本方案概述了使用不同深度的福尔马林固定石蜡包埋供体组织块,通过胶带法手动构建组织微阵列的方法。
本方案概述了使用不同深度的福尔马林固定石蜡包埋供体组织块,通过胶带法手动构建组织微阵列的方法。
组织芯片(TMA)是一种重要的研究工具,可将多个福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)样本整合到一个单一的石蜡块中。该技术通过从不同供体FFPE块中感兴趣区域提取组织芯,并将其排列至单一TMA石蜡块中实现。构建完成后,可对完成的TMA切片进行免疫组织化学、显色及荧光检测 原位 杂交(FISH)和RNA原位杂交(ISH)研究,以同时评估多个样本中的蛋白质表达以及基因组和转录水平的改变,从而最大限度地减少组织使用量并降低试剂成本。目前存在多种不同的组织芯片(TMA)构建技术。其中最常用的方法之一是受体法,该方法最适合使用相同长度的组织芯,建议组织芯最小长度为4 mm。然而,在诊断过程中,组织块常被大量切取,导致供体组织块厚度 frequently 小于4 mm,达不到“理想”厚度。本文及配套视频重点介绍双面胶带法;这是一种替代性的手动方法,具有成本低、操作简便、快速等优点,适用于构建低密度(<50 芯片)组织微阵列(TMA),该方法与这些非理想供体蜡块高度兼容。本实验方案逐步介绍了如何采用此方法构建 TMA,并重点强调病理学评估及构建后验证的关键重要性。
福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织广泛用于形态学和免疫组织化学蛋白质表达研究1。然而,发现性研究通常需要在大量组织上检测多个标志物,这可能会耗尽珍贵的组织样本。组织微阵列(TMA)于20世纪80年代被引入,是一种重要的研究工具,可将来自许多不同FFPE组织块的小块代表性感兴趣区域整合到一个单一的石蜡块中,从而实现对多个组织样本的同步分析2。因此,TMA能够在减少对下游实验中大量单独样本操作相关成本的同时,避免过度使用极为珍贵且常为稀有的组织样本3,4。
存在多种不同的组织芯片(TMA)构建技术5,包括自动化和半手动方法6,7。大多数此类半手动方法采用受体法,即将供体蜡块中 punched 出的组织芯插入预制模具中。然而,建议该方法应使用厚度至少为 4 mm 的"理想"供体蜡块6,7。遗憾的是,供体蜡块——尤其是那些在用于研究前已为临床诊断目的被大量切片的蜡块——通常厚度不足 4 mm,若无法或不希望重新包埋以达到 4 mm 深度,则这些蜡块将无法适用于受体法构建 TMA。此外,这些操作通常需要使用台式手动组织芯片仪或价格昂贵的自动化仪器,而这些设备对普通研究实验室而言往往难以获得或负担不起。相比之下,双面粘附胶带法(即胶带法)是一种适用于非理想供体蜡块的手动 TMA 构建方法,仅需使用价格低廉、广泛可得、可重复使用或一次性手持式组织芯片仪即可完成8,9,10。该方法通过将直立的组织芯倒置后围绕其浇铸蜡块,使最终完成的组织芯顶部与 TMA 表面齐平,而无需考虑组织芯长度。因此,在首次切片时,所有样本均已存在于 TMA 切片中,使操作者能够从一开始就充分利用这些非理想蜡块。因此,胶带法为非专业化的研究实验室提供了一种经济、可行的替代方案。
组织微阵列(TMA)构建并非没有挑战,在选择用于提取组织芯的组织区域时必须格外谨慎,因此病理学评估是TMA构建过程中至关重要的环节11,12。因此,本方案旨在强调病理学评估在TMA构建中的重要意义,重点介绍在构建和使用TMA过程中可能遇到的一些病理学误区,并阐明为何在整个TMA蜡块的使用周期中都应持续进行病理学审查。
本方案概述了艾滋病与癌症标本资源中心(AIDS and Cancer Specimen Resource, ACSR)技术核心实验室采用胶带法,利用非理想供体蜡块构建组织微阵列(TMA)的操作步骤;ACSR 是由美国国立卫生研究院(NIH)资助的生物样本库,致力于收集并公平分发来自 HIV 相关癌症组织的生物标本,以推动 HIV 恶性肿瘤的研究。
所有供体组织块在采集过程中均已去标识化,并根据梅奥诊所机构审查委员会批准的方案(PR16-000507 和 PR2207-02)用于组织芯片构建。
1. 病理学回顾
2. 组织芯片构建的准备工作
3. 核心定位
4. 完成组织芯片(TMA)的制备
5. 验证组织芯片
本文所述的TMA构建胶带法是ACSR技术核心实验室采用的首选方法,该方法可节约组织样本,进而实现对极为珍贵的组织向研究人员进行节俭且公平的分配。
构建过程中的一个关键步骤是确定供体蜡块中感兴趣组织的区域,以从中获取组织芯片(TMA)的核心组织。该步骤通过病理学评估确定,即由经过培训的病理学家对新制备的苏木精-伊红(H&E)染色切片进行评估(图3)。病理学家使用标记笔在H&E切片上圈出应取组织芯的区域,表明应从该圆圈对应的供体蜡块区域获取组织芯(图3)。病理学家还可能标记其他区域,例如应避开的坏死区域,或可额外获取组织芯的良性组织区域(图3)。随后从所标记的区域打取组织芯,并用于TMA的构建。
通过胶带法成功完成组织微阵列(TMA)的制备有两个主要评价指标。第一个指标是组织芯点出现在预期位置且彼此间距正确,可通过肉眼观察进行评估。图4A、B展示了两个采用胶带法成功制备的TMA及其相应的苏木精-伊红(H&E)染色切片。对TMA蜡块的目视检查显示,每个TMA中的组织芯均存在且排列规则。在胶带法制备TMA过程中可能出现的一些主要构建问题包括:由于在石蜡未完全凝固前过早移除金属底座,导致蜡块与包埋盒分离(图4C)。另一个在胶带法制备TMA中可能观察到的问题是嵌入的组织芯发生倾倒或位置偏移(图4D);该问题可能由熔融石蜡倾倒时过于剧烈引起,若双面胶带(DSST)粘附性差,则可能进一步加剧此现象。图5展示了TMA1各组织芯的H&E染色图像。除一个芯(点位1)外,其余所有芯均在TMA1的H&E切片中可见。图5还显示,部分芯呈现为完整的圆形组织点(例如,点位4、6、13、17),而其他芯则未完全显现(例如,点位3、8、9、12)。后一类情况中出现的组织丢失并不罕见,可能是由于切片不足,未能完全暴露所有组织芯所致。此外,组织芯不完整或完全缺失(例如,点位1)也可能源于该芯组织本身质量较差,从而在染色过程中导致组织脱落。
成功的第二个衡量标准是评估组织微阵列(TMA)核心是否成功获取了目标组织。这是通过以下方式实现的 通过 组织病理学复查与个体TMA H的验证&E 核心(E cores)图5)与预制孔供体块 H 相比&Es (图3),并在需要或已实施的情况下,注明所进行的其他任何免疫组织化学染色。 图6 显示在TMA1上进行的代表性染色结果,包括波形蛋白(Vimentin)、U6、EBER和CD20。波形蛋白阳性组织(棕色染色)表明所有组织均来源于间充质,且组织质量良好,适合染色。U6阳性(深紫/蓝色染色)表明组织中RNA质量良好,适用于RNA相关检测。 原位 原位杂交(ISH)染色,例如针对基因转录本的EBER,U6结果 图5 表明淋巴瘤组织(点 9)和正常扁桃体组织定位对照(点 22)的 RNA 质量较高,而点 19 的正常组织则不然。继此,EBER 染色在正常组织和定位对照中呈阴性,但在淋巴瘤组织(点 9)中呈强阳性。对于来源于淋巴组织的样本,如预期所示,点 9 和点 22 均对 B 细胞标志物 CD20 呈阳性染色,而来源于正常脊髓组织的点 19 则无阳性染色。所有组织微阵列核心的染色结果总结于 表1 并确认这些TMA组织芯的组织注释。

图 1:TMA 图谱。 在选定所有 FFPE 组织块和方向对照后,需绘制一张详细图谱,称为 TMA 图谱(A),用于标明每个供体组织块的穿芯在最终组织芯片中的位置。需要注意的是,当使用胶带法构建 TMA 时,其构建图谱(B)是 TMA 图谱的镜像,因为该方法会反转构建过程——即将熔化的石蜡浇注在直立的组织芯周围,而非将组织芯插入预制的模具中。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:使用胶带法构建组织芯片 (A在金属底座模具底部按以下顺序依次放置两层双面胶带(DSST)和一张纸质网格:先放置第一层双面胶带(2A插件),然后放置一次性纸质网格,最后在金属底座模具底部放置第二层双面胶带。B) 每个供体组织块均需使用新的H&E 由病理学家生成并进行审阅,病理学家将标记 H&E 用于标记目标组织,指示在何处打孔取组织块,以及在适用的情况下,应避免在何处打孔以提取组织芯。C使用一次性或可重复使用的手持式组织微阵列打孔器对供体组织块进行打孔。D使用针状挑取工具,将每个组织芯垂直放置于覆盖网格的DSST上,肿瘤面朝下。E将预先标记好的塑料包埋盒小心地放置在装有直立组织芯的金属托盘上。F将融化的石蜡通过包埋盒的网格缓缓倒入托盘中,以包裹并完全浸没包埋盒下方直立的组织芯。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:供体组织块的H&E染色。 每个供体组织块的H&E染色切片均需由受训病理医师进行质控评估,病理医师使用标记笔在H&E染色玻片上标注出感兴趣的区域/组织(例如,有活性的癌组织(CA)或良性组织(BN)),用于指导组织芯的采集,同时标注出应避免取样的区域(例如坏死组织区域)。根据标注后的H&E染色结果确定组织块中合适的区域,进行打孔并将其整合至正在构建的组织芯片(TMA)中。随后,可通过比对所获得的TMA组织芯H&E染色结果与供体组织块未打孔区域的H&E染色图像,确认目标组织是否已被成功采集至组织芯中。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4:代表性结果。(A,B)成功制备的基于黏附带法的组织芯片及其相应的苏木精-伊红(H&E)染色切片,用于病理学评估。(C)当塑料包埋盒在未完全冷却时被提前从金属底模中取出,导致包埋盒与石蜡块分离。(D)已完成的黏附带法组织芯片,因熔融石蜡倾倒过程产生湍流,导致组织芯倾倒和移位。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:TMA 芯片的 H&E 染色结果。 TMA1 的 H&E 染色切片,显示用于构建该组织微阵列(TMA)的各个组织芯(点位 1-21)以及定位芯(点位 22 和 23)的 H&E 染色结果。图像使用 4 倍物镜获取,并配备连接至成像软件的数码相机。 请点击此处查看该图的放大版本。

图6:典型的免疫组织化学和RNA原位杂交。 通过免疫组化法(IHC)检测TMA1的全层面切片中波形蛋白(vimentin)和CD20的表达,同时采用RNA原位杂交法(RNA ISH)评估RNA质量(U6)及EBV状态 通过 EBER 原位杂交。图像展示了三个组织芯的代表性结果,包括一份肿瘤组织(点 9)、一份正常组织(点 19)以及两个定位对照之一(点 22)。波形蛋白(vimentin)阳性表现为棕褐色染色,U6 阳性表现为蓝/紫色染色,EBER 阳性表现为蓝/紫色染色,CD20 阳性表现为棕褐色染色。所示图像使用 4 倍物镜获取,并配备连接至成像软件的数码相机。 请点击此处以查看此图的放大版本。
表1:构建的TMA组织及染色概览:该表格概述了(a)每个代表性TMA点中是否存在组织,(b)每个H&E染色组织点中是否存在肿瘤,以及(c)在相邻TMA切片上进行的任何其他免疫组织化学染色的结果:“-”表示阴性,n/d = 未进行。请点击此处下载该表格。
补充文件。 请点击此处下载该文件。
TMA 构建过程中最关键的步骤之一是对将用于获取 TMA 芯片的 FFPE 供体组织块进行病理学评估4在审查过程中,由一位经认证的病理学专家检查具有代表性的H&每个供体组织块的E染色切片。必须确保H&E 通过使用新切割的组织切片制备,以使其最真实地代表相应的供体组织块。避免使用存放时间较长的 H&不建议这样做,因为福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织是三维结构,其组织形态会随着包埋块深度和连续切片而发生显著变化;这种情况可能已经发生,因为H&E 被生成,可能导致其对 FFPE 组织块的表征不准确。审查过程对于选择合适的病例、确定应获取组织芯的区域以及识别取芯时应避免的区域至关重要。若缺乏病理学审查,纳入不适宜组织的可能性将显著增加。此类组织的纳入可能使构建的组织芯片(TMA)失效,无法满足其预期用途。尤为重要的是,若无意中使用了此类无效的 TMA,极有可能产生虚假且具有误导性的数据。此外,已知 FFPE 组织的特征(及其衍生的组织芯)会随着深度增加而发生显著变化,这进一步凸显了在整个 TMA 组织块使用周期内持续进行病理学审查的重要性。理想情况下,H&应每隔15生成一次Esth 或 20th 以确保捕获并记录核心组织中任何组织轮廓的变化。至少,H&应在项目开始和结束时生成并审查组织微阵列(TMA),以监测这些潜在变化。鉴于上述要点以及TMA作为研究工具的重要性,必须将病理学审查牢固地纳入TMA构建过程,并贯穿TMA切片的整个使用周期。
在常规诊断处理过程中,FFPE组织块通常被大量切片,之后才可用于研究。因此,供体组织块的深度以及供体组织芯的长度往往小于受体法理想的4 mm。本文展示了如何采用胶带法构建TMA,其主要优势在于能够兼容非理想尺寸的FFPE组织块所提供的组织芯。尽管胶带法在研究中具有重要价值,并为构建TMA块提供了一种经济、便捷且易于实施的方法,但它也存在一些挑战和局限性。与可容纳100至数千个组织芯的自动化或手动受体法相比,采用胶带法构建的TMA建议最多仅包含40个组织芯9。另一个局限性在于构建的便捷性。在受体法中, punched出的组织芯只需插入预制模具中,该模具通过将每个组织芯单独包裹在独立孔穴内,从而提供稳定性,防止组织芯移位,并促进高度规则的排列与间距22。此外,受体法还可选择完全手动、半自动或全自动操作,具有更高的灵活性。相比之下,手动胶带法需要使用针状工具逐个小心且轻柔地放置组织芯。由于胶带法不使用预制模具,无法实现受体法中那样高度规则的排列与间距,但通过引入方格网格可在一定程度上弥补这一缺陷。必须将方格网格准确固定在金属托盘中央,以避免组织芯靠近蜡块边缘放置,否则若包埋的石蜡不足,将增加组织芯脱落的风险。还应注意,由于组织芯为手动放置,且需确保针状工具能在相邻组织芯之间顺利插入,因此胶带法无法实现受体法所能达到的较小间距。组织芯以直立自由站立的方式放置,使其接触DSST覆盖网格的底面积最小。这种结构提供的组织芯稳定性明显低于受体法,在倾倒熔化石蜡时更容易发生组织芯倾倒或移位。事实上,该实验方案中最关键的步骤之一就是倾倒熔化石蜡。必须在从烘箱取出后迅速进行此操作,以确保石蜡完全处于液态,同时倾倒过程应尽量轻柔,避免产生湍流。有趣的是,Chen等人开发了一种高度创新的辅助装置,类似于带有7×11个均匀分布的直径2 mm孔洞的模板,可放置在空白石蜡块上,用于指导构建受体块及插入供体组织芯时的针头定位23。尽管该装置最初设计用于辅助受体块的构建,但其亦可轻松适配于胶带法,用于引导组织芯放置、调控间距,并在构建过程中提高组织芯的稳定性。
影响核心稳定性的最重要因素之一是条带法TMA中所包含的核心数量。这是因为随着核心数量的增加,为了容纳更多的核心,单个核心的直径必须减小,从而导致与DSST粘附的核心底面积减少。在条带法TMA构建过程中,建议核心直径最小为1 mm,因为我们发现直径更小的核心特别不稳定,即使在非常轻柔的石蜡倾倒过程中也容易倾倒。最近一项研究比较了两种内部方法,分别使用16 G针头(核心直径1.1 mm)和4 mm直径打孔器,结果显示1.1 mm核心的组织丢失显著(26.5%),而4 mm核心则未出现明显丢失24。这表明小直径核心不仅在构建过程中存在问题,在后续操作中也可能带来困难。此外,较小的直径可能无法充分代表原始供体蜡块的组织特征,从而增加供体组织代表性不准确的风险,并使病理学判读变得困难。
在组织微阵列(TMA)构建过程中,方向标记块的纳入及其位置安排具有重要意义。然而,对于采用胶带法构建的TMA而言,这一点尤为重要。其原因在于,胶带法颠倒了构建过程,从而增加了空间定向错误的风险。我们建议在每一块TMA中加入最多三个方向标记核心,并将其放置在远离样本核心的位置,以最有效地确定整个组织块的方向。方向标记核心可以取自含有与所构建TMA主题明显不同组织的组织块,也可以使用无组织的彩色方向标记工具21,后者尤其有助于非病理学专业人员。结合非规则矩阵排列的核心布局方式,方向标记核心可最大程度地降低定位错误的风险。
使用胶带法和受体法构建的组织微阵列(TMA)在核心长度上存在显著差异,其原因在于选择构建方法时是否将供体包埋块的深度纳入决策过程。本方案采用一个阈值标准:当供体包埋块深度小于<4 mm时,使用胶带法构建TMA;当深度为4 mm时,则使用受体法构建。需要注意的是,并非所有实验室在选择构建方法时都会考虑供体包埋块的深度。尽管无论供体包埋块深度如何,理论上均可采用任一方法构建TMA,但在使用胶带法构建TMA时,较长的核心可能会在放置塑料包埋盒过程中受到干扰,甚至发生倾倒或倾斜。是否在决策过程中纳入该标准,取决于实验室的设备条件、成本以及对最终产物的需求。根据本方案的参数,采用胶带法构建的TMA所能获得的载玻片-mounted TMA切片数量明显少于受体法构建的TMA。虽然可以通过重新包埋FFPE组织以增加供体包埋块的深度,使其适用于受体法,但重新包埋后保持原有组织方向一致的可能性较低。这反过来可能导致需要大量修块以获得完整切面,从而造成显著的组织损耗。修块完成后,采用胶带法构建的TMA大约可获得50张所有核心均完整的载玻片-mounted TMA切片。然而,实际数量会因包埋块而异,取决于构建TMA所用核心的长度以及切片厚度(5 µm与4 µm)。此外,还必须指出,由于两种方法所获核心长度不同,在逐步切片过程中,各核心将相继耗尽;这一特性再次强调了持续进行病理学评估的必要性。
尽管受体法相比胶带法具有显著的优势,包括构建过程更简便快捷,但胶带法并非针对具备高通量实验能力的成熟实验室而设计。该方法主要面向普通实验室,特别是资源有限的实验室,这些实验室虽可获得深度不一的供体组织块,但无法获得组织芯片(TMA)构建服务。然而,未来该方法可能实现自动化,从而扩大高通量实验室中可入选的样本范围,并消除供体组织块重新包埋的需求。总之,本文所述的TMA胶带法构建方案可在非专业实验室中轻松建立,无需昂贵设备。但建议初次使用者最初使用无重要价值的FFPE组织块、无组织的彩色定位工具21,甚至不含组织的彩色石蜡块进行练习,以熟悉胶带法操作技术,之后再过渡到使用珍贵组织进行TMA构建。尽管该方法在构建过程中可能存在某些潜在问题,构建者和使用者均应予以注意,但这种看似粗糙的“自制”TMA构建方法仍可产生高质量且具有生物学意义的TMA用于研究。事实上,由胶带法构建的TMA所切取的组织切片,是中国台湾生物样本库ACSR中最常被申领的组织样本之一。
我们没有需要披露的内容。
本工作的资助由美国国立卫生研究院(NIH)资助的艾滋病与癌症标本资源(ACSR)生物样本库(www.acsr1.com)提供,项目编号 UM1CA181255。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
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| 不锈钢底模 | FisherBrand | 22-038-209 | |
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| 木棒 | FisherBrand | 22363158 |