er að gefa L-DOPA, forvera dopamíns. Parkinsonsveikis dýralíkön eru notuð til að kanna taugefnafræðilegan bakgrunn parkinsons sjúkdóms. Myndgreining með matrix-assisted laser desorption/ionization (MALDI) massagreini (MSI) er tækni sem hægt er að nota til að mæla samtímis fjölmörg taugaboðefni, umbrotsefni þeirra og dreifingu í vef samtímis. Meginmarkmið rannsóknarinnar er að þróa og hagræða MALDI-MSI aðferð til að mæla staðbundna (in situ) ensímvirkni ensíma sem eiga þátt í umbroti af L-DOPA í heilavef.Heilavefur var skorinn og notaður til að hagræða aðferð fyrir þróun á staðbundinni (in situ) vefjaefnafræði MALDI-MSI aðferð til að mæla niðurbrot katekólamína í heilavefnum með notkun FMP-10 sem matrixu. Ýmsar breytur voru skoðaðar eins og styrkur L-DOPA, pH stig leysis, hitastig við inkúberingu og inkúberingar tímabil til að ákvarða ákjósanlegustu breyturnar. Þeim var síðan beitt á parkinson dýralíkan til að kanna svæðisbundnar breytingar á ensímvirkni í parkinsonsveiki.Breyturnar sem gáfu ákjósalegustu aðferðina var að nota PBS (pH 7,4) sem leysi fyrir L-DOPA-d3. L-DOPA-d3 lausinni var úðuð á vefinn með 6 umferðum með TM-úðavél (L-DOPA-d3 styrkur við 1,890 µg/mm2) við 37°C og svo inkúbera sýnið í 30 mínútur við 37°C. Aðferðin leyfði myndun af dópamíni-d3 sem var sjánlegt í rákakleggi (striatum) eftir úðun af L-DOPA-d3. Þegar aðferðin var notuð á parkinsonsveikis dýralíkan þá sást svæðisbundinn munur á dópamíni-d3 framleiðslu á skemmdu hlið vefsins. Þessi rannsókn setti fram MALDI-MSI aðferð til að sýna fram á enzím virkni á myndrænan hátt fyrir ensím niðurbrot á L-DOPA yfir í dópamín. Með frekari hagræðingu væri hugsanlega hægt að nota aðferðina til að veita nýja innsýn í sívaxandi rannsóknarsvið Parkinsonsveiki.