本文介绍了一种结合迭代蛋白染色(IBEX)与RNAscope 原位 杂交技术的方案,用于对完整固定冷冻组织进行深度空间表型分析,实现高分辨率空间剖析应用。
方法文章
本文介绍了一种结合迭代蛋白染色(IBEX)与RNAscope 原位 杂交技术的方案,用于对完整固定冷冻组织进行深度空间表型分析,实现高分辨率空间剖析应用。
本文介绍了一种方案,使蛋白质和核糖核酸(RNA)标记在完整组织中能够实现单细胞分辨率的同时空间剖析。实体肿瘤癌症的核心问题之一是无法预测患者对治疗干预的反应。解读这些复杂性需要对完整组织内的细胞行为、相互作用和表型进行定量测量。具体来说,蛋白质组和转录组提供了重叠但不冗余的信息,这对于设计合理的免疫治疗至关重要。然而,目前尚无一种直接且经济高效的方法,能够深入剖析肿瘤微环境中所有细胞的转录和功能状态,同时保留其关键的空间定位信息。为此,我们成功将IBEX(迭代漂白扩展多重性)平台与HiPlex RNAscope结合,同时以单细胞分辨率观察高plex蛋白标记和高plex核糖核酸(RNA)转录本。该方法包含修改后的RNA靶标回收步骤,以保持核形态并实现跨周期的准确图像比对。“Bex-Plex”使我们能够对固定冷冻组织执行未修改的IBEX协议,随后使用HiPlex RNAscope协议,利用修改后的RNA靶标提取确保与IBEX周期的核级比对。该方案针对固定冷冻组织进行了优化,并实现了对转录和功能细胞状态的综合空间分析。在单细胞层面进行画像的能力,不仅提供了关于组织本身的深层信息,还能预测驱动治疗响应性的细微细胞相互作用,为研究肿瘤微环境及相关系统中的空间生物学提供框架。
自2011年问世以来,通过阻断抑制性免疫检查点分子(如PDL-1和CTLA-4)来减少细胞毒性T细胞抑制的癌症免疫疗法,已成为实体肿瘤治疗的金标准。然而,尽管这些药物在患者中被大规模使用,但其临床疗效差异很大,因为许多实体肿瘤癌症要么先天表现出这些治疗,要么最终产生对这些疗法的耐药性2.在许多情况下,这主要是由于实体肿瘤极其异质性,即使是在同一类3型癌症中也是如此。深入了解实体肿瘤中细胞关系,是制定更优治疗方案的关键。因此,确定确切的机制和相互作用是癌症研究的重点。在此,我们旨在开发一种方法,能够实现完整组织中蛋白质和RNA表达的综合空间分析,以更好地表征这些复杂的细胞相互作用。
肿瘤微环境(TME)由塑造肿瘤生长和免疫反应的非癌性细胞和结构组成部分,包括与癌症相关的成纤维细胞、浸润免疫细胞、血管成分以及细胞外基质4。近年来,TME的组成和组织对肿瘤是否具有免疫浸润的容忍性或抗性影响,TME是决定免疫治疗反应性的主要因素之一5。在许多癌症中,一种“免疫沙漠”表型,表现为T细胞数量低且存在高度免疫抑制的骨髓系群体,与检查点阻断疗法反应性差相关 6,7。趋化因子信号控制着许多这些招募动态。例如,CXCL1和CCL2吸引免疫抑制性骨髓细胞,而CXCR3-CXCL9/CXCl10轴则招募细胞毒性和调控T细胞进入肿瘤8。因此,生态位特异性信号环境能强烈影响细胞表型和功能。例如,在结直肠癌患者中,CCL5-CCR5轴控制肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)的抑制功能,阻断该信号使TAM偏向抗肿瘤表型,并与临床反应改善相关9。此外,免疫细胞、癌症相关成纤维细胞和/或肿瘤细胞通过ICAM和PDL-1的直接相互作用,可以诱导免疫耗竭并削弱抗肿瘤免疫10。这些发现共同强调了空间解析对理解TME如何影响治疗效果的重要性。
免疫荧光(IF)成像仍然是观察组织中蛋白质表达和细胞间相互作用的基础方法。该领域已从传统的3-4色中叶技术发展到依赖迭代染色和成像的高含量成像工作流程。在这些方法中,通过反复进行抗体标记、成像以及荧光团失活或去除循环,生成大量数据集,以便对更多标记进行染色和成像。迭代漂白扩展多路复用(IBEX)最近被引入,作为一种用户友好且经济高效的迭代成像平台12。IBEX兼容商业抗体和传统显微镜,利用硼氢化锂(LiBH4)淬灭大多数常用染料的荧光而不损伤组织表位,从而为单个组织13可获得多达75个参数。通过循环染色获得的图像通过SimpleITK开源软件进行比对,生成适合高维空间分析的复合数据集。
作为蛋白质级表型分析的补充,空间转录组学方法能够提供细胞在其原生环境中转录状态的宝贵信息。值得注意的是,原位杂交(ISH)是一种常用技术,用于识别特定组织中DNA或RNA序列的定位。RNAscope是一种成熟的ISH方法,利用具有独特Z化学成分的探针,以单分子分辨率特异性扩增RNA转录本,并且兼容多种不同样本类型14。作为通过先进细胞诊断(ACD)广泛采用并商业化的平台,RNAscope提供了针对多种靶点的经过验证的探针,简化了多样化应用的实验设计。
通过在同一组织内结合蛋白质和RNA检测,可以获得更完整的细胞身份和功能视图。短命分泌蛋白,如细胞因子和趋化因子,传统上缺乏可靠的IHC抗体染色,但可以通过定量其mRNA转录本获得其表达信息。此前对RNA和蛋白质共检测的尝试,如传统染色性IHC或TSA-OPAL,受限于非线性信号扩增和耗时的抗原回收协议15。与这些方法相比,Bex-Plex方法能够同时检测高plex蛋白和RNA,同时保持空间上下文和核状,实现准确的图像配准。
这里介绍“Bex-Plex”,一种整合IBEX和RNAscope平台的协议,实现细胞在原生组织中转录和翻译状态的同步且可定量表征。在Bex-Plex中,固定OCT嵌入组织采用标准IBEX协议,随后稍作修改的RNAscope HiPlex流程,目标回收在60°C下进行,培养时间为1小时,而原99°C的培养期为5分钟。这保留了核的架构,使得在将IF和ISH循环中的独立图像注册为一个时,能够准确对齐fiducial标记。该方案最适合需要同时对完整组织中蛋白质和RNA表达进行空间分析的研究,尤其是在组织可用性有限或空间结构保护至关重要的情况下,如肿瘤微环境分析或免疫分析研究。
使用广泛可用的试剂并兼容大多数成像平台,任何熟悉荧光成像且能使用传统显微镜的技术培训研究人员都可以进行Bex-Plex。这里提供的方案针对固定冷冻样本进行了优化。目前,该方案已在固定冷冻组织中验证,可能需要进一步优化以应用于其他样本类型,如FFPE或人体临床样本。
这种工作流程对于组织有限或珍贵的情境都极为宝贵,如组织活检或样本有限的动物实验,以及那些用解离技术难以提取的细胞表型。Bex-Plex 同时提供关于单个细胞转录和翻译谱的可量化信息,同时保留其空间上下文,这些数据独特地能够解答细胞在原始环境中的关系和串扰问题。
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本方案中列出的程序已获得加州大学圣地亚哥分校机构动物护理与使用委员会批准(协议编号S24049)。实验中使用了7至12周龄、基因背景为C57BL/6且处于特定无病原体条件下的雄性和雌鼠。
1. 组织制备
2. 组织切片
注意:本方案所用的所有试剂和实验室材料必须不含RNase。操作滑套时请注意防止污染。
3. 蛋白质染色
4. 荧光团漂白与迭代蛋白染色
5. RNAscope HiPlex 的切片准备
6. RNAscope试剂制备与探针杂交
7. 探针放大
注意:在应用载玻片前,确保所有试剂均与RT平衡。
8. 切割荧光团及迭代RNA杂交
9. 图像处理
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图1:Bex-Plex工作流程概述。
固定冷冻组织切片于镀铬明矾载玻片上,先进行最多3个标准IBEX循环,随后进行最多3个RNAScope HiPlex循环,在60°C下进行初步靶标提取步骤,持续1小时。然后对不同周期的图像进行注册和对齐,使用依据标记(如DAPI)创建多路复用数据集进行后续分析。请点击此处查看该图的放大版本。
我们利用上述方案分析了小鼠胰导管腺癌(PDAC)模型的肿瘤微环境(TME)(见图1)。从KrasLSL-G12D/+分离出的肿瘤系;Trp...
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Bex-Plex的工作流程将迭代蛋白染色平台IBEX与RNAscope原 位 杂交集成,实现单细胞分辨率下同时检测蛋白质和RNA转录本。该方案的主要目标是提供一种可重复的综合空间分析方法,用于完整组织中蛋白质和RNA表达的综合分析。在同一组织中同时测量蛋白质和RNA表达的能力此前存在技术挑战:高成本、复杂的抗原提取步骤、有限的多重复用能力、分辨率限制(非单细胞)、非线性信号放大,以及用于下游处理的庞大生物信息学流程 17,18,19。与现有方法如多重免疫荧光、OPAL/TSA染色和空间转录组学平台相比,Bex-Plex能够实现可重复、定量且高plex的同时检测,同时保持空间上下文和核形态,实现图像准确对齐。此外,Bex-Plex 可以在标准实验室环境中运行,并以单单元分辨率生成数据,处理简便。利用该方案全面理解肿瘤微环境中的细胞间相互作用,对于开发更有效的免疫疗法和改善不同疾病状态的患者结局至关重要。
我们的方法在嵌入OCT的固定组织上进行,遵循标准IBEX工作流程,不作修改...
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作者声明没有竞争的财务利益。本手稿的准备过程中未使用任何基于人工智能的工具。
作者贡献:
SK参与了数据整理、数据分析、调查和写作。CM参与了数据整理。PH对数据分析有所贡献。视听技术促进了数据整理。VM参与了概念构想、数据整理、数据分析、监督和写作。
该工作得到了加州大学圣地亚哥分校儿科过敏、免疫与风湿病学部以及NIH NIGMS资助R00GM147841(MOSAIC K99/R00)和NCI U54CA272220(加州大学圣地亚哥分校FIRST资助)的支持。作者们还要感谢Andrea Radtke建立了最初的IBEX方法,没有它我们无法创建Bex-Plex。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 ml 微离心管 | Biopioneer | MCNT-1.5F | |
| 200 证酒精 | Fisher Scientific | BP28184 | |
| 20X SSC 缓冲液 | Invitrogen | AM9765 | |
| 24 孔板 | |||
| Alexa Fluor 488 抗小鼠 CD11b 抗体 | Biolegend | 101217 | |
| Alexa Fluor 523 抗小鼠 CD3e 抗体 | Invitrogen | 58-0032-82 | |
| Alexa Fluor 647 抗小鼠 Ly6G 抗体 | Biolegend | 127610 | |
| Alexa Fluor 700 抗小鼠 CD68 抗体 | Biolegend | 137025 | |
| BD Cytofix/Cytoperm 固定和渗透溶液 | BD | 554722 | |
| 铬铝明胶 | Fisher | NC1692262 | |
| 共聚焦显微镜(例如 Leica Stellaris) | |||
| 冷冻模具 | VWR | 25608-922 | |
| 冷冻切片仪(例如 CryoStar NX50 冷冻切片仪) | Thermofisher Scientific | 957100 | |
| 冷冻切片刀(例如 Leica 低型号一次性刀片 DB80LX) | Leica Biosystems | 14035843496 | |
| DAPI | Thermofisher Scientific | 62248 | |
| 解剖显微镜(例如 Zeiss SteREO Discovery.V8) | |||
| 解剖工具 | |||
| 干冰 | |||
| 用于切片染色的浸泡罐(例如 Simport Scientific EasyDip 切片染色罐) | Fisher Scientific | 22-038-489 | |
| Fluoromount-G | Fisher | OB10001 | |
| 加热水浴 | |||
| 组织学刷(例如 Ted Pella 骆驼毛刷) | Fisher Scientific | NC2023341 | |
| 杂交烤箱(例如 HybEZ II 杂交系统) | ACD | 321710 | |
| 图像分析软件(根据选择) | |||
| ImmEdge 疏水屏障 PAP 笔 | Vector Laboratories | H-4000 | |
| Kimwipes | VWR | 21905-026 | |
| 锂硼氢化物 | STREM Chemicals | 93-0397 | |
| 微量移液管(P-10、P-20、P-200、P-1000) | |||
| 迷你微离心机(例如 Corning LSE 迷你微离心机) | Corning | 6770 | |
| 小鼠 BD Fc 阻断剂 | BD | 553142 | |
| No 1.5 盖玻片 | VWR | 48393-241 | |
| 移液管吸头(P-10、P-20、P-200、P-1000) | |||
| RNAscope HiPlex Probe, mm-CD274-T7 | ACD | 420501-T7 | |
| RNAscope HiPlex Probe, mm-IL-10-T6 | ACD | 317261-T6 | |
| RNAscope HiPlex12 试剂盒 v2(包括检测套件、裂解原液、蛋白酶试剂、目标检索试剂和洗涤液) | ACD | 324409 | |
| RNAscope Protease III | ACD | 322337 | |
| RNase ZAP | Millipore Sigma | R2020-250 | |
| Simple ITK 软件: https://github.com/niaid/sitk-ibex | |||
| 切片染色托盘/湿度箱 | |||
| Sucrose Bioxtra | Sigma | S7903-1KG | |
| Superfrost Plus 显微镜载玻片 | VWR | 48311-703 | |
| Tissue-Tek OCT | VWR | 25608-930 | |
| Tween-20,分子生物学级别 | Promega | H5152 | |
| UltraPure DNase/RNase 无菌水 | Fisher Scientific | 10977023 |
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