在这里,我们描述了一种简单易懂的策略,用于在正式固定石蜡嵌入肿瘤组织部分中可视化、量化和映射免疫细胞。该方法将现有的成像和数字分析技术与扩展成像检测的多路复用能力和多参数分析相结合。
肿瘤微环境(TME)的免疫环境是癌症进展和治疗反应的决定性因素。具体来说,TME中免疫细胞的密度和位置具有重要的诊断和预后值。TME 的多光分析使我们对调节肿瘤启动和进展的众多细胞和分子网络有了指数化的认识。但是,这些技术不提供有关单元格的空间组织或细胞-细胞交互的信息。需要经济实惠、易于操作且易于执行的复用技术,该技术允许在组织部分中空间解析免疫细胞,以补充单一基于细胞的高通量技术。在这里,我们描述了一种策略,该策略集成了串行成像、顺序标记和图像对齐,以生成整个组织部分的虚拟多参数幻灯片。随后,使用用户定义的协议自动分析虚拟幻灯片,这些协议支持识别、量化和映射感兴趣的细胞群。在这种情况下,使用分析模块组织对齐、作者和 HISTOmap 进行图像分析。我们举了一个例子,我们成功地将这一策略应用于一个临床标本,最大限度地利用从有限组织样本获得的信息,并在整个组织部分提供 TME 的无偏见视图。
癌症的发展是恶性细胞和TME之间相互相互作用的多步骤过程的结果。除了肿瘤细胞,TME由非恶性细胞、基质细胞、免疫细胞群和细胞外基质(ECM)1组成。1肿瘤组织不同细胞和结构成分的空间组织,以及肿瘤与邻近非癌细胞之间的动态交换,最终调节肿瘤进展和对治疗的反应22、3、4。3,4研究表明,癌症的免疫反应是暂时调节的5,6。6不同的免疫细胞群渗入肿瘤病变和邻近组织,表现出独特的空间分布模式,与不同功能(例如,亲肿瘤与抗肿瘤)相关的激活和分化状态各不相同。这些不同的免疫种群及其参数与肿瘤和基质腔室共同进化。
允许单细胞多组学分析的技术的出现,使我们对调节致癌性和肿瘤进展的众多细胞和分子网络有了指数化的认识。然而,大多数基于单细胞的高通量分析工具需要组织中断和单细胞分离,导致细胞的空间组织和细胞-细胞相互作用7的信息丢失。由于 TME 中特定免疫细胞的位置和排列具有诊断和预后值,因此允许空间分辨率的技术是单细胞免疫分析技术的重要补充。
传统上,免疫组织化学 (IHC) 和多路免疫荧光 (mIF) 等成像技术仅限于少量可同时可视化的生物标志物。这种限制阻碍了对肿瘤渗透免疫细胞的时空动力学的研究,这些细胞通常由几个球形标记定义。成像和分析工具的最新进展扩大了多路复用的可能性。新的基于抗体的标签技术,如组织细胞学和成像质量细胞测量,已经用于空间分离多达12和32生物标志物,分别为88,9。9质谱成像是一种不需要贴标的技术,它有可能在单个组织第10、11,11节中同时成像数千个生物标志物。虽然这些技术已经显示出在解剖癌症组织免疫环境的巨大潜力,他们使用高度复杂和昂贵的设备和软件,并且不容易接触到大多数研究人员。
另外,传统的IHC和mIF的复用能力已经扩大,通过串行成像,连续轮标签,和光谱成像7,127,12,13,14,15,16。,13,14,15,16这些技术从相同或从串行组织部分生成多个图像,这些部分可以使用图像分析软件合并到虚拟多参数幻灯片中。因此,可同时可视化和分析的标记数量会增加。
在这里,我们提出了一种策略,使用商用试剂、经济实惠的显微镜设备和用户友好的软件合理设计组织多路复用测定(图1)。该方法集成了串行成像、顺序多路复用标记、整个组织成像和组织对齐,可生成虚拟多参数幻灯片,可用于组织部分免疫细胞的自动定量和映射。使用此策略,我们创建了一个虚拟幻灯片,包括 11 个生物标志物以及两个常用的组织学污渍:血红素和欧辛 (H&E) 和双红色 (PSR)。在不同的组织隔间中识别、定位和量化了多个免疫细胞群,并使用组织热图解决了其空间分布问题。此策略可最大化从有限的临床标本中获得的信息,适用于正式固定石蜡嵌入 (FFPE) 存档的组织样本,包括整个组织、核心针活检和组织微阵列。我们建议使用这种方法作为设计TME中免疫细胞群的定制检测的有用指南。
简单、方便且易于执行的复用技术,允许组织部分免疫细胞的空间分辨率,以绘制癌症和其他免疫性疾病的免疫景观图。在这里,我们描述了一个策略,它集成了广泛可用的标签和数字分析技术,以扩展成像测定的多路复用能力和多维评估12,13,17,19。12,13,17,19不同标记的三个串行部分的染色,以及通过剥离和重新探测技术重复使用部分,使我们能够可视化除 H&E 和 PSR 污渍之外的 11 个参数。使用组织对齐模块,以自动方式对齐这些部分的六幅图像。对于来自同一部分的图像,在单个单元级别进行对齐,对于来自相邻部分的图像,对齐高度一致。虚拟多路复用使我们能够确定一个节中可视化的标记如何与另一个连续部分中可视化的标记在空间上关联。虽然一些染色标记了 COIs,但其他标记了 TC,使我们能够量化不同 TC 中的 COIn。使用软件工具自动量化COI大大简化了图像的处理,加快了图像的处理。此外,数字分析应用于整个组织部分,而不是选定的视场,导致TME的无偏表示。此外,由于COI的组织坐标已经登记,因此可以生成组织热图。
此协议中有几个领域可能需要进行故障排除。首先,抗原检索不良会影响mIF的质量,因此抗原检索缓冲液的类型和持续时间应针对所使用的特定测定/生物标记条件进行优化。其次,使用的阻断溶液的类型应适应原发抗体和二级抗体的组织/抗原/种类。在我们手中,从组织来自阻塞的Fc受体的物种中加入10%的总血清,从而减少非特异性抗体结合。从培养的物种中加入10%的血清,将最大限度地减少继发抗体对组织部分的直接非特异性附着。第三,必须验证使用适当的正和负对照的初级和二级抗体的特异性。第四,某些通道的自荧光增加,在原抗体剥离时DAPI的扩散也很常见。为了解决增强的自荧光问题,我们使用的是特定信号的强度值至少是背景的5倍的初级/二次抗体对。最后,一些高亲和力抗体不能用常规剥离程序来洗脱。在这种情况下,我们建议在最后一轮的标签中使用此类抗体。用户可能必须尝试不同的染色序列,以找到感兴趣的抗体的最佳配置。在进行第二轮或第三轮贴标之前,应确认剥离效率。
这一策略的主要局限性和挑战是找到适合感兴趣的标记的初级和二次荧光抗体的正确组合。寻找不同物种或不同等值类型可同时使用的主要抗体受商业上可用物的限制。大多数滑扫描仪都配备了灯具和滤镜,允许成像最多五个通道,而正确的种类和右荧光的二次抗体并不总是可用的。我们使用串行染色和顺序标记部分克服了这些限制。可能需要测试几种抗体组合,以得出感兴趣的标记的最佳组合。另一个限制是 DAPI 染色的质量,因为剥离和重新探测可能并不总是允许执行核分割。
组织对齐模块需要最少的培训,无需用户编程技能。从理论上讲,该软件允许对无限数量的图像进行对齐。但是,精确对齐取决于各节的相关性,其中更紧密、组织学上一致的部分可以更准确地对齐。我们使用 VIS 的作者模块生成 AP。创建 ASP 需要图像分析的基本知识,但在使用任何其他图像分析软件时也是如此。与其他图像分析软件相比,VIS 的独特优势包括使用不同方法(例如 IF、组织化学、IHC)准备的部分图像自动对齐。这允许使用虚拟多路复用对多个感兴趣的标记进行共本地化研究。此外,ApP 的灵活且用户友好的设计允许用户特定的自定义。与通过目视检查进行手动计数相比,自动定量和映射以及处理整个组织部分的可能性可节省时间并减少偏差。
此策略是癌症和自身免疫背景下组织免疫学非常有用的研究工具,但临床使用仍未经过验证。通过额外的标准化和验证,它将来可用于多种应用(例如,绘制癌症的免疫环境图,以预测和监测对免疫治疗剂的反应)。它也可以适应不同的炎症条件(例如,炎症性肠病),将病理评估与预后生物标志物相结合。
该协议的主要关键步骤是标签的效率/特异性以及设计 AP 用于预期用途或生物标志物的鲁棒性。因此,通过目视检查进行定期验证至关重要,尤其是在设计新 APP 时。在同一部分上高效使用多轮剥离和重新探测或不同类型的污渍是关键成分,可以是组织或截面特定的。在进行大批量分析之前,验证此类流程的效率至关重要。
总之,我们提供一种策略,使从有价值的临床组织样本中获得的数量和空间信息最大化。实施这种方法所需的资源、设备和知识是可广泛获取的。我们建议使用这种方法作为规划旨在识别、量化和绘制 TME 中免疫细胞种群的检测的有用指南。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢研究参与者。我们感谢HBP生物库协调员路易丝·卢梭(LouiseRousseau)对组织样本和所有相关临床信息的恢复。我们感谢CRCHUM的分子病理学和细胞成像核心设施,以及维西奥普harm的迈克尔·佩尔施,以获得出色的技术援助。供资:这项研究得到了加拿大肝脏基金会、魁北克省艾滋病和传染病网络和加拿大丙型肝炎网络(加拿大艾滋病毒/C)的资助支持。CanHepC由加拿大卫生研究所(NHC-142832)和加拿大公共卫生局的一项联合倡议供资。M.F.M.从蒙特利尔大学、加布里埃尔·马奎斯大学和FRQS获得研究金。T.F. 获得CIHR和CanHepC的博士奖学金。S.T.在蒙特利尔大学肝胆和胰腺肿瘤外科担任罗杰-戴斯-格罗西尔斯讲座。
作者贡献:M.F.M.设计、执行实验和分析数据。T.F.设计了实验。A.C-B.提供技术指导。G.S.对研究对象进行了所有病理评估,并对所有病理方面提供了投入。L.M. 执行 H&E 染色、优化和进行图像采集。M.N.A. 执行 PSR 染色,并提供宝贵的技术投入。N.B. 对图像分析做出了贡献。S.T. 是 HBP 生物库的主要研究员,负责监督生物库的整体运行。他还就项目的各个方面及其临床影响提供了宝贵的投入。M.F.M,T.F.和N.H.S.构思和设计了这项研究。N.H.S.监督这项工作并获得了资金。M.F.M.,T.F.,A.C-B和N.H.S.写了手稿。所有作者审阅并批准了手稿。
Antigen Retrieval Solution: Sodium Citrate Buffer (10 mM Sodium Citrate, 0.05% v/v Tween 20, pH 6.0) | |||
Blocking Solution: 1 % BSA, 10 % filtered human serum, 10 % filtered donkey serum, 0.1 % Tween 20, and 0.3% Triton in PBS | |||
Bovine serum albumin (BSA) | Multicell | 800-095-EG | |
Coplin jars (EASYDIP SLIDE STAINING SYSTEM) | Newcomersupply | 5300KIT | |
Cover slides | Fisherbrand | 12-545E 22*50 | |
Direct Red 80 | Sigma Aldrich | 365548 | |
Donkey Serum | Sigma Aldrich | D9663 | |
Ethanol 100% | |||
Electric pressure cooker | Salton | ||
Eosin | Leica Biosystems | 3801600 | CAUTION, eye irritation |
Fast Green FCF | Sigma Aldrich | F7252 | CAUTION, harmful by inhalation, ingestion and skin absortion |
FFPE section (4μm) slides | |||
Glycine 0,1 M in PBS | |||
Hematoxylin Stain Solution, Gil 1. Formulation, Regular Strength | Ricca Chemical Company | 3535-32 | |
Holder (EasyDip Staining Jar Holder) | Newcomersupply | 5300RK | |
Human Serum | Gemini | 22210 | |
Humidity chamber | Millipore Sigma | Z670138-1EA | |
Pap pen | abcam | ab2601 | |
PBS | |||
PBS-Tween 20 (0.1% v/v) | |||
Permount Mounting Media | Fisher Chemical | SP15-500 | |
Picric Acid 1.3 % | Sigma Aldrich | P6744 | CAUTION, skin and eye irritation |
Picro-Sirius Red/Fast Green solution: Fast Green 0.1 % w/v + Sirius Red 0.2 % w/v in 1,3 % picric acid solution | |||
Primary Antibody Anti-αSMA | Mouse IgG2a 1A4 | Sigma A2547 | Dilution 1/100 |
Primary Antibody Anti-CD34 | Mouse IgG1 HPCA1/763 | Novus Biologicals NBP2-44568 | Dilution 1/250 |
Primary Antibody Anti-Cytokeratin 8/18 | Rabbit EP17/EP30 | Agilent IR09461-2 | Ready to use |
Primary Antibody Anti-CD68 | Mouse KP1 | Abcam ab955 | Dilution 1/200 |
Primary Antibody Anti-Desmin | Rabbit Polyclonal | Invitrogen PA5-16705 | Dilution 1/200 |
Primary Antibody Anti-CD4 | Mouse N1UG0 | Affymetrix 14-2444 | Dilution 1/250 |
Primary Antibody Anti-FoxP3 | Rabbit 1054C | R & D MAB8214 | Dilution 1/100 |
Primary Antibody Anti-MPO | Goat Polyclonal | R & D Systems AF3667 | Dilution 1/250 |
Primary Antibody Anti-CD3 | Rabbit SP7 | Abcam ab16669 | Dilution 1/200 |
Primary Antibody Anti-CD8 | Mouse C8/144B | Invitrogen 14-0085-80 | Dilution 1/200 |
Secondary Antibody Donkey anti-mouse A488 | Polyclonal | Invitrogen A-21202 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Donkey anti-Rabbit A488 | Polyclonal | Invitrogen A-21206 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Donkey anti-goat A568 | Polyclonal | Invitrogen A-11057 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Donkey anti-rabbit A647 | Polyclonal | Invitrogen A-31573 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Rat anti-mouse IgG1 A647 | RMG1-1 | Biolegend 406618 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Goat anti-mouse IgG2a CF568 | Polyclonal | Sigma Aldrich SAB4600315 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Donkey anti-mouse DyLight 755 | Polyclonal | Invitrogen SA5-10171 | Dilution 1/500 |
Secondary Antibody Donkey anti-rabbit DyLight 755 | Polyclonal | Invitrogen SA5-10043 | Dilution 1/500 |
SDS | BioShop | SDS001,500 | CAUTION, oral skin and eye toxicity |
Shandon multi-program robotic slide stainer | LabX | 11384903 | |
Shandon Xylene Substitute, | Thermo Fisher Scientific | CA89413-336 | CAUTION, Flammable, skin and eye irritation, Harmful when inhaled |
Shaking water bath | |||
SlowFade Gold antifade reagent with DAPI | Invitrogen | S36938 | |
Sodium Citrate Dihydrate | Millipore Sigma | 1545801 | CAUTION, eye irritation |
Stripping Buffer: mix 20 ml 10% w/v SDS with 12.5 ml 0.5 M Tris-HCl (pH 6.8), and 67.5 ml ultra-pure water. Under a fume hood, add 800 uL of 2-mercapto ethanol (114,4 mM final concentration) | |||
Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8787-50ML | |
Tris-HCl | BioShop | 77-86-1 | |
Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-500 | |
VIS Software | Visiopharm | ||
Whole slide scanner Olympus BX61VS | Olympus | Microscope: Olympus Slide Scanner BX61VS, 5 slides scanner, motorized stage, autofocus. Camera: Lightsource: Xcite-120. Filters: BrightLine® Sedat filter set (# LED-DA/FI/TR/Cy5-4X4M-B-000, Semrock) | |
Xylene | Sigma Aldrich | 214736-4L | CAUTION, Flammable, skin and eye irritation, Harmful when inhaled |
Xylene : Ethanol solution (1:1 v/v) | |||
2-mercaptoethanol | Sigma | M6250 | CAUTION, harmful by ingestion, inhalation, fatal if sking absortion. Eye irritation. Use fume hood |