ソース: トーマス・チャフィー1, トーマス・S・グリフィス2,3,4,キャサリン・L・シュヴェルトフェガー1,3,4
1ミネソタ大学ミネソタ大学研究室医学病理学科,ミネアポリス,MN 55455
2ミネソタ大学泌尿器科,ミネアポリス,MN 55455
3ミネソタ大学、ミネアポリス、MN 55455
4ミネソタ大学免疫学センター,ミネアポリス,MN 55455
組織切片の病理学的解析は、正常な組織構造のより良い理解を得るために使用することができ、疾患のメカニズムの理解に貢献することができます。組織生検は、患者または生体内モデルの実験から、ホルマリンまたはパラホルムアルデヒドで固定し、パラフィンワックスに埋め込むことによって保存されることが多い。これは長期貯蔵およびティッシュが切除されることを可能にする。組織はマイクロトームを使用して薄い(5 μm)セクションに切断され、セクションはガラススライドに付着している。組織セクションは抗体で染色することができ、組織セクション内の特定のタンパク質の検出を可能にします。蛍光色素(フルオロクロムとも呼ばれる)に結合した抗体を用いた染色は、レーザーによって励起されたときに特定の波長で発光する化合物であり、免疫蛍光として知られている。セクション内のタンパク質を検出する機能は、組織内の細胞型の不均一性、特定のシグナル伝達経路の活性化、バイオマーカーの発現などの情報を提供できます。使用される蛍煙素や分析に利用できる顕微鏡の種類に応じて、複数の色を使用することができ、ターゲットの多重分析が可能です。
以下のプロトコルは、パラフィン埋め込組織セクションの免疫蛍光染色に関与する基本的なステップを概説する。このプロトコルは、組織の固定、パラフィン埋め込みのプロセス、または組織の断面に関する詳細を含まないことに注意することが重要です。組織が切り分けされ、ガラススライド上に置かれると、それらは一連の等級のエタノール(EtOH)インキュベーションを通して再水和される。セクションは、組織セクションへの抗体の非特異的結合を減少させるためにブロッキング試薬でインキュベートされる。その後、セクションは、蛍舞体で直接標識されてもよいし、そうでないかもしれない一次抗体でインキュベートされる。一次抗体が直接標識されていない場合、セクションは、フッ素で標識された二次抗体でインキュベートされます。異なる抗体は、異なる染色条件を必要とし、したがって、抗体の最適化のための提案が含まれる。すべての結合されていない抗体を除去するために洗浄した後、スライドは、核を蛍光標識するためにDAPIを含む媒体で取り付けられる。取り付け媒体が乾燥したら、異なる蛍光色素を検出できるレーザーを使用してスライドを画像化できます。
1. セットアップ
2. プロトコル
3. データ分析と結果
細胞内のタンパク質の機能は、細胞内の適切な局在化に大きく依存します。免疫蛍光顕微鏡は、蛍光色素を用いて細胞内でタンパク質を可視化する方法である。蛍光色素は、励起と呼ばれるプロセスによって特定の波長で光エネルギーを吸収し、発光と呼ばれる異なる波長ですぐにエネルギーを放出する分子である蛍光色素です。
蛍光色素は、標的特異的抗体に結合し、免疫染色によって培養細胞または組織に導入される。この一次抗体が目的のタンパク質に結合すると、タンパク質は蛍光色素で標識されます。あるいは、蛍光色素は、一次抗体の代わりに二次抗体に共役することができ、二次抗体は、標的を標識するタンパク質一次抗体複合体に結合する。その後、サンプルは蛍光標識を保持するためにアンチフェード取り付け媒体で密封され、蛍光顕微鏡でイメージングする準備が整います。
蛍光顕微鏡には強力な光源が装備されています。光線は最初に励起フィルタを通過し、励起波長の光のみが通過します。励起光は、ダイクロイックミラーまたはビームスプリッタと呼ばれる特殊なミラーに到達し、対物レンズに向かって励起波長を選択的に反射するように設計されています。レンズは、サンプル内の小さな領域に光を焦点を当てます。サンプルに到達すると、光は蛍光素を励起し、異なる波長で光エネルギーを放出します。この光は、対物レンズを通してダイクロイックミラーに送り返されます。発光波長は励起波長と異なるので、ダイクロイックミラーは発光光を通過することができます。次に、発光フィルタと呼ばれる2番目のフィルタを通過し、存在する可能性のある他の波長から光を除去します。その後、光線はアイピースまたはカメラに到達し、特定の蛍光体から放出された光から作成された拡大画像を提示します。この画像は、細胞内の目的タンパク質の位置を表す。
DNA結合蛍光色素は、細胞内の基準点として核を標識する免疫染色と共にしばしば使用される。異なる励起放出波長を持つ複数の異なる蛍光色素は、同じサンプル内の異なるタンパク質に使用して、タンパク質の局在化を比較することができます。
このビデオは、組織サンプル中の目的のタンパク質の免疫蛍光染色の手順を示し、その後、蛍光顕微鏡でサンプルをイメージングする。
染色プロセスを開始する前に、埋め込みプロセス中に脱水されたセクションは、水分補給する必要があります。これを行うには、まずスライドをスライドホルダーに入れ、次に100%Xlene異体素でスライドを完全に水没させます。スライドが 3 分間インキュベートできるようにします。その後、容器からスライドを取り出し、ペーパータオルで余分なキシレンを拭き取り、さらに3分間、新鮮な容器に新しいキシレン浴に入れます。新鮮なキシレンを入れた新しい容器でこのインキュベーションを毎回繰り返し、ペーパータオルでスライドを拭き取ってから、新しい容器に移す前に、合計3回のインキュベーションを行います。次に、100%エタノールから2分間、一連の等級付きエタノール溶液でセクションをインキュベートします。スライドラックをペーパータオルで拭き取り、スライドを100%エタノールの新しい容器に移し、さらに2分間使用します。ペーパータオルで余分なエタノールを拭き取り、指定された時間のエタノールの指定濃度に従って、新しい浴場にスライドを移す洗浄のサイクルを続けます。最終的なエタノール洗浄の後、余分な溶液を振り落とし、5分間1X PBSでスライドをインキュベートします。
染色プロセスを開始するには、まず、PAP ペンでセクションを丸で囲み、バッファーがカバーする必要がある最小領域を識別します。スライド上のセクションが明確にマークされたら、各スライドに100マイクロリットルのブロッキングバッファを追加し、セクション表面全体をカバーするようにします。組織がブロッキングバッファーで覆われた後、加湿室にスライドを置きます。スライドをそのままにして室温で1時間インキュベートします。
目的のインキュベーション時間に従って、スライドから排出してブロッキングバッファを取り除きます。次に、ブロッキングバッファー内の一次抗体を希釈する。1:100希釈の場合、1.5ミリリットルの遠心管に990マイクロリットルのブロッキングバッファーを追加し、続いて10マイクロリットルの一次抗体を同じチューブに追加します。1つのスライドにコントロールとしてラベルを付け、100マイクロリットルのブロッキングバッファを追加します。この対照は、二次抗体の任意の非特異的結合を同定するのに役立つ。次に、残りのスライドに100マイクロリットルの一次抗体バッファーを追加します。暗闇の中で、4度の摂氏で加湿室で一晩セクションをインキュベートします。
一晩インキュベーションに続いて、チャンバから切片を取り出し、各スライドおよびブロッキングバッファーから一次抗体を排出する。スライドをスライドラックに入れ、1X PBSでそれぞれ10分間3回洗います。スライドが1X PBSで洗浄している間、ブロッキングバッファーで二次抗体を希釈する。1:200希釈の場合、1.5ミリリットルチューブに995マイクロリットルのブロッキングバッファーを追加し、続いて同じチューブに2次抗体の5マイクロリットルを追加します。コントロールを含むすべてのセクションに二次抗体を追加し、光から保護された加湿室で1時間インキュベートします。タイマーが鳴ったら、インキュベーターからスライドを取り外します。二次抗体を切り離します。二次抗体を取り除いたら、スライドをスライドラックに入れ、スライドを1X PBSで10分間完全に水没させ、光から保護します。この洗浄を3回繰り返し、各洗浄に新鮮な1X PBSを使用します。洗い流しの後、各スライドにDAPIを含む取り付けメディアを2~3滴追加し、サンプルにガラスカバースリップを配置します。蛍光スコープを使用してセクションをイメージングする前に、スライドを暗い場所で一晩乾燥させます。
イメージング中、画像キャプチャの詳細は、利用可能な特定の顕微鏡とソフトウェアに依存します。ただし、この特定の例では、ソフトウェアライカアプリケーションスイート、バージョン3。8は、分析を行うために使用される。このプログラムを使用して、[取得]タブとイメージオーバーレイ集録モードをクリックして、DAPIとRFPの両方を有効にします。次に、DAPI と RFP の両方の露出、ゲイン、およびガンマを調整し、ソフトウェアで定義された既定の設定を使用して初期設定を行い、露出時間とゲインを変更して明るさを最適化します。サンプルの画像飽和および光漂白を避けるために望ましい。ガンマは、画像の暗い領域を最適化するために変更できます。
設定を調整したら、[オーバーレイの取得] ボタンを押して、DAPI と RFP 露出のオーバーレイ イメージを作成します。この例画像は、実証された技術を用いて捕捉され、マウス乳腺腫瘍セクションを示し、抗原を検出する抗体F4/80で染色され、マクロファージおよび他の骨髄細胞上に赤色で描かれた。DAPI含有実装媒体を用いたので、核は青色で示される。イメージングからのデータは、組織セクション内のタンパク質の強度と局在化に関する情報を提供します。
例えば、F4/80で染色された腫瘍の画像では、この抗原の細胞表面染色が観察される。これらのデータはまた、組織セクション内の特定の細胞集団の頻度に関する情報を提供することができる。これは、正に染色された細胞の数を数え、ここでは赤色で示し、それを総細胞集団と比較し、青色で示し、以下の式を用いて周波数を計算することによって定量することができる。
図1:乳腫瘍部のF4/80染色。固定後、マウス乳腺腫瘍を抗F4/80で切り分けて染色し、DAPI含有マウントメディアを用いて取り付けた。染色は、細胞表面F4/80染色によって赤色で示される。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
画像化から得られたデータは、組織セクション内のタンパク質の発現の強度および局在化に関する情報を提供する。調べられているタンパク質に応じて、これらのデータは、組織セクション内の特定の細胞集団の頻度に関する情報を提供することもできます。これは、正に染色された細胞の数をカウントし、総細胞集団と比較することによって定量することができます。
免疫蛍光は、組織セクションのコンテキスト内でタンパク質発現および局在化の調査を可能にする。この技術は、正常および疾患組織におけるタンパク質局在化または細胞数を調べることによって、組織が疾患の文脈でどのように変化するかを理解するために使用することができる。ローカリゼーションまたは式パターンの変更は、サンプルの特定の属性を決定してリンクできます。
The function of a protein in a cell is largely dependent on its proper localization within the cell. Immunofluorescence microscopy is a method by which a protein can be visualized inside cells using fluorescent dyes. A fluorescent dye is a fluorophore, that is a molecule that absorbs light energy at a specific wavelength by a process called excitation, and then immediately releases the energy at a different wavelength, known as emission.
Fluorescent dyes are conjugated to a target-specific antibody and introduced into cultured cells or tissue by immunostaining. When this primary antibody binds to the protein of interest, the protein gets labeled with the fluorescent dye. Alternatively, the fluorescent dye can be conjugated to a secondary antibody, instead of the primary antibody, and the secondary antibody binds to the protein primary antibody complex to label the target. After that, the sample is sealed in an antifade mounting medium to preserve the fluorescence labeling and is then ready for imaging on a fluorescence microscope.
A fluorescence microscope is equipped with a powerful light source. The light beam first passes through an excitation filter, which allows only the light at the excitation wavelength to pass through. The excitation light then reaches a specialized mirror, called a dichroic mirror or a beam splitter, which is designed to selectively reflect the excitation wavelength towards an objective lens. The lens then focuses the light onto a small region in the sample. Upon reaching the sample, the light excites the fluorophores, which then emit the light energy at a different wavelength. This light is transmitted back through the objective lens to the dichroic mirror. Since the emission wavelength is different from the excitation wavelength, the dichroic mirror allows the emission light to pass through. Then, it goes through a second filter, called the emission filter, which eliminates light from any other wavelengths that may be present. After that, the light rays now reach the eyepiece or camera, where they present a magnified image created from the emitted light from the specific fluorophores. This image represents the location of the protein of interest within the cell.
DNA binding fluorescent dyes are often used along with immunostaining to label nuclei as a point of reference within the cells. Multiple different fluorophores, with different excitation emission wavelengths, can be used for different proteins within the same sample to compare localization of the proteins.
This video demonstrates the procedure for immunofluorescent staining of a protein of interest in a tissue sample followed by imaging the sample on a fluorescence microscope.
Before beginning the staining process, the sections, which were dehydrated during the embedding process, need to be rehydrated. To do this, first, place the slides into a slide holder and then completely submerge the slides in 100% Xlene isomers. Allow the slides to incubate for three minutes. Then, remove the slides from the container, wipe off any excess Xylene with a paper towel, and place them into a new Xylene bath in a fresh container, for a further three minutes. Repeat this incubation each time in a new container with fresh Xylene and wiping down the slides with paper towels before transferring to the new container, for a total of three incubations. Next, incubate the sections in a series of graded ethanol solutions, starting with 100% ethanol for two minutes. Wipe off the slide rack with a paper towel, and transfer the slides to a new container of 100% ethanol for another two minutes. Continue the cycle of washing, wiping excess ethanol with a paper towel, and transferring the slides to a new bath, following the indicated concentrations of ethanol for the specified time. After the final ethanol wash, shake off the excess solution and incubate the slides in 1X PBS for five minutes.
To begin the staining process, first, circle the sections with a PAP pen to identify the minimal area that the buffers need to cover. Once the sections are clearly marked on the slide, add 100 microliters of blocking buffer to each slide, making sure to cover the entire section surface. After the tissues are covered in blocking buffer, place the slides in a humidified chamber. Leave the slides to incubate for one hour at room temperature.
Following the desired incubation time, remove the blocking buffer by draining it off the slide. Next, dilute the primary antibody in blocking buffer. For a 1:100 dilution, add 990 microliters of blocking buffer to a 1.5 milliliter centrifuge tube, followed by 10 microliters of the primary antibody to the same tube. Label one slide as a control and then add 100 microliters of blocking buffer. This control will help identify any non-specific binding of the secondary antibody. Now, add 100 microliters of primary antibody buffer to the remaining slides. Incubate the sections overnight in a humidified chamber at four degrees celsius, in the dark.
Following the overnight incubation, remove the sections from the chamber and drain the primary antibody off each slide and the blocking buffer from the control. Place the slides into a slide rack and then wash them three times in 1X PBS for ten minutes each. While the slides are washing in 1X PBS, dilute the secondary antibody in blocking buffer. For a 1:200 dilution, add 995 microliters of blocking buffer to a 1.5 milliliter tube, followed by five microliters of the secondary antibody to the same tube. Add the secondary antibody to all of the sections, including the control, and incubate them for one hour in a humidified chamber protected from light. When the timer sounds, remove the slides from the incubator. Drain the secondary antibody off the sections. Once the secondary antibody is removed, place the slides in a slide rack and then completely submerge the slides in 1X PBS for 10 minutes, protected from light. Repeat this wash three times, using fresh 1X PBS for each wash. Following the washes, add two to three drops of mounting media containing DAPI to each slide and place a glass coverslip on the samples. Allow the slides to dry overnight in a dark place before imaging the sections using a fluorescent scope.
During imaging, the details of image capture will depend upon the specific microscope and software available. However, in this particular example, the software Leica Application Suite, Version 3. 8, is used to perform the analysis. Using this program, click on the Acquire tab and in Image Overlay Acquisition mode, enable both DAPI and RFP. Next, adjust the Exposure, Gain, and Gamma for both DAPI and RFP, by taking an initial using the default settings defined by the software, and then optimizing for brightness by modifying the exposure time and the gain, keeping in mind that minimal optimal settings are desirable to avoid image saturation and photobleaching of the samples. Gamma can be modified to optimize darker areas of an image.
Once the settings are adjusted, press the Acquire Overlay button to create overlay images of the DAPI and RFP exposures. This example image, captured using the demonstrated technique, shows a mouse mammary tumor section, stained with the antibody F4/80, which detects an antigen, depicted in red, on macrophages and other myeloid cells. Since DAPI-containing mounting media was used, nuclei are shown in blue. The data from the imaging will provide information regarding the intensity and localization of the protein within the tissue section.
For example, in the image of the tumor stained with F4/80, cell surface staining of this antigen is observed. These data can also provide information regarding the frequency of specific cell populations within the tissue section. This can be quantified by counting the number of positively stained cells, here shown in red, and comparing that with the total cell population, shown in blue, and calculating the frequency using the following equation.
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