Qui, presentiamo un protocollo semi-automatizzato per l'identificazione e la quantificazione di cellule immunitarie e non immunitarie in sezioni cutanee utilizzando SCAnED, una macro gratuita basata su ImageJ per la segmentazione della pelle.
Articolo metodologico
Qui, presentiamo un protocollo semi-automatizzato per l'identificazione e la quantificazione di cellule immunitarie e non immunitarie in sezioni cutanee utilizzando SCAnED, una macro gratuita basata su ImageJ per la segmentazione della pelle.
La distribuzione spaziale delle cellule immunitarie e non immunitarie all'interno dei tessuti e l'espressione di marcatori cellulo-specifici forniscono informazioni essenziali sulla funzione cellulare in situ. La pelle umana è un organo altamente complesso con compartimenti definiti che comprendono diverse cellule con diversi fenotipi. Utilizzando la marcatura multifluorescenza, è possibile determinare e caratterizzare ulteriormente popolazioni di cellule cutanee distinte. Tuttavia, attualmente, la disponibilità di strumenti non commerciali per l'analisi delle immagini di campioni cutanei che consentono la segmentazione in silico di cellule specificamente all'interno dell'epidermide o del derma con una risoluzione di una singola cellula è limitata. Qui forniamo un protocollo passo-passo per la colorazione in immunofluorescenza di sezioni cutanee, la microscopia confocale e l'analisi delle immagini utilizzando il nostro strumento disponibile gratuitamente SCAnED (Skin Compartment Analysis of Epidermis and Dermis). La macro SCAnED consente l'identificazione e la classificazione precisa di cellule e nuclei sia nel compartimento epidermico che in quello dermico della pelle umana. Forniamo linee guida su come determinare i livelli medi di intensità dell'espressione di maker in diverse cellule e compartimenti cellulari, come il citoplasma e il nucleo, e su come quantificare le cellule che esprimono quantità variabili di questi marcatori con una pipeline Python di accompagnamento fornita come notebook Jupyter pronto all'uso eseguito in Google Colab. Questo protocollo consentirà agli utenti inesperti di determinare i profili di espressione specifici delle cellule all'interno del tessuto cutaneo e di fornire informazioni sulla distribuzione spaziale delle cellule all'interno dei compartimenti epidermico e dermico, consentendo una comprensione più profonda dell'intricata struttura dei tessuti e della composizione cellulare della pelle umana.
La comprensione dei tessuti cutanei a livello cellulare e la distinzione dei fenotipi cellulari, della morfologia e della loro localizzazione all'interno dei compartimenti epidermico e dermico sono fondamentali nella ricerca dermatologica e nell'istopatologia 1,2. La composizione cellulare all'interno dell'epidermide, che comprende cheratinociti, melanociti e cellule di Langerhans in condizioni sane, diventa notevolmente squilibrata nelle malattie infiammatorie della pelle e nel cancro. Inoltre, il fenotipo e la localizzazione delle cellule all'interno del derma, situate sotto l'epidermide e che ospitano i fibroblasti e la maggior parte delle cellule immunitarie, possono cambiare significativamente nella malattia. Pertanto, la segmentazione cellulare e dei nuclei è indispensabile per valutare gli attributi cellulari come il numero di cellule, l'espressione proteica, la morfologia e l'organizzazione spaziale e le caratteristiche del nucleo come le dimensioni, la forma e l'espressione del fattore di trascrizione, aiutando così nella comprensione dell'omeostasi cutanea e delle malattie 3,4,5.
Nonostante la disponibilità di piattaforme di analisi delle immagini generiche come QuPath6, CellProfiler7 e ilastik8, questi strumenti richiedono spesso un'ampia personalizzazione e scripting per adattarsi alla complessità strutturale e alla morfologia cellulare eterogenea del tessuto cutaneo. Pochi strumenti sono stati specificamente adattati per la segmentazione automatizzata dei compartimenti epidermici e dermici e molte soluzioni disponibili sono commerciali e non liberamente accessibili. Queste limitazioni rendono difficile per i non esperti implementare pipeline efficienti per l'analisi specifica della pelle.
Qui presentiamo un protocollo completo per l'analisi di cellule e nuclei all'interno del tessuto cutaneo e dei suoi compartimenti, che copre tutte le fasi vitali, dalla colorazione dei tessuti all'analisi delle immagini, utilizzando la nostra pipeline di analisi delle immagini semi-automatizzata. Iniziamo con informazioni dettagliate sulla colorazione in immunofluorescenza del tessuto cutaneo, inclusa la colorazione con E-caderina per la segmentazione dell'epidermide/derma e 4',6-diamidino-2-fenilindolo (DAPI) per la rilevazione di cellule/nuclei. Due marcatori di interesse, Vimentina (VIM) e CD90, sono stati inclusi a scopo di convalida. Si consiglia di utilizzare anticorpi a concentrazioni ottimizzate (vedere la Tabella 1) e di acquisire immagini utilizzando la microscopia confocale con impostazioni coerenti per l'intensità del laser, il tempo di esposizione e la risoluzione per garantire la riproducibilità.
Inoltre, presentiamo il nostro macro SCAnED, ImageJ9 progettato su misura, che sta per Skin Compartment Analysis of Epidermis e Dermis, e forniamo tutti i passaggi necessari per la segmentazione in silico e il rilevamento di nuclei e cellule sia all'interno dell'epidermide che del derma. Gli utenti possono scegliere tra due diversi metodi di rilevamento dei nuclei, utilizzando la soglia semplice e veloce o lo strumento di deep learning StarDist10 e il nostro modello di pelle addestrata, prima di procedere con il protocollo SCAnED. A differenza degli strumenti generali, SCAnED è stato sviluppato specificamente per l'istologia cutanea e li supera consentendo la compartimentazione automatica delle regioni epidermiche e dermiche e la quantificazione integrata di più marcatori in entrambe le regioni. Ciò è particolarmente utile per i ricercatori che non hanno esperienza nella programmazione o nell'apprendimento profondo, offrendo uno strumento pronto all'uso su misura per l'analisi delle immagini cutanee.
Mostriamo inoltre come i livelli medi di intensità per cellula vengono estratti da immagini di immunofluorescenza di un massimo di cinque distinti marcatori di interesse. Infine, forniamo un codice Python per l'analisi statistica dei dati ottenuti a singola cella scritti ed eseguiti in Google Colab11 e condivisi come Jupyter notebook. Il nostro protocollo e il macro SCAnED mirano a fornire ai ricercatori della pelle senza competenze avanzate di immunofluorescenza e calcolo uno strumento pratico per marcare e quantificare in modo semi-automatico le cellule e l'espressione dei marcatori nella pelle umana, concentrandosi sui compartimenti epidermico e dermico.
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1. Marcatura in immunofluorescenza di E-caderina, VIM e CD90 e colorazione nucleare con DAPI in sezioni cutanee incluse in paraffina
NOTA: Il protocollo mostra i passaggi per le sezioni incluse in paraffina. Per i campioni di tessuto freschi e congelati, fissare le sezioni di tessuto e continuare con il passaggio 1.3 del protocollo.
| Anticorpi e coloranti | Concentrazione lavorativa | Diluizione |
| anticorpo anti-Vimentina | 0,8 μg/mL | 1:50 |
| anticorpo anti-E-caderina | 1 μg/mL | 1:333 |
| anticorpo anti-CD90 | 1:1000 | |
| AF488 anti-mouse | 1:500 | |
| AF568 anti-coniglio | 1:500 | |
| AF647 anti-mouse | 1:500 | |
| DAPI | 1 μg/mL |
Tabella 1: Anticorpi e colorante.
| 1. Tampone di colorazione | ||
| Reagente | Concentrazione finale | Importo |
| BSA | 2% | 1 g |
| PBS | 1x | 50 ml |
| Totale | n/a | 50 ml |
| 2. Tampone di permeabilizzazione | ||
| Reagente | Concentrazione finale | Importo |
| Tritone X | 0.30% | 300 μl |
| PBS | 1x | 100 ml |
| Totale | n/a | 100 ml |
Tabella 2: Ricette per le soluzioni.
2. Imaging confocale
NOTA: Per questo protocollo è stato utilizzato un microscopio a scansione laser confocale, dotato di un obiettivo 10x (NA 0,4) e 4 linee laser (405 nm, 488 nm, 561 nm, 640 nm).

Figura 1: Colorazione in immunofluorescenza della sezione cutanea. DAPI: etichetta i nuclei, CD90: marcatore di fibroblasti, E-caderina: utilizzato per marcare l'epidermide, VIM: cellule che esprimono VIM, Merge: fusione di DAPI (magenta), CD90 (blu), E-caderina (giallo) e VIM (verde) colorazione. Barre di scala = 100μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Analisi delle immagini utilizzando la macro SCAnED (File supplementare 1, Video supplementare S1 e Video supplementare S2)

Figura 2: Analisi e separazione dei nuclei canale-specifici nei nuclei epidermici e dermici. La colorazione in immunofluorescenza di DAPI dimostra la morfologia e la distribuzione spaziale dei nuclei nell'intera pelle (immagine a sinistra). Rappresentazione dei nuclei dei nuclei epidermici colorati con DAPI, fornendo informazioni sulla distribuzione dei nuclei all'interno del compartimento epidermico (immagine centrale). Rappresentazione dei canali dei nuclei dermici colorati con DAPI, che offre la visualizzazione della distribuzione dei nuclei all'interno del compartimento dermico (immagine a destra). Barre di scala = 100μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Utilizzo dell'opzione "StarDist". Screenshot che evidenzia la posizione dell'opzione "StarDist 2D" all'interno del menu/Plugins/StarDist/StarDist 2D. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Istruzioni per l'uso del modello di rilevamento dei nuclei. Scarica il file "nuclei_detection_model.zip" e fornisci il suo percorso nella sezione Sfoglia . Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Configurazione delle impostazioni di misurazione. (A) Screenshot che evidenzia la posizione dell'opzione Imposta misure all'interno del menu, consentendo la personalizzazione dei parametri di misurazione per l'analisi successiva. (B) Casella Imposta misure che visualizza l'interfaccia per la regolazione delle impostazioni di misurazione, consentendo agli utenti di specificare i parametri per la raccolta e l'analisi dei dati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Vista ingrandita di una regione specifica. (A) Fusione di colorazione DAPI (magenta) e VIM (verde). (B) Vista ingrandita di una regione specifica da A, fornendo una visualizzazione dettagliata dell'espressione di VIM all'interno del tessuto cutaneo. Si prega di notare la diversa morfologia dei nuclei all'interno dell'epidermide e del derma. Barre di scala = 100 μm (A), 20 μm (B). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Segmentazione SCAnED nell'epidermide e nel derma per nuclei e cellule utilizzando la soglia. (A) Immagine intera: unione di colorazione DAPI (magenta) e VIM (verde). Parte superiore: (B) Fusione di nuclei epidermici colorati con DAPI e VIM dopo la separazione. (C) Maschera dei nuclei epidermici utilizzando la soglia. (D) Segmentazione dei nuclei epidermici sovrapposti alla fusione di DAPI e VIM, aiutando nella visualizzazione della distribuzione dei nuclei all'interno del compartimento epidermico. (E) Segmentazione cellulare di nuclei epidermici sovrapposti alla fusione di DAPI e VIM, aiutando nella visualizzazione della distribuzione dei nuclei all'interno del compartimento epidermico utilizzando la soglia e la dilatazione, in quanto mostra che la regione di selezione è più grande dei nuclei. Parte inferiore: (F) Fusione di nuclei dermici colorati con DAPI e VIM dopo la separazione. (G) Maschera dei nuclei dermici utilizzando la soglia. (H) Segmentazione dei nuclei dermici sovrapposti alla fusione di DAPI e VIM, aiutando nella visualizzazione della distribuzione dei nuclei all'interno del compartimento dermico. (I) Segmentazione cellulare di nuclei dermici sovrapposti alla fusione di DAPI e VIM, aiutando nella visualizzazione della distribuzione dei nuclei all'interno del compartimento dermico. Barre di scala = 20 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
4. Classificazione e visualizzazione dei dati estratti a singola cella (Video Supplementare S3)
NOTA: Ogni marcatore di immunofluorescenza genera due file CSV: uno per il compartimento epidermico e uno per il compartimento dermico.

Figura 8: Istogramma sovrapposto che confronta l'intensità media delle cellule VIM-positive. Sovrapposizione dell'istogramma che confronta l'intensità media delle cellule VIM in campioni sani (H) in blu e campioni di psoriasi (P) in arancione all'interno del derma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Doppi segnali positivi su un dot plot. Una dimostrazione del dot plot a doppia colorazione che può aiutare a migliorare la visualizzazione di popolazioni single-positive, double-positive e double-negative. Questo esempio mostra la doppia colorazione di CD90 e VIM nel derma di (A) pelle sana e (B) psoriasica, e nell'epidermide di (C) campioni di pelle sana e (D) psoriasica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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In uno studio precedente, abbiamo utilizzato con successo SCAnED per rilevare e quantificare le cellule e i livelli di espressione della lisil ossidasi (LOX), una proteina citoplasmatica, e del fattore di trascrizione ipossia-inducibile fattore 1 (HIF-1) nelle cellule all'interno del derma della pelle umana12 , evidenziando l'applicabilità di questo strumento per la ricerca sulla pelle.
Per valutare ulteriormente la precisione della nostra macro segmentazione cutanea ne...
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Il protocollo SCAnED è un metodo semi-automatico per l'analisi compartimentale specifica di cellule immunitarie e non immunitarie nel tessuto cutaneo umano. Il flusso di lavoro integra un protocollo di colorazione basato su E-caderina per consentire la segmentazione dell'epidermide e del derma, il rilevamento di nuclei e cellule basati su DAPI, seguito dalla quantificazione dell'espressione dei marcatori nei nuclei e nelle cellule utilizzando la nostra macro basata su ImageJ. Inoltre, gu...
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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Lo sviluppo di questa pipeline di analisi delle immagini è stato finanziato dal Land Niederösterreich nell'ambito del Danube Allergy Research Cluster e dal Fellinger Krebsforschung.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 0,3% Triton X | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| BSA (albumina sierica bovina) | Sigma Aldrich | ||
| CD90 | Segnalazione cellulare | D3V8A | |
| DAPI | Roche | 10236276001 | |
| Acqua deionizzata | |||
| E-cadherina | Abcam | ab1416 | |
| Mezzo di montaggio a fluorescenza | Dako | S3023 | |
| Anticorpo secondario anti-topo IgG1 adsorbito incrociato per capra, Alexa Fluor 488 (AF 488 anti-topo) | Thermo Fisher Scientific | A-21121 | |
| Anticorpo secondario anti-topo IgG2a adsorbito incrociato per capra, Alexa Fluor 647 (AF 647 anti-mouse) | Thermo Fisher Scientific | A-21241 | |
| Anticorpo secondario anti-coniglio IgG (H+L) adsorbito incrociato per capra, Alexa Fluor 568 (AF 568 anti-coniglio) | Thermo Fisher Scientific | A-11011 | |
| Siero per capra | Agilent Technologies & Ouml; sterreich GmbH, Dako | X0907 | |
| PBS | Gibco | 14190-094 | |
| Vimentin | Dako | M7020 | |
| Materiali | |||
| Camera box (scatola umida) | |||
| Copertine & nbsp; | Thermo Fisher | ||
| Penna a scorrimento repellente per colorazioni (idrofobica) & nbsp; | Daido Sangyo | Z377821 | 24x50mm |
| Soluzioni | |||
| Buffer di permeabilizzazione (0,3% Triton X in PBS) | Consulta la Tabella 2 | ||
| Tampone di colorazione (2% BSA in PBS) & nbsp; | Consulta la Tabella 2 | ||
| Software e Dataset | |||
| Microscopio a scansione laser confocale | Olimpo | FV3000 basato su IX83 invertita | equipaggiata con un obiettivo 10x (NA 0,4), 4 linee laser (405 nm, 488 nm, 561 nm, 640 nm, coerente) |
| Fiji (ImageJ) | V1.54h | ||
| Google Colab | |||
| GraphPad Prism | GraphPad Software Inc. | Prisma 10 | per ulteriori analisi statistiche |
| ALONE | Indica Labs | ||
| Programma Python | Python 3.11.12 | ||
| QuPath | software aperto (Bankhead, P. et al., https://doi.org/10.1038/s41598-017-17204-5) | v0.5.1 | |
| StarDist | Installa la versione CPU di TF1.15.0 |
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