Das Protokoll beschreibt einen Tandem-Immunfluoreszenz-Hybridisierungsassay mit formalinfixiertem, paraffineingebettetem Gewebe zum gleichzeitigen Nachweis und zur Quantifizierung von microRNA und Multiplexproteinen.
Methodenartikel
Das Protokoll beschreibt einen Tandem-Immunfluoreszenz-Hybridisierungsassay mit formalinfixiertem, paraffineingebettetem Gewebe zum gleichzeitigen Nachweis und zur Quantifizierung von microRNA und Multiplexproteinen.
Bei der Verwendung herkömmlicher sondenbasierter In-situ-Hybridisierungs-Nachweismethoden (ISH) sind microRNAs (miRNAs) aufgrund ihrer Größe von 19 bis 25 Nukleotiden schwer zu erfassen. Da miRNAs jedoch wichtige epigenetische Regulatoren sind, die zu einer normalen Physiologie und zahlreichen pathologischen Zuständen beitragen, ist es wichtig, das raumzeitliche Verhalten von miRNAs zu verstehen, um ihre Funktion auf zellulärer und subzellulärer Ebene zu entschlüsseln. Daraus ergibt sich ein klarer Bedarf an adäquaten Erkennungs- und Visualisierungstechniken. Aus diesem Grund haben wir die MicroRNA-Amplifikation und -Erkennung durch Locked-nucleic-acid in situ HybridizatioN (MARLIN) entwickelt, die unter Verwendung von Multiplex-Immunfluoreszenzfärbung und Locked-Nukleinsäure-Sonden (LNA), die auf eine miRNA abzielen, entwickelt und optimiert wurde. Diese Methode kann miRNA mit Multiplex-Proteinexpression quantifizieren, was die Quantifizierung von intrazellulärer und extrazellulärer miRNA innerhalb der Tumormikroumgebung (TME) mit hoher Sensitivität und Reproduzierbarkeit ermöglicht. Der kombinierte Einsatz von miRNA-Detektions- und Protein-Capture-Assays kann auch ein umfassendes Verständnis der zellulären Funktionen und Regulationsmechanismen innerhalb dieser TME liefern.
microRNAs
Obwohl microRNAs (miRNAs) mit einer Länge von 19 bis 25 Nukleotiden unglaublich klein sind, sind diese einzelsträngigen RNA-Moleküle starke Regulatoren bei der Genexpression und modulieren Boten-RNAs (mRNAs) posttranskriptionell durch sequenzspezifische Wechselwirkungen1. Im Wesentlichen wirken miRNAs als negative Regulatoren, indem sie an Ziel-mRNAs binden und je nach Grad der Komplementarität entweder deren Translation verhindern oder ihren Abbau durch mRNA-Spaltung fördern, was letztendlich zu einer verminderten Proteinproduktion aus dem Zielgen führt. Während miRNAs im Grunde nicht-kodierende RNA sind, befinden sich immer noch etwa 40% aller miRNAs in Introns oder Exons von proteinkodierenden Genen2. Der funktionelle Zweck von miRNAs umfasst mehrere wichtige biologische Prozesse wie Zellproliferation, Angiogenese, Apoptose usw. Insbesondere wurde die Dysregulation von miRNAs mit der Tumorgenese in Verbindung gebracht, da die aberrante Expression spezifischer miRNAs und die miRNA-vermittelte Genregulation mit der onkogenen Transformation bei mehreren Krebsarten in Verbindung gebracht wurde3.
Seit ihrer Entdeckung wurden miRNAs aufgrund ihrer gewebespezifischen Expressions- und Regulationsfunktionen bei verschiedenen Krankheiten ausgiebig erforscht, wobei ihre Dysregulation mit vielen Krankheiten verbunden ist, darunter neurodegenerative Erkrankungen, Autoimmunerkrankungen und verschiedene Krebsarten 4,5,6. Die Expressionsmuster von miRNAs können mit Krebsart, -stadium und klinischen Variablen korreliert werden, was das miRNA-Profiling zu einem wertvollen Werkzeug für die Krebsdiagnose und -prognosemacht 4,5,6,7. Die Entdeckung neuer miRNAs wurde auch durch Fortschritte in der Hochdurchsatz-Sequenzierungstechnologie beschleunigt, wodurch das Verständnis der Beteiligung von miRNA an verschiedenen biologischen Prozessen verbessertwurde 8. Die Bedeutung von miRNAs wurde durch den Nobelpreis für Medizin 2024 unterstrichen, der Victor Ambros und Gary Ruvkun für ihre Entdeckung der Funktion von miRNA bei der posttranskriptionellen Regulation verliehenwurde 9.
Als wertvolle Biomarker für die Diagnose und Prognose von Krankheiten wurde das therapeutische Potenzial von miRNAs erforscht, was zur Entwicklung von miRNA-zielgerichteten Medikamenten führte. Das therapeutische Potenzial von miRNAs in der Krebsbehandlung liegt in ihrer Fähigkeit, Genmodule koordiniert zu regulieren und so möglicherweise normale zelluläre Funktionen wiederherzustellen10. Bisher wurden miRNA-basierte Krebstherapien entweder als Monotherapie oder in Kombination mit bestehenden zielgerichteten Therapien entwickelt, um das Ansprechen auf die Behandlung zu verbessern und die Heilungsraten zu erhöhen11. Das dynamische Spektrum von miRNAs hat sie zu unverzichtbaren Ressourcen für innovative Krebsbehandlungsstrategien gemacht. Im Zusammenhang mit therapeutischer Resistenz hat sich das Targeting von miRNAs als vielversprechend erwiesen, um das Wiederauftreten und die Resistenz gegen traditionelle Krebsbehandlungen zu reduzieren, was das Überleben der Patienten möglicherweise verbessert, indem es auf Krebszellen abzielt12. Durch die Erforschung der Rolle von miRNAs bei der Modulation der Aktivitäten verschiedener Zelltypen in der Tumormikroumgebung (TME) können möglicherweise einzigartige und klinisch relevante Krebsbehandlungen entdeckt werden.
Verfügbare Assays zum Nachweis von miRNAs
Derzeit beruht die gebräuchlichste Methode zur miRNA-Messung auf extrahierter RNA für die quantitative Echtzeit-PCR (q-RT-PCR) oder Next Generation Sequencing (NGS), wobei der räumliche Kontext verloren geht. Es gibt Unternehmen, die TaqMan microRNA-Assays anbieten, die zielspezifische Stammschleifen-Primer für die cDNA-Synthese verwenden, und SYBR Green Farbstoff-basierte Chemikalien mit universeller cDNA-Synthese. Diese Assays bieten eine hohe Sensitivität und Spezifität und können auf einer Reihe von q-RT-PCR-Instrumenten durchgeführt werden. Leider können TaqMan-Assays keine absolute Quantifizierung liefern, was zu Problemen wie falsch positiven Ergebnissen und Variabilität der Ergebnisse führenkann 13. Trotz ihrer hohen Empfindlichkeit kann die Anwendung dieser Assays in verschiedenen Probentypen durch die Notwendigkeit einer umfangreichen Probenvorbereitung und mögliche Interferenzen durch andere Komponenten in der Probe eingeschränkt werden.
Next-Generation-Sequencing (NGS): miRNA-seq wird immer beliebter für die differentielle Expressionsanalyse über das gesamte miRNom von Bioflüssigkeiten. Ein Vorteil von NGS-Technologien wie miRNA-seq besteht darin, dass sie massive parallele Analysen der genomweiten Expression von miRNAs ermöglichen, was die Quantifizierung einzelner miRNAs, die Identifizierung von Sequenzvariationen und die Entdeckung neuer miRNAs ermöglicht14. Ein wesentlicher Nachteil von sequenzierungsbasierten Methoden, wie z. B. dem IlluminaTruSeq Small RNA Sample Preparation Kit, ist die Induktion quantitativer Verzerrungen, die die Genauigkeit von differentiellen Expressionsanalysen beeinträchtigen, was zum großen Teil auf die Homologie und die geringeren Leselängen der miRNAs zurückzuführenist 14. Darüber hinaus können das Vorhandensein von isomiRs (Varianten, die sich in Sequenz oder Länge von der kanonischen miRNA-Sequenz unterscheiden) und technischen Artefakten die Dateninterpretation erschweren, was möglicherweise zu Fehlerkennungen und Störfaktoren in Biomarker-Assays führenkann 14. Auch verschiedene Tools für die miRNA-seq-Datenanalyse, wie z. B. sRNAbench und miRDeep2, können zu unterschiedlichen Ergebnissen führen, was sich auf die Konsistenz und Zuverlässigkeit der Entdeckung neuartiger miRNA auswirkt15,16. Selbst so etwas wie die Microarray-Technologie kann in den meisten Fällen unzureichend sein. Obwohl sie eine leistungsstarke Hochdurchsatzplattform für den Nachweis von miRNA oder Genexpressionsniveaus bieten kann und somit für genomweite Studien geeignet ist, ist die Technologie immer noch durch die Anzahl der zuvor identifizierten miRNAs begrenzt und kann miRNA-Ziel-Interaktionen nicht direkt verifizieren, was ihren Nutzen in funktionellen Studien einschränkt17.
Der wichtigste Faktor, der hier beim Vergleich all dieser verfügbaren Optionen hervorgehoben werden kann, ist der fehlende räumliche Kontext. Sie liefern keinen Kontext in Bezug auf die Gewebemorphologie oder die räumlich-zeitliche Verteilung innerhalb der Zellen. Die Visualisierung des raumzeitlichen Verhaltens von miRNAs ist notwendig, um ihre Funktion auf zellulärer und subzellulärer Ebene zu entschlüsseln. Derzeit sind miRNAscope in situ Hybridization (ISH)-Assays zugänglich, die in der Regel chromogene Nachweismethoden verwenden. Diese Assays ermöglichen zwar die Visualisierung von miRNA mit Einzelzellauflösung, aber die Ergebnisse sind von geringer Qualität, was es schwierig macht, zwischen der miRNA-Expression und dem Hintergrund der Probe zu unterscheiden. Im Allgemeinen produzieren viele von ihnen minderwertige Assays, die unzuverlässig sind und in der Regel eine manuelle Quantifizierung erfordern.
Aus diesem Grund haben wir die MicroRNA-Amplifikation und -Erkennung durch Locked-nucleic-acid in situ hybridizatioN (MARLIN) unter Verwendung von Multiplex-Immunfluoreszenz-Färbung (durch Opal-Protein-Färbung) und gesperrten Nukleinsäuresonden (LNA) entwickelt, die auf eine miRNA abzielen, in formalin-fixierten paraffineingebetteten (FFPE) Geweben. Wir erreichten dies durch die Implementierung eines Tyramid-Signalamplifikationssystems (TSA), das durch einen Anti-Digoxigenin (DIG) Meerrettichperoxidase (HRP)-Konjugat-Antikörper aktiviert wird. Das HRP fungiert als Katalysator für die TSA, während das Anti-DIG an der LNA-Sonde befestigt wird. Dieser Assay ist von besonderem Nutzen, um die essentielle Natur von miRs bei der posttranskriptomischen Modifikation mit Proteinen und möglicherweise anderen RNAs gleichzeitig zu verstehen. Darüber hinaus bietet MARLIN aufgrund des Fehlens eines kommerziell verfügbaren Assays, der sowohl die miRNA- als auch die Proteinexpression quantifizieren kann, eine effektive Möglichkeit, die In-situ-Beziehungen von miRs und Proteinen in FFPE-Proben zu verstehen.
Die ersten Ergebnisse der Quantifizierung von miR-181c-3p mit MARLIN zeigten die Machbarkeit einer parallelen Analyse von miRNAs und Proteinen im nativen räumlichen Kontext von humanem ovarialem FFPE-Gewebe. Über dieses Beispiel hinaus ist es theoretisch möglich, basierend auf den Komponenten von MARLIN unter Verwendung kommerzieller Fluoreszenzmultiplex-Fluorophore wie Alexa Fluor oder anderer niedermolekularer Farbstoffe auf bis zu vier Proteine zu expandieren18.
Da diese Methode Variationen von Standard-Histologiemethoden verwendet, sollte sie bei geeigneter Sonden- und Antikörperauswahl mit anderen FFPE-Geweben von Säugetieren kompatibel sein. Diese Methodik bewahrt die räumliche Architektur und ermöglicht die Quantifizierung der zellulären und subzellulären miRNA- und Proteinkolokalisation. Dieser Ansatz adressiert eine kritische Lücke in der räumlichen Biologie, indem er die Co-Expressionsmuster und die räumliche Verteilung von miRNAs und Proteinen kartiert, die direkt in nativen Gewebearchitekturen kontextualisiert werden können. Hier stellen wir MARLIN mit einer detaillierten grafischen Übersicht in Abbildung 1 vor. Während das vorgestellte Protokoll für miR-181c-3p optimiert ist, können andere miR untersucht werden, sofern ein geeignetes Sondendesign vorhanden ist. Kritische Parameter für diese Methode sind unter anderem: die Beurteilung der Gewebequalität und die Optimierung der Sondenkonzentrationen. Es wird empfohlen, die RNA-Integrität des Gewebeblocks mit einer DV200-Metrik zu beurteilen, indem zwei 10-μm-Schnitte verwendet und die RNA mit einem Protokoll extrahiert wird, das alle RNA-Fragmentgrößen beibehält. Proben mit einem DV200-Score von mehr als 50 oder besser und die Konzentrationen des Protokolls müssen systematisch getestet werden.
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Dieses Protokoll verwendet formalinfixiertes, paraffineingebettetes (FFPE) Gewebe von humanen Eierstocktumorgewebeschnitten von Patientinnen mit HGSC. Diese Proben wurden von zuvor unbehandelten Patientinnen entnommen, die sich einer primären zytoreduktiven Operation bei Eierstockkrebs unterzogen. Alle Proben und klinischen Daten wurden aus dem Eierstockkrebs-Repository der Abteilung für gynäkologische Onkologie und Reproduktionsmedizin im Rahmen von Protokollen gewonnen, die vom Institutional Review Board der University of Texas MD Anderson genehmigt wurden. Die schriftliche Einverständniserklärung der Patienten wurde vom Personal an der Rezeption eingeholt, und die Studien wurden in Übereinstimmung mit anerkannten ethischen Richtlinien durchgeführt.
1. Vorbereitung des Gewebes
2. Protein-Anwendung
3. Anwendung der Sonde
4. Nukleare Färbung und Montage
5. Bildgebung und Analyse
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Beim Testen dieses Protokolls ist es wichtig, zwei serielle Abschnitte derselben repräsentativen Probe zu haben, um Genauigkeit und Vergleich zu gewährleisten. In diesem Fall wurde eine Probe von hochgradigem Eierstockkrebs (HGSC) verwendet, um die Ergebnisse zu vergleichen. Es wurden ein Kontrollobjektträger (Abbildung 2A-B) verwendet, der nur die miRNA-Färbung durchläuft, und ein Testobjektträger, der sowoh...
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Obwohl die Bedeutung von miRNAs anerkannt und verstanden wird, werden Beobachtungen sowohl der normalen Entwicklung als auch der Krankheitszustände derzeit durch die Schwierigkeit behindert, miRNAs mit Standardmethoden zu untersuchen. Der Mangel an in situ Methoden führte zur Entwicklung von MARLIN (miRNA FISH Assay). Angesichts der Homologie und der kurzen Länge von miRNAs wird es zu einer Herausforderung, ihre Position und Wirkung auf die posttranskriptomische Regulation zu vi...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Wir möchten uns bei den folgenden Personen bedanken: Chi Lam Au Yeung und Manjunath Nimmakayalu, die während der Entwicklung des Assays Teil des Dissertationskomitees von Basant waren. Auch Samuel Mok, der die verwendeten Proben geschnitten und zur Verfügung gestellt hat. Abschließend danken wir Johan Doré und Dan Winkowski, die uns bei der Analyse und dem Einsatz der Visiopharm-Software umfassend unterstützt haben. Diese Forschung wurde teilweise von der Ovarian Cancer Research Alliance (OCRA 811621 und 891490), der Sie Foundation und dem Stephanie C. Stelter Endowment Fund finanziert. Diese Forschung wurde in Zusammenarbeit mit der Flow Cytometry and Cellular Imaging Core Facility durchgeführt, die teilweise von den National Institutes of Health durch den Cancer Center Support Grant P30 CA016672 von M. D. Anderson und den NCI's Research Specialist 1 R50 CA243707-01A1 von Jared Burks unterstützt wird.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 10x TRIS-gepufferte Kochsalzlösung (TBS) pH 7,6 | Thermo Fisher Scientific | J62662 K7 | Für intermittierende Waschen zwischen den Schritten |
| 1x Opal-Antikörper-Verdünner/Block | Akoya Biosciences | ARD1001EA | Proteinblockierende Lösung |
| 1x Plus Automatisierungsverstärkungsverdünner | Akoya Biosciences | FP1609 | Verwendet zur Verdünnung von Opalfluorophoren |
| 20x Konzentrat Kochsalz-Natriumcitrat (SSC) Puffer | Sigma-Aldrich | S6639-1L | Für miRNA-Waschungen nach der Probe-Hybridisierung |
| 4',6-Diamidino-2-Phenylindol (DAPI) | Thermo Fisher Scientific/ Invitrogen | EN62248 / 62248 | Für die nukleare Färbung |
| ACD HybEZ II Hybridisierungssystem | ACD Biotechne | 321711 | Ofen zur Temperaturregulierung während des miRNAscope-Protokolls verwendet |
| Anti-CD8 (D8A8Y), Rabbit mAb | Zell-Signalisierungstechnologien | 85336S | Beispiel für einen primären Antikörper, der zur Optimierung dieses Protokolls verwendet wird |
| Anti-Digoxigenin (Maus) HRP-Konjugat | Revvity Health Sciences Inc. | NEF832001EA | Sekundäres Reagenz, das für den Nachweis von miRNA verwendet wird |
| Anti-EpCAM (E6V8Y), Rabbit mAb | Zell-Signalisierungstechnologien | 93790 | Beispiel für einen primären Antikörper, der zur Optimierung dieses Protokolls verwendet wird |
| Blockierendes Reagenzpulver | Akoya Biosciences | FP1012 | miRNA-Blockierungslösung |
| Ethylalkohol 100 % (200 Proof) | Pharmco | 111000200 | Für die Deparaffinisierung |
| EZ-AR1-Puffer | BioGeneX | HK521-XAK | Verwendet zur Antigenentnahme von FFPE-Gewebeschnitten im Proteinschritt |
| EZ-AR1 Elegance-Puffer | BioGeneX | HK546-XAK | Verwendet für die Antigenentnahme von FFPE-Gewebeschnitten im miRNA-Probeschritt |
| EZ-Retriever IR-System | BioGeneX | MW015-IR | Mikrowelle zur Antigenentnahme von FFPE-Gewebeschnitten verwendet |
| Wasserstoffperoxidlösung 30% | Sigma-Aldrich | HX0640-5 | Zur Gewebevorbereitung. Hilft, die endogene Peroxidase-Aktivität zu blockieren und stark gefärbte Produkte zu erzeugen |
| miR-181c-3p miRNA-Sonde | Qiagen | 339112 | Beispiel für eine miRNA-Sonde, die zur Optimierung dieses Protokolls verwendet wird |
| miRCURY LNA miRNA ISH Puffersatz (FFPE) | Qiagen | 339450 | Verwendet zur Verdünnung der miRNA-Sonde |
| Opal 620 | Akoya Biosciences | FP1495001KT | Fluorophor zur Identifizierung des primären Antikörpers |
| Opal 690 | Akoya Biosciences | FP1497001KT | Fluorophor zur Identifizierung des primären Antikörpers |
| Opal Anti-Ms + Rb HRP | Akoya Biosciences | ARH1001EA | Sekundärer Antikörper als Detektionsmittel verwendet |
| Pierce 16 % Formaldehyd (w/v), methanolfrei | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Um 3,7 % PFA für die Gewebevorbereitung herzustellen |
| ProLong-Diamant-Antifade | Thermo Fisher Scientific | P36970 | Montagemedien |
| RNAscope Protease Plus | ACD Biotechne | 322331 | Zur Permeabilisierung von Gewebeschnitten durch teilweise Proteinverdauung & Ziel-miRNA-Moleküle freizulegen |
| RNAse-freies Wasser | Corning | 46-000-CM | Alle Geräte zu reinigen und vorzubereiten und bei Bedarf als Verdünner zu verwenden, nbsp; |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P1379-25ML | Um TBS-T herzustellen |
| Tyramidsignalverstärkung plus Cyanin 3 | Akoya Biosciences | NEL744001KT | Fluorophor zur Identifikation von miRNA |
| U6- und Scramble-miRNA-Sonden | Qiagen | 339459 | Optionale Steuersonden |
| Xylenes histologischer Grad | Thermo Fisher Scientific | UN1307 | Für die Deparaffinisierung |
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