ここでは、皮膚セグメンテーション用の無料のImageJベースのマクロであるSCAnEDを使用して、皮膚切片の免疫細胞と非免疫細胞を同定および定量するための半自動プロトコルを紹介します。
方法論記事
ここでは、皮膚セグメンテーション用の無料のImageJベースのマクロであるSCAnEDを使用して、皮膚切片の免疫細胞と非免疫細胞を同定および定量するための半自動プロトコルを紹介します。
組織内の免疫細胞と非免疫細胞の空間分布と細胞特異的マーカーの発現は、その 場での細胞機能に関する重要な情報を提供します。人間の皮膚は、多様な表現型を持つさまざまな細胞で構成される明確なコンパートメントを持つ非常に複雑な器官です。多蛍光標識を使用することにより、異なる皮膚細胞集団を決定し、さらに特性評価することができます。しかし、現在、表皮または真皮内の細胞を単一細胞解像度でイン シリコ でセグメンテーションできる皮膚サンプルの画像解析のための非商用ツールの利用可能性は限られています。ここでは、無料で入手できるツールSCAnED(Skin Compartment Analysis of Epidermis and Dermis)を使用した皮膚切片の免疫蛍光染色、共焦点顕微鏡、および画像分析のための段階的なプロトコルを提供します。SCAnEDマクロは、ヒトの皮膚の表皮と真皮の両方のコンパートメントにある細胞と核の正確な識別と分類を可能にします。細胞質や核などのさまざまな細胞や細胞コンパートメントにおけるメーカー発現の平均強度レベルを決定する方法と、Google Colabで実行されるすぐに使用できるJupyterノートブックとして提供される付属のPythonパイプラインを使用して、さまざまな量のこれらのマーカーを発現する細胞を定量する方法に関するガイドラインを提供します。このプロトコルにより、経験の浅いユーザーでも皮膚組織内の細胞特異的発現プロファイルを決定し、表皮および真皮コンパートメント内の細胞の空間分布に関する洞察が得られ、人間の皮膚の複雑な組織構造と細胞組成をより深く理解できるようになります。
細胞レベルで皮膚組織を理解し、表皮と真皮の両方のコンパートメント内での細胞表現型、形態、およびそれらの局在を識別することは、皮膚科学研究と組織病理学において極めて重要です1,2。ケラチノサイト、メラノサイト、ランゲルハンス細胞を含む表皮内の細胞組成は、健康な状態では、炎症性皮膚疾患やがんでは大幅に不均衡になります。さらに、表皮の下に位置し、線維芽細胞と免疫細胞の大部分を保有する真皮内の細胞の表現型と局在は、疾患において大きく変化する可能性があります。したがって、細胞および核のセグメンテーションは、細胞数、タンパク質発現、形態および空間組織などの細胞属性、およびサイズ、形状、転写因子発現などの核特性を評価するために不可欠であり、それによって皮膚の恒常性と疾患の理解を助けます3,4,5。
QuPath6、CellProfiler7、ilastik8などの汎用画像解析プラットフォームが利用可能であるにもかかわらず、これらのツールは、皮膚組織の構造の複雑さや不均一な細胞形態に適応するために、広範なカスタマイズとスクリプト作成を必要とすることがよくあります。表皮と真皮のコンパートメントの自動セグメンテーション用に特別に調整されたツールはほとんどなく、利用可能なソリューションの多くは商用であり、自由にアクセスできません。これらの制限により、専門家でない人が皮膚固有の分析のための効率的なパイプラインを実装することが困難になります。
ここでは、半自動画像解析パイプラインを使用した組織染色から画像解析までのすべての重要なステップをカバーする、皮膚組織とそのコンパートメント内の細胞と核を分析するための包括的なプロトコルを提示します。表皮/真皮セグメンテーションのためのE-カドヘリンによる染色や、細胞/核検出のための4',6-ジアミジノ-2-フェニルインドール(DAPI)による染色など、皮膚組織の免疫蛍光染色に関する詳細な情報から始めます。検証の目的で、ビメンチン(VIM)とCD90の2つのマーカーが含まれていました。再現性を確保するために、最適化された濃度の抗体を使用し( 表1を参照)、レーザー強度、露光時間、解像度を一貫した設定で共焦点顕微鏡を使用して画像をキャプチャすることをお勧めします。
さらに、カスタム設計のImageJ9 マクロSCAnED( Skin Compartment Analysis of Epidermisと Dermisの略)を紹介し、表皮と真皮の両方の核と細胞のイン シリコ セグメンテーションと検出に必要なすべてのステップを提供します。ユーザーは、SCAnEDプロトコルに進む前に、シンプルで高速な閾値処理、またはディープラーニングツールStarDist10 とトレーニングされた皮膚モデルのいずれかを使用して、2つの異なる核検出方法から選択できます。一般的なツールとは異なり、SCAnEDは皮膚組織学専用に開発されており、表皮と真皮領域の自動区画化と、両方の領域にわたる複数のマーカーの統合定量化を可能にすることで、それらを上回っています。これは、プログラミングやディープラーニングの専門知識が不足している研究者にとって特に役立ち、肌画像分析に合わせたすぐに使用できるツールを提供します。
さらに、最大5つの異なる目的のマーカーの免疫蛍光画像から、細胞あたりの平均強度レベルがどのように抽出されるかを示します。最後に、Google Colab11 で記述・実行し、Jupyterノートブックとして共有した取得したシングルセルデータの統計解析のためのPythonコードを提供します。当社のプロトコルとSCAnEDマクロは、高度な免疫蛍光とコンピューティングの専門知識を持たない皮膚研究者に、表皮と真皮のコンパートメントに焦点を当てて、ヒトの皮膚の細胞とマーカーの発現を標識および半自動定量化するための実用的なツールを提供することを目的としています。
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1. E-カドヘリン、VIM、CD90の免疫蛍光標識、パラフィン包埋皮膚切片におけるDAPIによる核染色
注:プロトコルは、パラフィン包埋切片の手順を示しています。新鮮および凍結組織サンプルの場合は、組織切片を固定し、プロトコルのステップ1.3に進みます。
| 抗体と色素 | 作業集中 | 希釈 |
| 抗ビメンチン抗体 | 0.8 μg/mL | 1:50 |
| 抗E-カドヘリン抗体 | 1 μg/mL | 1:333 |
| 抗CD90抗体 | 1:1000 | |
| AF488 アンチマウス | 1:500 | |
| AF568アンチウサギ | 1:500 | |
| AF647アンチマウス | 1:500 | |
| DAPIの | 1 μg/mL |
表1:抗体と色素。
| 1.染色バッファー | ||
| 試薬 | 最終濃度 | 量 |
| BSAの | 2% | 1グラム |
| PBSの | 1倍 | 50ミリットル |
| トータル | 該当なし | 50ミリットル |
| 2. 透過処理バッファー | ||
| 試薬 | 最終濃度 | 量 |
| トリトンX | 0.30% | 300 μL |
| PBSの | 1倍 | 100ミリットル |
| トータル | 該当なし | 100ミリットル |
表2:ソリューションのレシピ。
2. 共焦点イメージング
注:このプロトコルでは、10倍の対物レンズ(NA 0.4)と4本のレーザーライン(405 nm、488 nm、561 nm、640 nm)を備えた共焦点レーザー走査顕微鏡を使用しました。

図1:皮膚切片の免疫蛍光染色。 DAPI:核を標識、CD90:線維芽細胞マーカー、E-カドヘリン:表皮の標識に使用、VIM:VIM発現細胞、マージ:DAPI(マゼンタ)、CD90(青)、E-カドヘリン(黄色)、およびVIM(緑)染色のマージ。スケールバー = 100μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
3. SCAnEDマクロを用いた画像解析(補足ファイル1、補足ビデオS1、補足ビデオS2)

図2:表皮および真皮核におけるチャネル特異的核の分析と分離。 DAPIの免疫蛍光染色は、皮膚全体の核の形態と空間分布を示しています(左の画像)。DAPIで染色された表皮核の核チャネル表現により、表皮コンパートメント内の核の分布に関する洞察が得られます(中央の画像)。DAPIで染色された真皮核の核チャネル表現により、真皮コンパートメント内の核分布を視覚化します(右の画像)。スケールバー = 100μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:「StarDist」オプションの使用 メニュー/Plugins/StarDist/StarDist 2D 内の「StarDist 2D」オプションの場所を強調表示するスクリーンショット。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:核検出モデルの使用手順。 「nuclei_detection_model.zip」ファイルをダウンロードし、[ 参照 ] セクションにそのファイル パスを入力します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:測定設定の構成。(A)メニュー内の[測定値を設定]オプションの場所を強調表示し、後続の分析のために測定パラメータをカスタマイズできるスクリーンショット。(B) 測定設定を調整するためのインターフェイスを表示する測定設定ボックスで、ユーザーはデータ収集と分析のためのパラメータを指定できます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:特定の領域の拡大図。 (A)DAPI(マゼンタ)とVIM(緑)染色のマージ。(B)Aからの特定の領域の拡大ビューで、皮膚組織内のVIM発現を詳細に視覚化します。表皮と真皮内の核の形態が異なることに注意してください。スケールバー = 100 μm (A)、20 μm (B)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図7:閾値を使用した核と細胞の表皮と真皮のSCAnEDセグメンテーション。 (A)全体像:DAPI(マゼンタ)とVIM(緑)染色のマージ。上部:(B)分離後にDAPIとVIMで染色した表皮核の融合。(C)閾値を使用した表皮核のマスク。(D)DAPIとVIMのマージに重ねられた表皮核の核セグメンテーションは、表皮コンパートメント内の核分布の視覚化を助けます。(E)DAPIとVIMのマージに重ねられた表皮核の細胞セグメンテーションは、選択領域が核よりも大きいことを示すため、閾値と拡張を使用して表皮コンパートメント内の核分布の視覚化を支援します。下部:(F)分離後にDAPIとVIMで染色した真皮核の融合。(G)閾値を使用した真皮核のマスク。(H)DAPIとVIMのマージに重ねられた真皮核の核セグメンテーションは、真皮コンパートメント内の核分布の視覚化を助けます。(I)DAPIとVIMのマージに重ねられた真皮核の細胞セグメンテーションは、真皮コンパートメント内の核分布の視覚化を助けます。スケールバー = 20 μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
4. 抽出した単一細胞データの分類と可視化(補足動画S3)
注:各免疫蛍光マーカーは、表皮コンパートメント用と真皮コンパートメント用の2つのCSVファイルを生成します。

図8:VIM陽性細胞の平均強度を比較したオーバーレイヒストグラム。 真皮内の健康なサンプル (H) の青色と乾癬サンプル (P) のオレンジ色の VIM 細胞の平均強度を比較するヒストグラム オーバーレイ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図9:ドットプロット上の二重正の信号。 単一陽性、二重陽性、および二重陰性集団のより良い視覚化に役立つ二重染色ドットプロットのデモンストレーション。この例は、(A)健康な皮膚と(B)乾癬の皮膚の真皮、および(C)健康な乾癬の皮膚サンプルの表皮におけるCD90とVIMの二重染色を示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
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以前の研究では、SCAnEDを使用して、ヒト皮膚の真皮内の細胞における細胞と細胞質タンパク質であるリシルオキシダーゼ(LOX)と転写因子低酸素誘導因子1(HIF-1)の発現レベルを検出および定量することに成功しました12 、皮膚研究へのこのツールの適用性を強調しました。
表皮および真皮コンパートメント内の細胞および核の識別における皮膚セグメンテーションマクロの精度をさらに評価するために、パラフィンが埋め込まれた健康および炎症を起こした乾癬皮膚組織サンプルを、核および表皮/真皮のセグメンテーションのためのDAPIおよびE-カドヘリンで染色し、VIMおよびCD90を代表的なマーカーとして組み合わせました。III型中間フィラメントであるVIMとCD90はどちらも、線維芽細胞などの真皮の間葉系細胞で主に発現しており、ランゲルハンス細胞、他の免疫細胞、メラノサイトなどのいくつかの表皮細胞もこれらのマーカーを発現します13,14。...
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SCAnEDプロトコルは、ヒト皮膚組織の免疫細胞と非免疫細胞の両方のコンパートメント特異的分析のための半自動方法です。このワークフローは、E-カドヘリンベースの染色プロトコルを統合して、表皮と真皮のセグメンテーション、DAPIベースの核と細胞の検出を可能にし、その後、ImageJベースのマクロを使用して核と細胞のマーカー発現を定量化します。さらに、抽出された単一セルデータを視覚化するためのPythonワークフローの分析をユーザーにガイドします。このプロトコルは柔軟性があり、最大5つの異なる対象マーカーの分析をサポートします。
SCAnEDの強みの1つは、表皮と真皮の領域を区別できることです。細胞の区画化された分析は、感染または炎症中の特定の皮膚領域への免疫細胞浸潤を標的とする研究において、正確な定量化に不可欠です。たとえば、健康な皮膚サンプルと炎症性皮膚疾患乾癬患者の皮膚を比較したところ、健康な皮膚の表皮には VIM 陽性細胞の 5% しか存在しないのに対し、この値は乾癬サンプルでは約 8% に増加することが明らか...
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著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
この画像解析パイプラインの開発は、ドナウ川アレルギー研究クラスターの一部としてLand NiederösterreichとFellinger Krebsforschungによって資金提供されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.3% トリトン X | シグマ・オルドリッチ | T9284 | |
| BSA(牛血清アルブミン) | シグマ・オルドリッチ | ||
| CD90 | 細胞シグナル伝達 | D3V8A | |
| DAPI | ロシュ | 10236276001 | |
| 脱イオン水 | |||
| E-カデリン | アブカム | AB1416 | |
| 蛍光マウント培地および | ダコ | S3023 | |
| ヤギ抗マウスIgG1交差吸着二次抗体、Alexa Fluor 488 (AF 488 アンチマウス) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A-21121 | |
| ヤギ抗マウスIgG2a交差吸着二次抗体、Alexa Fluor 647(AF 647抗マウス抗体) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A-21241 | |
| ヤギ抗ウサギIgG(H+L)交差吸着二次抗体、Alexa Fluor 568(AF 568 抗ウサギ抗体) | サーモフィッシャー・サイエンティフィック | A-11011 | |
| ヤギ血清 | アジレント・テクノロジーズÖsterreich GmbH、ダコ | X0907 | |
| PBS | ギブコ | 14190-094 | |
| ヴィメンティン | ダコ | M7020 | |
| <ストロング>マテリアルズ | |||
| チャンバーボックス(ウェットボックス) | |||
| カバースリップ | サーモ・フィッシャー | ||
| 液体をはじくスライドマーカーペンで、着色(疎水性) | 大堂上業 | Z377821 | 24×50mm |
| Solutions | |||
| 透過バッファー(PBS中の0.3% Triton X)およびnbsp; | 表2を参照してください | ||
| 染色バッファー(PBS中の2% BSA) | 表2を参照してください | ||
| Software and Datasets | |||
| 共焦点レーザー走査顕微鏡 | オリンポス | 逆さまのIX83をベースにしたFV3000 | 10倍対物レンズ(NA 0.4)、4本のレーザーライン(405 nm、488 nm、561 nm、640 nm、コヒーレント)を装備 |
| フィジー(ImageJ) | V1.54h | ||
| Google Colab | ググる | ||
| GraphPadプリズム | グラフパッド・ソフトウェア株式会社 | プリズム10 | さらなる統計解析のために |
| 後光 | インディカ・ラボ | ||
| Pythonプログラム | Python 3.11.12 | ||
| クパス | オープンソフトウェア(Bankhead, P. et al, https://doi.org/10.1038/s41598-017-17204-5) | v0.5.1 | |
| スターディスト | TF1.15.0のCPUバージョンをインストールする |
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