荧光 原位 在个体化医疗中,为选择治疗方案,通常需要将组织病理学和分子诊断与荧光原位杂交(FISH)联合应用。本文介绍一种新型的非交联、无甲醛组织固定剂,通过在FISH前增加一步后固定处理,可实现对同一样本进行高质量的形态学、分子生物学及FISH分析。
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荧光 原位 在个体化医疗中,为选择治疗方案,通常需要将组织病理学和分子诊断与荧光原位杂交(FISH)联合应用。本文介绍一种新型的非交联、无甲醛组织固定剂,通过在FISH前增加一步后固定处理,可实现对同一样本进行高质量的形态学、分子生物学及FISH分析。
数十年来,由于福尔马林固定、石蜡包埋(FFPE)组织样本能够优异地保存组织形态,其形态学评估一直是癌症诊断的金标准。随着个性化医学的发展,通过结合形态学与分子分析技术及诊断手段,可为特定个体疾病提供量身定制的靶向治疗。然而,从同一FFPE样本中同时开展形态学和分子检测具有挑战性,原因是福尔马林会引起核酸和蛋白质的化学修饰与交联,从而产生不利影响。最近开发出一种非交联、无福尔马林的组织固定剂,旨在同时满足两方面需求:即在形态学保存上达到FFPE水平,在生物分子保存上达到冷冻保存水平。由于荧光原位杂交(FISH)常需与组织病理学及分子诊断联合应用,我们测试了现有FISH方案在采用这种新型固定剂处理的组织上的适用性。我们发现,在非交联、无福尔马林且石蜡包埋(NCFPE)的乳腺癌组织切片上进行福尔马林后固定处理后,其人表皮生长因子受体2(HER2)FISH分析结果与FFPE组织相当。本方案描述了如何通过对组织切片进行简单的后固定步骤,将原本为FFPE组织开发并验证的FISH检测方法应用于NCFPE组织。
个体化医疗日益依赖于结合组织形态学和分子分析的多参数检测。作为金标准的福尔马林固定能够提供优异的形态学质量1,2。然而,福尔马林引起的蛋白质和核酸的化学修饰及交联3,4,5会干扰分子分析6。这些分子修饰会降低核酸和蛋白质的质量,并可能导致基因序列假象7或基于聚合酶链式反应(PCR)检测的灵敏度下降8。尽管已投入大量努力优化针对福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织的分子检测,但总体而言,组织的冷冻保存仍优于福尔马林固定,因此常需将组织样本分样以进行不同的保存处理。为避免分子分析必须依赖冷冻保存,已开发出一种非交联、不含福尔马林的固定液PAXgene Tissue。该商业化系统由一种固定液和一种稳定液组成,其中含有多种醇类、乙酸以及一种可溶性有机化合物。多项研究已证实,该系统可有效保存核酸、(磷酸化)蛋白质及组织形态6,9,10,11,12,13。
在癌症诊断中,FISH 的一个特定应用是检测多种染色体改变,例如易位、亚显微缺失和扩增14。例如,20%的浸润性乳腺癌肿瘤表现出人表皮生长因子受体2(HER2)基因的扩增15,16,17,该现象与不良预后相关18,19。通过FISH检测乳腺癌中HER2的过表达和扩增状态,对于筛选适合接受抗HER2靶向治疗的患者至关重要,且该检测已被美国食品药品监督管理局(FDA)列为伴随诊断方法(http://www.fda.gov/MedicalDevices/ProductsandMedicalProcedures/InVitroDiagnostics/ucm301431.htm)17。为了在医疗实践中广泛开展基于FISH的伴随诊断,相关检测方法已针对福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织开发并获得批准。
在之前的一项研究中,我们发现NCFPE组织不能用于已批准用于FFPE组织的FISH检测。然而,对NCFPE组织经4%缓冲甲醛进行不同后固定时间处理的时间序列实验表明,NCFPE组织切片后固定时间达到18小时或更长时间时,可获得与FFPE组织相当的结果14。
本研究中,我们提供了一项详细方案,并展示了非交联、无甲醛组织固定以及同一原代组织样本在用于HER2 FISH和RNA质量分析的切片上,经24小时4%缓冲甲醛后固定的处理效果。

图1:荧光实验步骤示意图 原位 杂交(FISH)以及对福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)和非交联、无福尔马林固定的石蜡包埋(NCFPE)组织的RNA分析 请点击此处以查看此图的放大版本。
该研究已获得奥地利格拉茨医科大学伦理委员会批准(参考编号 20-066)。在患者签署书面知情同意书后,采集了两例手术切除的原发性浸润性乳腺癌组织样本。
1. 组织固定
注意:组织固定可使用标准缓冲福尔马林溶液(SBFS),即根据 CEN/TS 16827-1:2015 定义的含有 3.7% 质量分数(相当于 4% 体积分数)甲醛、缓冲至 pH 6.8 至 pH 7.2 的 10% 福尔马林溶液,或使用非交联、无福尔马林的组织固定系统(下文亦称为替代固定溶液),后者在室温(RT)下由固定剂和稳定剂溶液组成。
2. 组织处理与包埋
3. FISH 实验的组织切片与玻片制备
注意:FFPE 切片可直接用于 FISH,而 NCFPE 切片则需在 SBFS 中后固定 24 小时后再进行 FISH 操作。
4. NCFPE 标本的后固定
5. 荧光 原位 杂交(FISH)
注意:此处荧光原位杂交(FISH)采用市售的HER2/CEN17双色探针试剂盒,按照制造商提供的说明书进行操作。在杂交和洗涤步骤中,切勿让组织切片干燥。探针溶液及4',6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI)DNA复染溶液应避免长时间暴露于光照下,所有操作均需在避光条件下使用避光容器进行。根据样本材料的保存时间和固定步骤,可适当调整变性和洗涤温度,以获得更佳的杂交结果。
6. FISH 切片的共聚焦成像与扫描
7. 结果解读
注意:HER2/CEN17 探针由两种成分组成,一种是红色荧光标记的 CEN17 探针,特异性结合于 17 号染色体(D17Z1)着丝粒区的 α 卫星重复序列;另一种是绿色荧光标记的 HER2 探针,特异性结合于 HER2 基因(探针定位 17q12)。每个细胞核中 HER2:CEN17 比值 ≤2.0 的肿瘤标本判读为正常,而比值 ≥2.0 的则判读为扩增17。
8. RNA 质量
FISH HER2 检测:
FFPE 和 NCFPE 样本中的 HER2-FISH 信号强度相似(图 2)。在大多数细胞中,两种样本均显示出绿色信号明显多于红色信号(绿色信号代表扩增的 HER2 基因位点,红色信号为 CEN17 参考基因)。因此,该病例显示 HER2 基因扩增,提示该患者可能对曲妥珠单抗(一种抗 HER2 靶向治疗药物)有治疗反应。FFPE 样本作为阳性对照。在非肿瘤细胞中(包括 FFPE 和 NCFPE 样本)观察到的信号可作为 HER2 基因扩增的内部参考和阴性对照。每次分析系列中,至少应使用一个已知基因扩增状态的切片作为杂交反应的阳性对照。
RNA 质量:
通过实时逆转录PCR检测两个不同病例的相应FFPE和NCFPE样本,显示出RNA质量的差异。实验结果表明,GAPDH mRNA在不同扩增子长度(即71 bp、153 bp、200 bp、275 bp、323 bp)下的扩增效率存在差异。所有来自FFPE样本的Ct(循环阈值)均高于NCFPE样本。该差异表明从FFPE组织中提取的mRNA的PCR扩增能力较低,提示其发生了更显著的化学修饰。此外,长扩增子的Ct值高于短扩增子,表明mRNA存在片段化现象。相比之下,不同扩增子长度的Ct值变化斜率显示,FFPE组织中的mRNA片段化程度明显高于NCFPE组织(图3)。

图2:对应福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)和非交联、无福尔马林固定石蜡包埋(NCFPE)组织切片的HER2 FISH代表性结果。 显示来自相同组织的FFPE(A)和NCFPE(B)对应的样本。与正常间期细胞(C)中预期出现两个绿色信号(HER2)和两个红色信号(CEN17)不同,HER2基因位点扩增的细胞表现为多个绿色信号拷贝(HER2)(D)。HER2扩增状态在FFPE和经后固定的NCFPE切片(A,B)中一致。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:用于 RNA 质量控制的实时反转录 PCR 检测结果。 Y 轴:显示 X 轴上不同扩增子长度(71 bp、153 bp、200 bp、275 bp、323 bp)对应的 GAPDH 基因的 Ct(循环阈值)值。mRNA 来自两个不同乳腺癌组织样本的 FFPE 和 NCFPE,样本并行处理,提取后反转录为 cDNA 进行 PCR 扩增。请点击此处查看该图的放大版本。
结果表明有两个关键发现。首先,对NCFPE组织切片进行简单的24小时SBFS后固定步骤,足以在使用经批准用于FFPE组织的FISH检测时获得与FFPE组织相当的结果(另见参考文献14)。该方案的优势在于可直接使用最初为FFPE组织开发并获批的FISH检测,而无需进行全面的重新验证(例如,无需针对非交联组织优化杂交前条件)。FISH实验方案可完全按照制造商提供的说明书进行操作。
本方案中对制造商说明书中所述步骤的微小修改(例如组织切片直径以及脱蜡步骤中的孵育时间),源于此前的适应性调整,制造商明确建议根据所用不同组织类型和固定方法进行此类调整。
后固定步骤至关重要,因为它需要18-24小时的化学反应时间,虽然会使分析时间延长一天,但能够与常规FFPE组织所采用的每日工作流程保持一致(图1)。据报道,SBFS穿透组织的平均速率为每小时1毫米22,在2小时内可穿透5毫米,具体速度取决于组织类型23,24。观察发现,只有当后固定时间超过18小时,才能使NCFPE切片的性质转变为类似FFPE切片,这表明决定结果的关键因素并非固定剂的渗透,而是足够的化学反应时间1,14。
其次,未用于后固定的剩余NCFPE组织可用于进一步的分子分析,因为生物分子得到了良好保存。这一点已通过实时逆转录PCR得到证实(图3)。与电泳图谱-derived RIN值(RNA完整性数值)相比,该检测方法在评估石蜡包埋组织中提取的mRNA的RNA质量(即化学修饰和片段化)方面具有更高的敏感性和特异性8。本研究的质量控制仅限于实时PCR,因为已有独立研究组表明,除RNA外,从NCFPE组织中提取的DNA和蛋白质质量也优于FFPE组织8,9,13。
本方案遵循适用于预分析流程的CEN技术规范要求(如SBFS配方、固定条件、RNA质量控制、验证等) 体外 体外诊断(IVD),这些标准最近由欧洲标准化委员会(CEN)发布(例如,CEN/TS 16827-1:2015,用于从FFPE组织中分离RNA,该标准引用了ISO 15189标准)。
该方法仅限于这种特定的固定剂。尽管已有多个研究证明,使用非交联、无甲醛固定剂能够良好地保存生物分子和形态结构,但其主要仍用于研究领域,尚未应用于常规医学实践。其中一个原因是,若以其他固定剂替代金标准SBFS固定法,则需要进行多种验证性研究,因为并非所有针对FFPE材料优化的实验方案都适用于非交联固定剂处理的样本。本FISH实验方案未测试其他组织固定方法。
本文所述的简单固定后步骤具有优势,可对福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)和非固定冷冻包埋(NCFPE)组织使用经IVD批准的检测方法。
D.G. 任职于 Qiagen,并持有该公司养老金计划中的股票期权或债券。本论文中呈现的数据涉及 PAXgene 组织系统,该系统由 Qiagen 与 PreAnalytiX 联合开发。Qiagen 是 publicly funded Christian Doppler 实验室(生物样本研究与生物库技术领域)的产业合作伙伴。所有作者均无利益冲突,亦无竞争性经济利益。
我们感谢格拉茨医科大学病理学研究所分子病理学实验室团队的专业知识和支持。此外,我们感谢Iris Kufferath和Daniela Pabst提供的技术协助,感谢Bernadette Rieger和Sylvia Eidenhammer对HER2病例的处理,以及感谢Kinga Szurian(病理学家)和Tamas Regényi(3DHISTEC)。我们感谢Penelope Kungl对稿件的校对。本研究得到了Christian Doppler研究基金、奥地利联邦科学、研究与经济部以及国家研究、技术和发展基金会的经费支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| SAV LP GmbH,德国弗林茨巴赫 | www.sav-lp.de | FN-200L-4-1 | 组织固定剂 |
| Simport Plastic Ltd.,加拿大贝洛瓦 | www.simport.com | M-498 | 用于组织样本的标记、固定和石蜡包埋的保存装置。 |
| Qiagen GmbH,德国希尔登 | www.qiagen.com | 765112 | 用于组织样本的采集、固定和稳定:包含10个预填充试剂容器,内含PAXgene组织固定液(PAXgene Tissue FIX)和PAXgene组织稳定剂(PAXgene Tissue STABILIZER)。 |
| ThermoFisher Scientific | www.thermofisher.com | 813150 | 生物样本处理设备,从化学固定到石蜡浸润 |
| Merck Millipore,德国慕尼黑 | www.analytics-shop.com/de/hersteller/millipore.html | MC1009834000 | 组织样本脱水 |
| VWR Chemicals,德国达姆施塔特 | https://at.vwr.com | 10293EP | 组织样本脱水 |
| ACM Herba Chemosan Apotheker AG,奥地利维也纳 | www.herba-chemosan.at | 2549662 32 | 组织处理设备中使用的石蜡 |
| Leica Mikrosysteme Handels GmbH,奥地利维也纳 | www.LeicaBiosystems.com | 39602004 | 石蜡包埋介质 |
| Sanova Diagnostik,奥地利维也纳 | www.sanova.at | 5229 | 用于组织学研究的组织石蜡包埋仪器 |
| Histocom Medizintechnik Vertriebs GmbH,奥地利维也纳新多夫 | www.histocom.info | M 910010 | 该设备用于生物学和医学中特别复杂的石蜡切片技术。仅限熟练或经过专门培训的人员操作切片机,包括样本夹持、修块、切片以及从仪器上取下切片等操作。 |
| Dako Denmark A/S,丹麦格洛斯特鲁普 | www.chem.agilent.com | K802021-2 | 涂层载玻片,用于贴附福尔马林固定、石蜡包埋的组织切片。 |
| Qiagen GmbH,德国希尔登 | www.qiagen.com | 73504 | 用于从福尔马林固定、石蜡包埋的组织切片中纯化总RNA |
| Qiagen GmbH,德国希尔登 | www.qiagen.com | 765134 | 用于从PAXgene固定、石蜡包埋的组织切片中纯化总RNA |
| ZytoVision GmbH,德国布莱梅港 | www.zytovision.com | Z-2015-200 | 用于检测实体恶性肿瘤(如乳腺癌样本)中常见的ERBB2(又称HER2)基因扩增。 |
| 3DHISTEC,匈牙利布达佩斯 | www.3dhistech.com | 用于扫描组织切片的数字设备,配备40x/1.2 NA物镜、四通道滤光片(DAPI/FITC/TRITC/Cy5)以及550万像素、16位、冷却型科学CMOS(互补金属氧化物半导体)相机。 | |
| ThermoFisher Scientific | www.thermofisher.com | 4368814 | 高容量cDNA反转录试剂盒,包含将最多2 µg总RNA在单个20 µL反应体系中定量转化为单链cDNA所需的所有组分。 |
| ThermoFisher Scientific | www.thermofisher.com | 4367659 | PCR主混合液,包含用于PCR扩增及扩增子定量的聚合酶、核苷酸和SYBR Green染料。 |
| ThermoFisher Scientific,美国特拉华州威尔明顿 | www.thermofisher.com | 序列号 F239 | 用于核酸定量的分光光度计。 |
| QuantStudio 7 Flex 实时荧光定量PCR系统 | www.thermofisher.com | 4485701 | PCR仪 |
| Vysis/Abbott Laboratories,美国伊利诺伊州艾博特公园 | www.molecular.abbott/us/en/products/instrumentation/thermobrite#order | 例如(ThermoBrite)07J91-020 | 温度可控的玻片处理系统,用于原位变性/杂交实验。 |
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