ניתוח תמונת ברקוד מרובה שיפר לאחרונה את אפיון המיקרו-סביבה של הגידול, ומאפשר מחקרים מקיפים של הרכב התא, המצב התפקודי והאינטראקציות בין התא לתא. במאמר זה אנו מתארים פרוטוקול צביעה והדמיה באמצעות ברקוד של נוגדנים מצומדים אוליגונוקלאוטידים והדמיית מחזור, המאפשרת שימוש בטכניקת ניתוח תמונה בממד גבוה.
טכנולוגיית הדמיה מרובת משתתפים באמצעות ברקוד נוגדנים עם אוליגונוקלאוטידים, המזהה ברצף אפיטופים מרובים באותו חתך רקמה, היא מתודולוגיה יעילה להערכת הגידול המשפרת את הבנת המיקרו-סביבה של הגידול. ההדמיה של ביטוי חלבונים ברקמות קבועות פורמלין, משובצות פרפין מושגת כאשר פלואורופור מסוים מחושל לברקוד הקשור לנוגדנים באמצעות אוליגונוקלאוטידים משלימים ולאחר מכן מבוצעת הדמיית דגימה; ואכן, שיטה זו מאפשרת שימוש בפאנלים הניתנים להתאמה אישית של יותר מ -40 נוגדנים בתגובת צביעה רקמה אחת. שיטה זו תואמת לרקמות קפואות טריות, רקמה קבועה פורמלין, משובצת פרפין, תאים בתרבית ותאי דם מונוגרעיניים היקפיים, כלומר חוקרים יכולים להשתמש בטכנולוגיה זו כדי להציג מגוון סוגי דגימות ברזולוציה של תא יחיד. שיטה זו מתחילה בפרוטוקול צביעה ותיקון ידני, וכל ברקודי הנוגדנים מיושמים באמצעות קוקטייל נוגדנים. מכשיר הפלואורופולוגיה המכתימה הוא אוטומטי לחלוטין ומבצע מחזורים איטרטיביים של תיוג, הדמיה והסרה של פלואורופורים מובחנים ספקטרלית עד שכל הסמנים הביולוגיים צולמו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי סטנדרטי. לאחר מכן התמונות נאספות ומורכבות על פני כל מחזורי ההדמיה כדי להשיג רזולוציה של תא בודד עבור כל הסמנים. הצביעה בצעד אחד והסרת פלואורופור עדינה לא רק מאפשרים ניתוח סמנים ביולוגיים מרובים מאוד, אלא גם משמרים את הדגימה לניתוח נוסף במורד הזרם במידת הצורך (למשל, המטוקסילין וצביעת אאוזין). יתר על כן, תוכנת ניתוח התמונה מאפשרת עיבוד תמונה – פיצוי סחף, חיסור רקע, פילוח תאים ואשכולות – כמו גם ויזואליזציה וניתוח של התמונות ופנוטיפים התא ליצירת מפות רשת מרחבית. לסיכום, טכנולוגיה זו משתמשת במערכת מיקרופלואידיקה ממוחשבת ומיקרוסקופ פלואורסצנטי כדי לבצע הכלאה איטרטיבית, תמונה והסרה של בדיקות DNA המסומנות באופן פלואורסצנטי המשלימות נוגדנים מצומדים אוליגונוקלאוטידים הקשורים לרקמות.
המיקרו-סביבה של הגידול (TME) היא הטרוגנית ביותר, ומורכבת מתאי גידול, תאי סטרומה סרטניים, תאים חיסוניים, רכיבים לא-תאיים של המטריצה החוץ תאית, ומולקולות רבות המיוצרות ומשוחררות על ידי תאי גידול, סטרומה ומערכת החיסון 1,2. ראיות מצטברות מראות כי ל- TME יש תפקיד מרכזי בתכנות מחדש של התמיינות גידולים, גדילה, פלישה, גרורות ותגובה לטיפולים3.
הבנת האופן שבו סוגי תאים שונים ב-TME מתקשרים ומתקשרים זה עם זה באמצעות רשתות איתות חיונית לשיפור אבחון סרטן, אופטימיזציה של אימונותרפיה ופיתוח טיפולים חדשים4. טכניקות מסורתיות של מיקרוסקופ רקמות, כולל אימונוהיסטוכימיה (IHC) ואימונופלואורסנציה (IF), שימשו במשך עשרות שנים לחקר סוגי התאים, השפע והתקשורת בדגימות גידול. למרבה הצער, טכניקות אלה בדרך כלל יכולות להעריך רק סמן חלבון אחד או שניים במקטע רקמה ואינן יכולות לחשוף את היחסים המרחביים והמבניים המורכבים בין תאים אלה 5,8,7.
במהלך שני העשורים האחרונים הוקמו מספר טכנולוגיות הדמיה מרובות8. טכנולוגיות אלה מספקות תצוגות משופרות בהרבה של הרכב, תפקוד ומיקום של תאי מערכת החיסון בתוך ה-TME, מה שמוביל להתקדמות מהירה ביכולת לזהות וליצור פרופיל מרחבי של TMEs מורכבים ברמת התא הבודד 9,10. היחסים המרחביים והמבניים של תאים סרטניים וחיסוניים שונים ב-TME נמצאים כיום בחזית המחקרים הביולוגיים והקליניים המשתמשים בטכנולוגיות הדמיה מרובות אלה11,12.
טכנולוגיית ההדמיה המרובבת שפותחה לאחרונה באמצעות ברקוד נוגדנים מצומדים אוליגונוקלאוטידים היא פלטפורמת מחקר ביולוגית משפיעה של תא בודד המבוססת על זיהוי נוגדנים מצומדים אוליגונוקלאוטידים בדגימות13,14 מקובעות פורמלין, משובצות פרפין (FFPE). כיום, טכנולוגיית הדמיה מרובת משתתפים זו מאפשרת הדמיה בו זמנית של יותר מ -100 סמנים בקטע רקמה אחד15, אשר הגדיל את מספר סוגי התאים הניתנים להבחנה באתרם. זה מאפשר רמה של ניתוח מרחבי של תאי הגידול ומערכת החיסון שאינה אפשרית באמצעות גישות אימונופנוטיפ מסורתיות16.
במאמר זה אנו מתארים פרוטוקול אופטימלי להצמדת נוגדנים מטוהרים לאוליגונוקלאוטידים ואימות צימוד זה באמצעות פלטפורמת הדמיה מרובת משתתפים והליך הדמיה רב-מחזורי עם רקמת FFPE. בנוסף, אנו מתארים את תהליכי עיבוד התמונה וניתוח הנתונים הבסיסיים המשמשים בטכנולוגיה זו.
ה-TME ממלא תפקיד חיוני בהתפתחות, התקדמות ותגובות לטיפול בסרטן. בנוסף, הצפיפות של תת-קבוצות לימפוציטים ספציפיות החודרות לגידול ב-TME יכולה לשמש כסמן ביולוגי פרוגנוסטי לסוגים מסוימים של סרטן. למרבה הפלא, בנוסף להרכב התאי של TME, המאפיינים המרחביים של הגידול יכולים לספק מתווה להבנת הביולוגיה של הגידול ולזיהוי סמנים ביולוגיים פרוגנוסטיים פוטנציאליים12,17.
מכיוון שאוכלוסיות רבות של תאי חיסון מעורבות בתגובות פרו-סרטניות או אנטי-סרטניות, הבנה טובה יותר של תאים אלה והיחסים המרחביים שלהם זה עם זה ועם תאים סרטניים תסייע להנחות את הזיהוי של אסטרטגיות אימונותרפיות חדשות. מחקרים קודמים ריבדו את המיקום והפיזור המרחבי של תאי TME בהתבסס על מבנה הרקמה באזורים התוך-גידוליים והפריטומורליים והשוליים הפולשים של תאי הגידול18,19. במהלך 15 השנים האחרונות, ההתקדמות הטכנולוגית הפכה את הניתוח הפנוטיפי של תאים בודדים בהתבסס על הפיזור המרחבי שלהם לכלי חדשני ומשפיע לחקר TME ולסיווג סמנים ביולוגיים פוטנציאליים לאימונותרפיה של גידולים. היסטוכימיה מולטיפלקס IF יכולה להעריך בו זמנית סמנים ביולוגיים מרובים20.
בדומה לאסטרטגיית נוגדנים מצומדים אוליגונוקלאוטידים, ארבעה סוגים של פלטפורמות מולטיפלקס מבוססות חלבון משמשים לחקר TME: כרומוגן, פלואורסצנטיות, ברקוד DNA ומערכות זיהוי נוגדנים עם תווית איזוטופ מתכת. פלטפורמות IHC כרומוגניות חסכוניות מאפשרות הדמיה של שקופיות שלמות והערכה פתולוגית באמצעות מיקרוסקופ שדה בהיר קונבנציונלי. ב multiplexed IF ו IHC, נוגדנים מצומדים עם fluorophores משמשים. פלטפורמת IF/IHC המולטיפלקס מזהה נוגדנים בעלי ספציפיות גבוהה ויכולה לכמת נוגדנים ממוקדים גם ברמה התת-תאית 6,21. בנוסף, בשל אופיים של כרומוגנים ופלואורופורים, השימוש בלוח נוגדנים אחד יכול ללכוד את הביטוי של עד 10 סמנים ביולוגיים בשקופית אחת. על פלטפורמות מבוססות איזוטופים מתכתיים, נוגדנים מתויגים מתכתיים משמשים לביצוע הדמיה מרובת תאים ברזולוציה חד-תאית ומרחבית, ורגישות גבוהה עבור קטעי רקמה בודדים22. תיאורטית, גישות נוגדנים מצומדות מתכתיות אלה מאפשרות זיהוי סימולטני של יותר מ-100 סמנים ביולוגיים על מקטע רקמה יחיד. אחד האתגרים של טכניקת סימון האיזוטופים הוא התאבכות איזוברית, המונעת הגעה ל-100% טוהר העשרה23. יתר על כן, ההפרעה גדלה ככל שמספר הסמנים גדל. פלטפורמות זיהוי נוגדנים מצומדות DNA מזהות נוגדנים המסומנים בברקודים ייחודיים של DNA. יותר מ -40 סמנים ביולוגיים ניתן ללכוד בו זמנית עם ספציפיות גבוהה על פלטפורמות אלה6.
Multiplexed imaging היא פלטפורמה מסחרית לזיהוי נוגדנים עם תווית ברקוד DNA ליישום נוגדנים מצומדים לדנ”א על שקופית רקמה אחת בשלב אחד (איור 8). עבור שלב הכנת הרקמה, בניגוד לפלטפורמת ההדמיה של קרן יונים מרובבת, הדורשת שימוש בשקופיות מצופות זהב המתקבלות מהיצרנים, פלטפורמת ההדמיה המרובבת דורשת רק כיסויים רגילים או שקופיות מצופות ב-0.1% פולי-L-ליזין כדי לסייע לרקמה להיצמד אליה ולשמור על שלמות הרקמה בתהליך הצביעה וההדמיה. מומלץ להשתמש במקטעי רקמה על כיסויים תוך 4 שבועות לאחר החתך, שכן אחסון ממושך של שקופיות לא מוכתמות מביא להפחתת אנטיגניות. ניתן לשמור דגימת כיסוי מוכתמת במאגר אחסון בטמפרטורה של 4°C למשך עד שבועיים מבלי לאבד את אות הצביעה שלה. אין צורך בציוד מיוחד לאחסון דגימות הכיסוי. מערכת ההדמיה המרובבת שודרגה לשימוש בשקופיות רגילות במקום החלקות כיסוי, מה שמאפשר צביעה של רקמות גדולות יותר וטיפול קל. בעת שימוש בתמיסת הפחתה להצמדת נוגדנים (שלב 3.2.3), התגובה צריכה להיות מוגבלת ללא יותר מ -30 דקות כדי למנוע נזק לנוגדנים. יש להכין מחדש את מאגרי החסימה בשלב 5.6.6, ואין לעשות שימוש חוזר במאגרי החסימה.
בהשוואה לפלטפורמות זיהוי נוגדנים מרובים עם תווית כרומוגן, פלואורסצנטיות ומתכות, לטכנולוגיית ההדמיה המרובבת יש יתרונות מסוימים. לדוגמה, יותר מ -60 לוחות נוגדנים מתוכננים מראש עבור הדמיה מרובת זמינים באופן מסחרי, מה שעוזר לחסוך זמן ועלויות בהצמדת נוגדנים ותיקוף, ומספר לוחות נוגדנים שתוכננו מראש גדל. נוגדנים אלה, הכוללים את סמן הקרצינומה pan-cytokeratin, סמן המלנומה SOX10, סמן כלי הדם CD31, סמן סטרומה SMA, וסמנים רבים של תאי החיסון, מאומתים ומוכנים לניסוי. עבור נוגדנים שאינם מתוכננים מראש, ערכת הצמידות הזמינה מסחרית המיועדת לשימוש עם הדמיה מרובבת היא פשוטה וידידותית למשתמש. נוגדנים מצומדים על ידי הלקוח טובים למשך שנה אחת כאשר מאוחסנים ב 4 ° C. בנוסף, חימום המכונה אינו נדרש ללכידת התמונות. בטכנולוגיית הדמיה מרובת משתתפים זו, שלבי השטיפה, ההכלאה וההפשטה האיטרטיביים ברכישת התמונה גורמים רק לעתים רחוקות לירידה בעוצמת הסמן או למורפולוגיה ירודה של הרקמה 5,24,25. יתר על כן, תמונות מרוכבות נלכדות בפורמט QPTIFF עם מיקרוסקופ פלואורסצנטי פשוט בן שלושה צבעים וניתן להעלות ולנתח אותן באמצעות תוכנת ניתוח דיגיטלית של צד שלישי. ניתן להמחיש את סמני הצביעה ברזולוציה של תא בודד, וניתן לאפיין פנוטיפים של תאים באמצעות לוקליזציה משותפת של הסמנים (איור 6 ואיור 7). הניתוח המקיף של תמונה מרובת תאים חושף עוד יותר את תאי הרקמה, את כימות הסמן החד-תאי ואת נתוני השכן הקרוב ביותר ונתוני הקרבה (איור 8).
אתגר בניתוח תמונות מרובות הוא זיהוי סוג התא. בדרך כלל, כאשר מוחלים יותר מסווגים של אובייקט יחיד על תמונה, יופיעו ביאורים לפנוטיפים נדירים יותר. לכן, מומלץ להשתמש בסמנים ידועים שאינם מבוטאים יחד באותו מסווג ולהחיל רק את המסווג הקשור לפנוטיפ על ביאור של תאים בודדים. שינויים בביאור מסוג התא יביאו לתוצאות מרחביות שונות באופן משמעותי, כגון הבדלים בהתפלגות המרחבית של התא ובניתוח שכונות תאים26,27.
ניתוח תמונות מרובבות הוכיח את עצמו כמוצלח בצביעה והדמיה של סוגי דגימות רבים, כולל רקמת FFPE, רקמה קפואה טרייה, שקופיות שלמות מאוחסנות בארכיון ומיקרו-מערכי רקמות. ניתן להשיג תמונות מרובות של מקטעי שד, מוח, ריאות, טחול, כליות, בלוטות לימפה ורקמות עורעם נתוני פנוטיפ מרחבי עמוק של תא יחיד 5,16,25,28.
בעתיד, נוגדנים מתוכננים מראש יותר עבור הדמיה multiplexed צפויים. בנוסף, פיתוח תוכנה ספציפית לניתוח תמונות מרובות נחוץ מאוד. נכון לעכשיו, תוכנות רבות הזמינות מסחרית וקוד פתוח לניתוח תמונות Hi-Plex קיימות29, אך מדענים עדיין זקוקים לעזרה ביצירת זרימת עבודה סטנדרטית עבור ניתוחים אלה30,31. למרות שהתמונות המורכבות שצולמו באמצעות פרוטוקול זה תואמות לתוכנת צד שלישי, הדבר עלול לגרום לעלויות נוספות עבור המשתמש. חסרון נוסף של טכנולוגיית ההדמיה המרובבת הוא הפחתת האות בזיהוי חלבון גרעיני לאחר שטיפה איטרטיבית, הכלאה והפשטה עם פאנלים גדולים של נוגדנים. למרבה המזל, ניתן למזער זאת על ידי שליפת הפלואורופורים המקודדים במחזורים מוקדמים בעת תכנון לוחות הכתב. לאחרונה, פלטפורמה זו שודרגה עם מערכת סריקה חדשה במהירות גבוהה, אשר צמצם באופן דרמטי את הזמן כדי לקבל תמונות מרוכבות32. בנוסף, דווח על אסטרטגיה חדשה המשתמשת בברקודים מצומדים של טירמיד כדי לשפר את ההדמיה מבוססת ברקוד נוגדנים מצומדים אוליגונוקלאוטידים. טכנולוגיה זו נועדה להגביר אותות צביעה שקשה להשיג עבורם נוגדנים מצומדים בברקוד33.
The authors have nothing to disclose.
המחברים מודים לדונלד ר. נורווד משירותי עריכה, הספרייה הרפואית למחקר ב- MD Anderson על עריכת מאמר זה ולמעבדת IF וניתוח תמונות במחלקה לפתולוגיה מולקולרית תרגומית ב- MD Anderson. פרויקט זה נתמך בחלקו על ידי המעבדה לפתולוגיה מולקולרית-אימונופרופילינג תרגומית (TMP-IL) Moonshots Platform במחלקה לפתולוגיה מולקולרית תרגומית, מרכז הסרטן MD Anderson באוניברסיטת טקסס והסכם שיתוף הפעולה של NCI U24CA224285 (למרכז הסרטן MD Anderson CIMAC).
10x AR9 Buffer | Akoya Biosciences | AR900250ML | |
10x Buffer | Akoya Biosciences | 7000001 | |
16% paraformaldehyde | Thermo Fisher Scientific | 28906 | |
1X Antibody Diluent/Block | Akoya Biosciences | ARD1001EA | |
Antibody Conjugation Kit | Akoya Biosciences | 7000009 | Contains Filter Blocking Solution, Antibody Reduction Solution 1, Antibody Reduction Solution 2, Conjugation Solution, Purification Solution, Antibody Storage Solution |
Assay Reagent | Akoya Biosciences | 7000002 | |
Diethyl pyrocarbonate | Sigma-Aldrich | 40718-25ML | |
Dimethyl sulfoxide | Avantor/VWR | BDH1115-4LP | |
Ethanol, 200 proof | |||
G Blocker V2 | Akoya Biosciences | 240199 | |
Histoclear | Thermo Fisher Scientific | 50-329-50 | |
Methanol | Sigma-Aldrich | 34860-1L-R | |
Milli-Q Integral 10 | Millipore | ZRXQ010WW | |
Niknon Fluorescence microscope | Keyence Corp. of America | BZ-X810 | |
Nuclear Stain | Akoya Biosciences | 7000003 | |
Nuclease-free water | Thermo Fisher Scientific | AM9938 | |
NuPAGE | Thermo Fisher Scientific | NP0008 | |
PBS | Thermo Fisher Scientific | 14190136 | |
PhenoCycler Barcodes/Reporters Combination | Akoya Biosciences | 5450004 (BX025/RX025) | |
5450003 (BX022/RX022) | |||
5450023 (BX002/RX002) | |||
5250002 (BX020/RX020) | |||
2520003 (BX023/RX023) | |||
5250005 (BX029/RX029) | |||
5250007 (BX035/RX035) | |||
5250012 (BX052/RX052) | |||
5550012 (BX030/RX030) | |||
5550015 (BX042/RX042) | |||
5550014 (BX036/RX036) | |||
QuPath | Open-Source | https://qupath.github.io/ | |
SimplyBlue SafeStain | Thermo Fisher Scientific | LC6065 | |
Staining Kit | (Akoya Biosciences | 7000008 | Contains Hydration Buffer, N Blocker, J Blocker, S Blocker, Fixative Reagent, Storage Buffer |