本文介绍一种可对新鲜获取的骨组织进行脱钙并同时保存高质量RNA的方法。此外,还展示了一种对未经脱矿的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)骨样本进行切片的方法,以便在无法获得或采集新鲜组织时仍能获得良好的实验结果。
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本文介绍一种可对新鲜获取的骨组织进行脱钙并同时保存高质量RNA的方法。此外,还展示了一种对未经脱矿的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)骨样本进行切片的方法,以便在无法获得或采集新鲜组织时仍能获得良好的实验结果。
了解细胞与其在每种组织内位置之间的关系,对于揭示与正常发育及疾病病理相关的生物学过程至关重要。空间转录组学是一种强大的方法,能够在组织样本中分析整个转录组,从而提供有关细胞基因表达及其所处组织学环境的信息。尽管该方法已被广泛应用于多种软组织,但其在骨等硬组织分析中的应用仍具挑战性。主要挑战在于处理硬组织样本以进行切片时,难以同时保持高质量的RNA和组织形态。因此,本文介绍了一种用于处理新鲜获取的骨组织样本的方法,以有效生成空间转录组学数据。该方法可实现样本的脱钙,从而成功获得组织切片,并在避免RNA降解的同时保留组织形态学细节。此外,还提供了针对未经脱矿处理、先前已包埋于石蜡中的样本(例如从组织库收集的样本)的详细操作指南。 利用这些指南,展示了从骨肉瘤原发肿瘤及肺转移的组织库样本中生成的高质量空间转录组学数据。
骨是一种特化的结缔组织,主要由I型胶原纤维和无机盐组成1。因此,骨具有极高的强度和刚性,同时又具备轻质和抗创伤的特性。骨的高强度来源于其矿物质含量。事实上,矿物质含量每增加一定百分比,骨的刚度便会提高五倍2。因此,研究者在通过组织学切片方法分析骨样本的生物学特性时,面临着显著的技术难题。
未脱钙骨组织学在某些情况下是可行且必需的,具体取决于研究类型(例如,用于研究骨的微结构);然而,该技术极具挑战性,尤其是当样本体积较大时。在这种情况下,组织学用途的组织处理需要对标准方案和技术进行多项修改3。通常,为了进行常规组织学评估,骨组织在固定后会立即进行脱钙处理,该过程所需时间从数天到数周不等,具体取决于组织大小和所使用的脱钙剂4。脱钙切片常用于骨髓检查、肿瘤诊断等。脱钙剂主要有三种类型:强酸(如硝酸、盐酸)、弱酸(如甲酸)和螯合剂(如乙二胺四乙酸,即EDTA)5。强酸可快速脱钙,但可能损伤组织;弱酸应用广泛,适用于诊断性操作;螯合剂目前在研究应用中使用最为广泛且最为合适,因为其脱矿过程缓慢而温和,有利于保持高质量的形态结构,并保留基因和蛋白质信息,满足多种实验(如in situ杂交、免疫染色)的要求。然而,当需要完整保存整个转录组(如用于基因表达分析)时,即使是缓慢而温和的脱矿过程也可能造成不利影响。因此,当组织的形态学分析需要与细胞的基因表达分析相结合时,亟需更优的技术和方法。
得益于单细胞RNA测序(scRNA-seq)和空间转录组学技术的最新进展,即使组织样本经过福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)保存,现在也能够研究其基因表达谱6,7,8。这一进展使得研究人员能够获取更多样本资源,例如全球各地组织库中储存的样本。若采用scRNA-seq技术,RNA完整性是最关键的要求;然而,在对FFPE样本进行空间转录组学分析时,不仅需要高质量的RNA,还需要高质量的组织切片,以便在每张组织切片的组织学背景下可视化基因表达。尽管软组织样本已能较容易地实现这一目标,但硬组织(如骨组织)却尚未达到同等水平。据我们所知,目前尚无任何研究成功对FFPE骨组织样本进行空间转录组学分析。其主要原因在于缺乏能够在保留RNA含量的同时有效处理FFPE骨组织的实验方案。本文首先提供了一种在避免RNA降解的前提下处理和脱钙新鲜骨组织样本的方法。随后,考虑到全球组织库中收集的FFPE样本对转录组学分析的迫切需求,本文还提出了针对未脱矿骨组织FFPE样本的规范化操作指南。
以下所述的所有动物实验程序均经匹兹堡大学牙医学院《实验动物护理与使用指南》合规批准。
1. 需要脱钙的骨组织样本福尔马林固定石蜡包埋块的制备方法
2. 未脱钙FFPE样本切片的指南
注意:以下指南提供了有价值的建议和操作说明,有助于显著提高组织切片的质量,同时避免RNA降解,特别是在处理小型未脱钙骨样本时尤为重要。当有脱钙骨样本时,这些指南也可适用。对于较大的骨组织样本,应进行脱矿处理以获得更高质量的切片;在此类情况下,应遵循上述已报道的方法,并相应调整各项参数(如时间、溶液用量等)。无论是在福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)骨组织已经完成处理的情况下(例如从组织库或其他实验室获取的FFPE组织块),还是在所获得的切片将用于需要高质量RNA、高质量组织切片或两者兼需的各类分析时,本指南均适用。
本文所述方法介绍如何处理新鲜分离的骨骼,以获得脱矿质的石蜡包埋(FFPE)样本,这些样本可轻松使用切片机进行切片,同时保持RNA的完整性(图1)。该方法已成功应用于小鼠股骨,也可用于其他尺寸相似的骨组织样本,或通过增加所有参数(如时间、溶液体积等)调整适用于较大的骨样本(例如人源样本)。

图1:实验方案的示意图。 获取脱钙骨组织FFPE包埋块并保持RNA完整性的方法示意图(步骤1和2)。FFPE包埋块切片操作指南的示意图(步骤3)。请点击此处查看该图的放大版本。
为验证脱钙时间的准确性,进行了时间过程实验,比较了未脱钙的股骨、脱钙3小时的股骨(每30分钟更换一次EDTA,共更换6次)以及脱钙24小时的股骨(每30分钟更换一次EDTA,共更换10次,随后在EDTA中过夜)图2). 随后根据上述指南对获得的FFPE组织块进行切片,并验证所得切片的组织学质量和RNA完整性。为此,通过苏木精和伊红(H&E) 染色后进行显微镜检查(图2A,C,E),同时通过评估长度大于200个核苷酸(200 nt)的RNA片段所占比例(即DV200评分)来检测RNA质量4 (图2B,D,F)。H&E图像显示,未脱钙和脱钙3小时的股骨切片出现多处骨折、孔洞和损伤(图2A,C),而脱钙24小时的股骨切片则表现出良好的组织学质量(图 2E所有样本的DV200值均高于50%,该值被认为是进行单细胞RNA测序(scRNA-seq)或空间转录组学分析的最低标准。4. 也测试了在4 °C下使用较小容器、每日更换EDTA并进行较温和振荡的更长孵育时间,但不推荐此方法,因为在此条件下,样品的RNA完整性会显著下降(图 2H因此,将孵育时间缩短至24小时,同时增加脱钙的频率、振荡强度和脱钙液体积,以提高脱钙效率。

图2。8周龄小鼠股骨脱钙后切片及RNA完整性质量控制(QC)。 取8周龄小鼠股骨,新鲜解剖后固定,并用20% EDTA(pH 8.0)在不同时间点进行脱钙处理,随后按所述方法包埋于石蜡中,并依据已报道的指南进行切片。对所得切片进行苏木精-伊红(H&E)染色以进行组织学质量控制,同时通过评估大于200个核苷酸(200 nt)的RNA片段分布值(DV200)来评价RNA完整性。(A) 未经脱钙处理的8周龄小鼠股骨切片的H&E染色结果,右侧图像为方框区域的高倍放大图。(B) 未经脱钙处理的8周龄小鼠股骨切片的RNA质量控制结果。(C) 经3小时脱钙处理后的8周龄小鼠股骨切片H&E染色结果,右侧图像为方框区域的高倍放大图。(D) 经3小时脱钙处理后的8周龄小鼠股骨切片RNA质量控制结果。(E) 经24小时脱钙处理后的8周龄小鼠股骨切片H&E染色结果,右侧图像为方框区域的高倍放大图。(F) 经24小时脱钙处理后的8周龄小鼠股骨切片RNA质量控制结果。(G) 经72小时脱钙处理后的8周龄小鼠股骨切片H&E染色结果,右侧图像为方框区域的高倍放大图。(H) 经72小时脱钙处理后的8周龄小鼠股骨切片RNA质量控制结果。缩写:H&E = 苏木精和伊红;DV200 (%) = 片段分布值中大于200 nt的百分比> 200 nt;nt = 核苷酸。 请点击此处查看该图的放大版本。
为了验证已报道的处理非脱钙FFPE样本指南的有效性,我们收集了来自肌肉骨骼肿瘤登记库与组织库(MOTOR)的非脱钙人原发性骨肉瘤及肺骨肉瘤转移灶的FFPE组织块,并进行了空间转录组学分析(图3)。在进行空间转录组学分析之前,先将FFPE组织块重新包埋于石蜡中,以获得平整的起始切面。随后评估了切片的RNA质量和组织学质量(数据未显示)。水化步骤至关重要,因为原发性骨肉瘤样本若未经充分水化则无法切片;相比之下,肺转移灶样本则无需任何水化处理。切片完成后,将组织置于空间转录组学载玻片上(图3A),进行H&E染色(图3D),并根据制造商说明进行空间转录组学分析(见材料表)。所获得的cDNA文库经过测序,并使用Space Ranger对处理后的数据进行可视化以进行质量控制5(图3B)。Space Ranger输出结果显示有效条形码、有效唯一分子标识符(UMIs)、Q30碱基以及每个点检测到的基因中位数(介于1700至5000之间)的得分均非常高(接近100%),表明所获得数据具有高度的稳健性和可靠性(图3B)。通过无偏倚的基于图谱的聚类分析,共鉴定出12个主要聚类群,包括成骨细胞、免疫细胞、上皮细胞、内皮细胞以及脂肪细胞的聚类群(图3E)。值得注意的是,这些聚类群的边界与病理学家识别出的组织学区域边缘相吻合(图3D)。此外,同一样本的其他切片还使用Goldner三色染色法染色,以显示矿化区域(图3C)。

图3。两对未脱钙原发性骨肉瘤(OS)及其肺转移灶的空间转录组学分析。从我们的MOTOR组织库中收集了两对匹配的未脱钙人原发性骨肉瘤及肺转移灶的FFPE组织块。根据已报道的操作指南对样本进行切片,并将切片置于Visium空间基因表达载片(适用于FFPE样本)上,以开展空间转录组学分析。(A)附有组织切片的用于FFPE样本的Visium空间基因表达载片。(B)Space Ranger输出结果,显示用于评估所有样本数据质量的常用参数。(C)Goldner三色染色,显示矿化骨组织和类骨质的定位。(D)H&E染色,显示病理学家的注释。(E)聚类分析,显示组织内细胞群体的定位。缩写:FFPE = 甲醛固定石蜡包埋;MOCs = 恶性成骨细胞。请点击此处查看该图的放大版本。
此处提供了一种详细的方法,用于制备脱钙骨组织的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)切片,并在测序(即下一代测序,NGS)或其他RNA相关技术中保持RNA完整性(即 原位 杂交、定量反转录聚合酶链式反应(qRT-PCR)等。
该方法利用EDTA对骨组织样本进行脱钙;EDTA孵育可实现缓慢而精细的脱矿,从而最大程度地保存组织的组织学特征。通常,骨组织脱钙采用10% EDTA(pH 7.0)处理至少2周,并每隔一天更换一次溶液4。然而,长时间的脱钙过程会显著导致RNA降解6,7,8。为解决这一问题,将EDTA浓度提高至20%,pH升至8.0,并将溶液更换频率增加至每30分钟一次。结合组织暴露于大量溶液、剧烈振荡以及高容器/组织体积比等条件,这些改进可最大化脱钙效率并缩短处理时间,实现温和而快速的脱矿。值得注意的是,当骨组织样本将用于转录组测序时,可能无需完全脱钙。在此情况下,需在充分脱矿与良好RNA保存之间找到最佳平衡。另一个需要强调的是,无论样本如何处理,只要经过固定,其RNA均会发生片段化。本文所述方法可保留长度超过200个核苷酸的RNA片段(%DV200)(图2F),表明RNA质量较高9,11。
该方法存在一定的局限性。首先,由于小鼠是骨组织样本的唯一来源,该方法仅在小鼠骨骼上得到验证,而小鼠骨骼相对较小。此外,尚不清楚该方法是否适用于年龄大于或小于8周的小鼠,因为该方法仅在8周龄小鼠上进行过测试。我们选择8周龄小鼠是因为其骨骼已发育成熟。由于衰老会改变骨骼的矿物质含量,因此可能需要对该方法进行相应调整。
此外,本文还报告了相关指南,以帮助提高使用小块未脱钙骨标本的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)样本时组织切片的质量,例如直接从组织库获取的样本。在这些情况下,如果RNA已经降解,则无法补救,但切片质量仍可改善。另一方面,对于RNA含量良好的样本(如本文所示),只要遵循所提供的指南,即可进行空间转录组分析。值得注意的是,在原发性骨肉瘤标本中,肿瘤组织的存在可能改变骨结构,使实际样本变得更脆弱易碎,这反而可能有利于切片。因此,采用戈德纳三色染色法(Goldner's Trichrome staining)来评估是否存在这种情况,因为该染色技术能够区分矿化与非矿化区域(图3C)。
综上所述,本研究报道的方法是一种易于应用的骨组织样本脱钙方法,可获得可用于下一代测序(NGS)或其他需要RNA完整性的技术的福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)切片。此外,本文还提供了针对那些在石蜡包埋前未进行脱钙处理的样本(例如来自组织库的样本)的切片指南。鉴于空间转录组学分析技术的快速发展,该方法及操作指南在骨组织研究以及骨癌研究中均可能具有重要帮助。
作者声明无利益冲突。
本工作得到了匹兹堡治愈肉瘤基金会(PCS)和骨肉瘤研究所(OSI)的资金支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 高级轨道摇床 | VWR | 76683-470 | 根据方法说明,用于在孵育期间保持组织处于振荡状态。 |
| 骆驼毛刷 | Ted Pella | 11859 | 根据指南,用于操作FFPE切片。 |
| 双索引试剂盒 TS Set A 96次反应 | 10X Genomics | PN-1000251 | 用于进行空间转录组学实验。 |
| 200试验证乙醇 | Decon Labs Inc | 2701 | 根据方法说明,用于进行组织脱水。 |
| 乙二胺四乙酸二钠盐二水合物(EDTA) | Thermo Fisher Scientific | S312-500 | 用于配制20% EDTA溶液(pH 8.0)。 |
| Fisherbrand 弯头中等尖头通用镊子 | Fisher Scientific | 16-100-110 | 根据指南,用于操作FFPE切片。 |
| Fisherbrand 精细精密探针 | Fisher Scientific | 12-000-153 | 根据指南,用于操作FFPE切片。 |
| Fisherbrand Superfrost Plus 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | 根据指南,用于贴附卷曲的切片。 |
| 高轮廓金刚石切片刀 | CL Sturkey | D554DD | 根据指南,用于切取FFPE组织块。 |
| Novaseq 150PE | Novogene | N/A | 测序仪。 |
| 32% 电镜级甲醛(PFA)水溶液 | Electron Microscopy Sciences | 15714-S | 用1×PBS 稀释至终浓度为4%,用于组织固定。 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Thermo Fisher Scientific | 10010-049 | 即用型。根据方法说明,用于稀释PFA及进行洗涤步骤。 |
| Premiere 组织漂浮浴 | Fisher Scientific | A84600061 | 根据指南,用于去除FFPE切片上的皱褶。 |
| RNase AWAY 表面去污剂 | Thermo Fisher Scientific | 7002 | 根据方法说明,用于清洁所有表面。 |
| RNeasy DSP FFPE 试剂盒 | Qiagen | 73604 | 根据指南,在FFPE切片制备完成后,用于从中提取RNA。 |
| 半自动旋转式切片机 | Leica Biosystems | RM2245 | 根据指南,用于切取FFPE组织块。 |
| 氢氧化钠 | Millipore Sigma | S8045-500 | 将400 g缓慢溶解于1升Milli-Q水中,配制成10 N溶液。 |
| Space Ranger | 10X Genomics | 2.0.1 | 用于处理测序数据输出。 |
| Surgipath Paraplast 包埋剂 | Leica Biosystems | 39601006 | 根据方法说明,用于组织浸润和包埋。 |
| Visium 附件试剂盒 | 10X Genomics | PN-1000194 | 用于进行空间转录组学实验。 |
| Visium 人类转录组探针试剂盒 小号 | 10X Genomics | PN-1000363 | 用于进行空间转录组学实验。 |
| Visium 空间基因表达载片试剂盒 4次反应 | 10X Genomics | PN-1000188 | 若进行空间转录组学实验,用于放置组织切片。 |
| 二甲苯 | Leica Biosystems | 3803665 | 根据方法说明,用于进行组织透明化处理。 |
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