このプロトコルは、マルチプレックス免疫組織化学を用いた腫瘍微小環境の免疫細胞特性評価がどのように行われるかを詳細に説明しています。
腫瘍微小環境の免疫細胞ランドスケープには、予後および予測バイオマーカーの発見のための情報が含まれている可能性があります。マルチプレックス免疫組織化学は、空間情報を保持しながら、腫瘍組織内のさまざまな種類の免疫細胞を視覚化および同定するための貴重なツールです。ここでは、組織切片のリンパ球、骨髄、および樹状細胞集団を分析するための詳細なプロトコルを提供します。ホルマリン固定パラフィン包埋切片の切断から始まり、自動プラットフォームでの自動マルチプレックス染色手順、マルチスペクトルイメージング顕微鏡でのスライドのスキャン、自社開発の機械学習アルゴリズムImmuNetを使用した画像分析まで。これらのプロトコルは、腫瘍マーカーを切り替えるだけで、サンプルの異なるコンパートメント(腫瘍と浸潤性マージン)の免疫細胞を分析し、最近傍分析を適用するだけで、さまざまな腫瘍標本に適用できます。この分析は腫瘍サンプルに限定されず、他の(非)病原性組織にも適用できます。過去数年間の機器とワークフローの改善により、スループット時間が大幅に短縮され、診断現場でのこの手順の将来の適用が容易になります。
免疫細胞は、ウイルスや細菌などの病原体に対する防御だけでなく、がん細胞に対する防御にも重要な役割を果たします1。したがって、腫瘍微小環境(TME)内の免疫系は、予後および予測バイオマーカーの発見に多くの期待を寄せています2。免疫細胞の浸潤は、さまざまな種類のがんの予後と相関していますが、これはまだ臨床ケアで実施されていません3,4。ほとんどの腫瘍タイプでは、細胞傷害性T細胞およびヘルパーT細胞の数が多い、および/または制御性T細胞の数が少ないことが良好な予後に関連しています。結腸直腸癌のTNM病期分類にいわゆる「免疫スコア」を組み込み、TNM-I病期分類に変える努力が進行中です5,6。イムノスコアは、腫瘍のコアと腫瘍の浸潤性断端(IM)の2つの異なる腫瘍領域におけるT細胞(CD3で検出)と細胞傷害性T細胞(CD8で検出)の総数から導き出されます。イムノスコアは、黒色腫、肺がん、乳がんなど、他の種類のがんでも予後的価値があることが提案されています6,7,8,9。さらに、免疫細胞浸潤は、チェックポイント遮断免疫療法10に対する応答にも相関し得る。ただし、これらの予測バイオマーカーは、臨床診療で日常的に実施する前に、前向き研究で検証する必要があります。さらに、単一のバイオマーカーでは意味のある予測には不十分であることも提案されています11。したがって、異なるバイオマーカーを組み合わせて患者サンプルの完全なマップを作成することは、いわゆる「がん免疫図」12のより包括的な予測バイオマーカーとして提案されています。
TME内の免疫細胞を研究する方法の中で、最も古く、最もよく知られている技術は免疫組織化学(IHC)であり、いくつかの疾患、特に癌13の診断検査に日常的に使用されています。この技術は、1つまたは少数のマーカー14 を長期間使用することに限られていたため、研究環境では、フローサイトメトリーや遺伝子発現プロファイリング(GEP)などの他の技術に負けていた。しかし、日常的な診断や研究で一般的に使用されるホルマリン固定およびパラフィン包埋(FFPE)腫瘍組織は、フローサイトメトリーやGEPには(最適に)適していません。さらに、GEPとフローサイトメトリーは、細胞の表現型と機能について多くの洞察を提供しますが、空間情報の欠如は大きな欠点です。したがって、腫瘍の免疫細胞浸潤領域と免疫細胞排除領域の違いなど、サンプル内の不均一性が検出されない可能性がある15。マルチプレックスIHC、イメージングマスサイトメトリー、CO-Detection by indEXing(CODEX)など、FFPE組織のマルチプレックス解析のための新しいプラットフォームが開発されており、組織切片16内で複数のマーカーを同時に検出するために使用できます。TMEの免疫細胞は、免疫療法に最適なバイオマーカーを見つけるために広く研究されています。しかし、マルチプレックス技術や自動画像解析には、それぞれにハードルがあります。
当研究室では、オパール/チラミドシグナル増幅法(TSA)法を用いたマルチプレックスIHC染色に豊富な経験を有しており、これをIHCプラットホーム上で自動化しています(材料表参照)17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29、30、31。私たちは、リンパ球、骨髄細胞、樹状細胞(DC)のさまざまなサブセットを検出するために、免疫細胞パネルを最適化しました。リンパ球や複雑な細胞形態(骨髄細胞やDC)など、免疫細胞の領域が密集している組織は、特に解析が難しく、存在する免疫細胞の数を過大評価または過小評価するリスクがあります。この問題を解決するために、私たちのグループ32によってImmuNet分析ソフトウェアが開発され、この機械学習パイプラインにより、これらのさまざまな種類の免疫細胞の検出品質が大幅に向上しました。ここでは、FFPE材料の取得から、さまざまな組織コンパートメントの免疫細胞密度および免疫細胞タイプ間の距離の分析までの詳細なプロトコルについて説明します。
このプロトコルは、2022年にデジタルパソロジーイメージャーが導入されて以来、ラドバウド大学医療センターでマルチプレックスIHCパネルがどのように行われているかを概説しています。記載されたマルチプレックスIHCパネルは、腫瘍マーカーとして汎サイトケラチン抗体を使用することにより、または腫瘍マーカーとしてメラノサイト関連抗体を使用することにより、異なる癌腫(例えば、肺、前立腺、結腸直腸、膀胱、乳房)に使用することができる。これらのマルチプレックスIHCプロトコールは、一次抗体の濃度、蛍光色素の組み合わせ、および染色手順の順序に関して慎重に最適化されています。私たちや他の人々は、以前にマルチプレックスIHCパネルの最適化について説明しました17,33,34,35。マルチプレックスIHCパネルは適応させることができますが、説明されている分析パイプラインを評価し、それに応じて調整または再トレーニングする必要があります。記載されている7色のマルチプレックスIHCプロトコルは、オパールの蛍光色素Opal480、Opal520、Opal570、Opal620、Opal690、Opal780、および4′,6-ジアミジノ-2-フェニルインドール(DAPI)を使用しているため、「マルチスペクトルワンタッチ免疫蛍光」(MOTiF)により、イメージャーでの簡単なアンミキシングと高速スキャンが可能になります。9色染色とスキャンは、実験セットアップのさらに微調整と、液晶チューナブルフィルターを使用するイメージャーでのスキャンの別のモードが必要になるため、このプロトコルでは説明されていません。
TMEの空間解析は、免疫細胞コンパートメントについてさらに学び、特に免疫腫瘍学の分野で新しい予後および予測バイオマーカーを発見するための求められている手法です16。この目的のために、タンパク質、mRNA転写産物、またはこれら2つの組み合わせの検出を含む多くの異なる技術が開発されており、最大100〜1,000のターゲットを推定します。しかし、マルチプレックス化が進むと、ハイスループットな実験、実験コスト、技術的な課題が減り、多くの場合、TMEのごく一部しか解析できません。ここで説明するTSAベースの方法を使用したマルチプレックスIHCは、6つの異なるマーカー+ DAPIを同時に検出し、比較的安価に実行でき、組織切片全体を20分以内にイメージングし、完全に分析する準備ができています。この技術は、染色手順の自動化により、複雑さが軽減されました。2つの追加フィルターの追加を含むマルチスペクトル顕微鏡の改良により、スペクトルのアンミキシングとスキャン時間が大幅に改善されました。最大8つの異なるマーカー+DAPIを同時に検出することが可能です。しかし、マルチプレックスをより多くのマーカーで拡張すると、スペクトルのアンミキシングがより困難になり、スライド全体のスキャン時間が大幅に増加するため、前述の利点はなくなります。診断現場での実施を容易にするために、異なる施設間でマルチプレックスIHCを標準化する取り組みが行われています。このマルチプレックスIHCの標準化のために、6つの異なるマーカー+ DAPIを使用して、よりアクセスしやすいプロトコルに従うことをお勧めします。それにもかかわらず、まだかなりの技術的なノウハウが必要であり、ダウンストリーム分析は困難な場合があり、そのためにこのプロトコルで説明されている方法論を開発しました。
標準化は、マルチプレックスIHCパネルの開発から始まります。特定のタンパク質標的を検出する一次抗体を選択することの重要性は、17以前から強調されてきました。当社のマルチプレックスIHCパネルは、主に一次抗体クローンを使用して開発されており、診断部門でもIHCに使用され、検証されています。しかし、樹状細胞マルチプレックスIHCパネルの場合、ほとんどの抗体は診断現場で使用されていませんでした(van der Hoorn et al.、提出原稿)。特異性を確保し、バッチの違いを最小限に抑えるために、ポリクローナル抗体よりもモノクローナル抗体を使用することを選択し、トランスフェクションした細胞株と初代細胞を使用してほとんどの抗体も検証しています。長年にわたり、Vectra 3システム18,21,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32を使用した多数の研究で、さまざまなバージョンのマルチプレックスIHCパネルが使用されてきました.これらのマルチプレックスIHCパネルをPhenoImager HTシステムに最適に実装するためには、一次抗体と蛍光色素の組み合わせにいくつかの調整を行う必要がありました。全組織切片のより良いスペクトルアンミキシングとスキャン時間の短縮の恩恵を受けるためには、最新のOpal480およびOpal780蛍光色素を実装し、7色のマルチプレックスIHCパネルでOpal540およびOpal650蛍光色素の使用を避ける必要があります。スキャン時間は、組織切片のサイズにもよりますが、3~10倍速くなります。マルチプレックスIHCパネルの調整は非常に簡単に実現できましたが、いくつかの考慮事項を念頭に置く必要があります。Opal480の蛍光スペクトルは、自家蛍光スペクトルと多く重複するため、赤血球や他の自己蛍光構造のスペクトルアンミキシングを妨げます。一次抗体の濃度を上げてOpal480と組み合わせることで、ほとんどの場合、この問題が解決しました。PhenoImager HTに独自のサンプルAFフィルターを実装すると、Opal480と自家蛍光のアンミキシングが容易になります。ただし、Opal480と併用すると明確なシグナルが得られる一次抗体を使用するのが最善であり、そのシグナルは自家蛍光よりも高くなります。
これらのマルチプレックスIHCパネルは確立されていますが、バッチ間のバリエーションを考慮する必要があります。フルマルチプレックスIHC実験を開始する前にモノプレックスIHCコントロールを行うことで、実験ごとに一次抗体の性能が強いか弱いかが観察されることがありました。この原因としては、ピペッティングエラー、試薬の保管条件が最適でない、保存期間などが考えられます。私たちは、経験に基づいて一次抗体溶液を調整することでこれを解決しました。前述の調整を行う必要がなかった場合でも、マルチプレックスIHCバッチ実験のたびに、モノプレックスIHC染色コントロールスライドに基づいて露光時間を設定することが重要です。
私たちの研究は当初、さまざまな種類のがんと黒色腫に焦点を当てていたため、マルチプレックスIHCパネルは、最小限の調整で腫瘍タイプ間で交換可能である必要がありました。したがって、最適化プロセスには常に複数の(腫瘍)組織タイプを含め、免疫細胞マーカーの一次抗体の希釈は、異なる腫瘍タイプ間で同等に保つことができることを観察しました。ただし、がんと黒色腫の間の腫瘍組織検出には、異なる腫瘍マーカーが必要です。したがって、腫瘍マーカーは常に各マルチプレックスIHCパネルの最後に機能するように最適化されており、現在は常にOpal780と組み合わせて使用されています。Opal780は、偶然にもマルチプレックスIHC染色手順の最後の蛍光色素分子になければなりません。したがって、マルチプレックスIHCの最後に腫瘍マーカーを使用することにより、これらのマルチプレックスIHCパネルは、神経膠芽腫(すなわち、GFAP)およびホジキンリンパ腫(すなわち、CD30)などの他の腫瘍タイプと容易に交換することができる。血管肉腫に対しては、赤芽球形質転換特異的遺伝子(ERG)を用いたこのリンパ球マルチプレックスIHCパネルを腫瘍マーカーとして用い、最適化実験は25回のみであった。最適化には、ERG一次抗体の滴定と、最後にERGを使用したマルチプレックスIHCパネルの試験が含まれていました。
これらのマルチプレックスIHCパネルに対する他の調整は、特定の免疫細胞マーカーを別の免疫マーカーまたは機能マーカーと交換することによっても行うことができます。すべての変更には最適化が必要です。最適化のためのプロトコルは、前に説明した17に従うことができる。提案されたマルチプレックスIHCパネルへの特定の変更は、私たちが作成したImmuNetアルゴリズムに干渉します。十分なデータを生成する必要があり、これらの変更をアルゴリズムに実装するために時間を費やす必要があります(新しいマーカーや細胞表現型ごとに少なくとも750のアノテーション、および以前にトレーニングされたマーカーの検証に150のアノテーション)。本パネルには機能マーカーは含まれていませんが、PD-1やPD-L1などの免疫チェックポイントマーカーのマルチプレックスIHCパネルへの実装は当研究室で行っています。しかし、負のシグナルとポジティブのシグナルでバイナリーが少ないマーカーの解析はより困難であることが証明されており、私たちのグループでは活発な研究が行われています。
マルチプレックスIHCで同時に評価できるマーカーの数は、他の新しい技術と比較して限られています。これは、FFPE ブロックの連続するスライス上の異なるパネルを分析することで回避できますが、これらのスライスを空間的に比較することは困難です。スライドの準備後、向きと折りたたまれたアーティファクトは同じではない可能性があります。それにもかかわらず、マルチプレックスIHCは非常にアクセスしやすいため、より多くの機関や研究者にとって魅力的なツールとなり、したがって、診断環境での将来の実装により適しています。複数の腫瘍タイプと下流の分析パイプラインに対するマルチプレックスIHC免疫細胞パネルの標準化により、患者と腫瘍タイプ間のTMEの違いについてより多くの知識を得ることができます。これにより、例えば、特定の治療に対する抗腫瘍反応におけるTMEの役割について、より深い洞察を得ることができます。これにより、治療への反応や予想生存率などの要因を予測するための新しいバイオマーカーが生まれる可能性さえあります。全体として、これにより、マルチプレックスIHCは、個別化医療アプローチにおいて、臨床上の意思決定を支援する臨床ツールになることができます。確かに、分析手順のより多くのステップは、日常の診断設定で使用できるようにするために自動化および標準化されるべきであり、現時点では、それは主に未来的な視点です。
1つのサンプルスライド上の複数のマーカーの分析は、技術的な課題にもかかわらず、非常に強力なツールになる可能性があります。標準化された実験プロトコルと堅牢な分析方法により、ここでImmuNetを使用して説明したように、複数のマーカーの定量化により、従来のIHCよりも情報量が多くなり、マルチプレックスIHCは新しい高プレックス実験法と比較して比較的ハイスループットのままです。
The authors have nothing to disclose.
PhenoImager HTは、ラドバウド大学医療センターとラドバウド顕微鏡技術センターの資金提供により購入されました。CFは、Dutch Cancer Societyの助成金(10673)とERC Advの助成金ARTimmune(834618)によって財政的にサポートされています。JTは、NWO Vidi助成金(VI.Vidi.192.084)によって財政的にサポートされています。著者らは、マルチプレックスIHCデータを保存するワークフローの作成に協力してくれたEric van Dinther氏とAnkur Ankan氏に感謝し、ROI描画のためにQuPathにマルチプレックスIHCデータを実装する方法についての指示を受けたBengt Pung氏に感謝します。
anti-CD14 | Cell Marque | 114R-16 | section 3, clone EPR3653 |
anti-CD163 | Cell Marque | 163M-15 | section 3, clone MRQ-26 |
anti-CD19 | Abcam | ab134114 | section 3, clone EPR5906 |
anti-CD1c (BDCA1) | Thermo Scientific | TA505411 | section 3, clone OTI2F4 |
anti-CD20 | Thermo Scientific | MS-340-S | section 3, clone L26 |
anti-CD3 | Thermo Scientific | RM-9107 | section 3, clone sp7 |
anti-CD303/BDCA2 | Dendritics via Enzo Lifesciences/Axxora | DDX0043 | section 3, clone 124B3.13 |
anti-CD56 | Cell Marque | 156R-94 | section 3, clone MRQ-42 |
anti-CD66b | BD Biosciences | 555723 | section 3, clone G10F5 |
anti-CD68 | Dako Agilent | M087601 | section 3, clone PG-M1 |
anti-CD8 | Dako Agilent | M7103 | section 3, clone C8/144B |
anti-Foxp3 | Thermo Scientific | 14-4777 | section 3, clone 236A/E7 |
anti-Gp100 | Dako Agilent | M063401 | section 3, clone HMB45 |
anti-HLA-DR, DP, DQ | Santa Cruz | sc-53302 | section 3, clone CR3/43 |
anti-MART-1 | Thermo Scientific | MS-799 | section 3, clone A103 |
anti-pan cytokeratin | Abcam | ab86734 | section 3, clone AE1/AE3 + 5D3 |
anti-SOX10 | Sigma Aldrich | 383R | section 3, clone EP268 |
anti-Tyrosinase | Sanbio | MONX10591 | section 3, clone T311 |
anti-XCR1 | Cell Signaling Technologies via Bioké | 44665S | section 3, clone D2F8T |
antibody diluent | Akoya BioSciences | SKU ARD1001EA | section 3, from Opal 7-Color Automation IHC Kit 50 slide (can optionally also be replaced by TBST with 10% BSA) |
Bond Aspirating Probe | Leica Biosciences | S21.0605 | section 3 |
Bond Aspirating Probe Cleaning | Leica Biosciences | CS9100 | section 3 |
Bond Dewax Solution | Leica Biosciences | AR9222 | section 3 |
Bond Objectglas label + print lint | Leica Biosciences | S21.4564.A | section 3 |
Bond Research Detection System 2 | Leica Biosciences | DS9777 | section 3 |
Bond RX autostainer | Leica Biosciences | – | section 3, automated platform |
Bond TM Epitope Retrieval 1 – 1 L | Leica Biosciences | AR9961 | section 3 |
Bond TM Epitope Retrieval 2 – 1 L | Leica Biosciences | AR9640 | section 3 |
Bond TM Wash Solution 10x – 1 L | Leica Biosciences | AR9590 | section 3 |
BOND Universal Covertile | Leica Biosciences | S21.4611 | section 3 |
Bond(TM) Titration Kit | Leica Biosciences | OPT9049 | section 3 |
Coverslip 24 x 32 mm #1 (0.13-0.16 mm) | Fisher Scientific | 15717592 | section 2 |
coverslip 24 x 50 mm | VWR | 631-0146 | section 2 |
DAPI Fluoromount-G | VWR | 0100-20 | section 3, whenever monoplex slides need to be quickly checked, not for official analysis, then DAPI is stained seperately for better results |
Eosine | section 2, home made | ||
Ethanol 99.5% | VWR | 4099.9005 | section 2 |
Fluoromount-G | VWR | 0100-01 | section 3 |
haematoxyline | – | section 2, home made | |
ImmuNet | – | immune cell detection and phenotyping pipeline | |
inForm software 2.4.10 | Akoya BioSciences | – | section 4 & 6 |
OPAL 480 reagent pack | Akoya BioSciences | FP1500001KT | section 3 |
OPAL 520 reagent pack | Akoya BioSciences | FP1487001KT | section 3 |
OPAL 570 reagent pack | Akoya BioSciences | FP1488001KT | section 3 |
OPAL 620 reagent pack | Akoya BioSciences | FP1495001KT | section 3 |
OPAL 690 reagent pack | Akoya BioSciences | FP1497001KT | section 3 |
OPAL 780 reagent pack | Akoya BioSciences | FP1501001KT | section 3 |
Opal 7-Color Automation IHC Kit 50 slide | Akoya BioSciences | NEL821001KT | section 3 |
PhenoChart 1.1.0 | Akoya BioSciences | – | section 5 |
PhenoImagerHT | Akoya BioSciences | CLS143455 | section 4, digital pathology imager with slide viewer and imaging software (formerly known as Vectra Polaris) |
Quick-D mounting medium | Klinipath | 7280 | section 2 |
QuPath 0.3.2 | whole slide image analysis software platform | ||
R 4.1.1 | |||
Slide boxes | VWR | 631-0737 | section 1 |
SuperFrost Plus | Thermo Scientific through VWR | 631-9483 | section 1 |
Vectra Polaris software 1.0.13 | Akoya BioSciences | – | section 4 |
Xylene | VWR | 4055-9005 | section 2 |