다중 순환 면역조직화학은 반복적인 항원-항체 배양, 이미지 스캐닝, 이미지 정렬 및 통합을 사용하여 여러 마커를 동시에 현장에서 검출할 수 있습니다. 여기에서는 폐암과 쌍을 이루는 뇌 전이 샘플에서 이 기술로 면역 세포 기질을 식별하기 위한 운영 프로토콜을 제시합니다.
Method Article
다중 순환 면역조직화학은 반복적인 항원-항체 배양, 이미지 스캐닝, 이미지 정렬 및 통합을 사용하여 여러 마커를 동시에 현장에서 검출할 수 있습니다. 여기에서는 폐암과 쌍을 이루는 뇌 전이 샘플에서 이 기술로 면역 세포 기질을 식별하기 위한 운영 프로토콜을 제시합니다.
종양 미세환경은 숙주 세포, 종양 세포, 면역 세포, 기질 세포 및 혈관 조직 간의 상호 작용을 포함합니다. 면역 세포 subset과 표적 단백질을 특성화하고 공간적으로 구성하는 것은 예후 및 치료 목적에 매우 중요합니다. 이는 다중 면역조직화학 염색법의 개발로 이어졌습니다. 다중 형광 면역조직화학을 통해 여러 마커를 동시에 검출할 수 있어 세포 기능 및 세포 간 상호 작용에 대한 포괄적인 이해를 촉진할 수 있습니다. 이 논문에서는 다중 순환 형광 면역조직화학 분석을 위한 워크플로우와 림프구 하위 집합의 정량 분석에서의 응용 프로그램에 대해 설명합니다. 다중 순환 형광 면역조직화학 염색은 항원 회수, 순환 항체 배양 및 포르말린 고정 파라핀 포매(FFPE) 조직 슬라이드 염색을 포함하는 표준 면역조직화학과 유사한 단계 및 시약을 따릅니다. 항원-항체 반응 중에 서로 다른 종의 항체 혼합물이 준비됩니다. 항원 회수 시간 및 항체 농도와 같은 조건은 신호 대 잡음비를 높이기 위해 최적화되고 검증됩니다. 이 기술은 재현성이 있으며 면역 요법 연구 및 임상 응용 분야에 유용한 도구 역할을 합니다.
뇌 전이(BM)는 가장 흔한 중추신경계(CNS) 종양으로, 비소세포폐암(NSCLC) 사례의 거의 절반에서 발생하며 예후가 좋지 않다1. 비소세포폐암 환자의 약 10%-20%가 초기 진단 시점에 이미 BM을 가지고 있으며, 약 40%의 비소세포폐암 환자가 치료 과정에서 BM으로 발전한다2. 종양 미세환경(tumor microenvironment, TME)은 혈관, 섬유아세포, 대식세포, 세포외기질(ECM), 림프구, 골수 유래 면역세포, 신호전달 분자 3,4와 같은 다양한 구성 요소를 포함하여 비소세포폐암(NSCLC) 발생 및 BM과 밀접한 관련이 있습니다. 미세환경 면역세포는 암세포의 성장과 발달에 영향을 미치는 데 중요한 역할을 합니다. 뇌 전이는 복잡한 면역학적 미세환경과 신호전달 과정을 특징으로 하는 수많은 잠재적 치료 표적을 제시합니다. 예를 들어, PD-1 억제제는 면역관문억제제(ICI)로서 폐암 뇌전이(LCBM) 환자에게 임상적 효능을 보였다. 그러나 PD-1 요법에 대한 반응 빈도는 원발성 NSCLC와 LCBM5 간에 다르며, 이는 종양 면역 미세환경이 중요한 ICI 조절자로 작용한다는 것을 시사한다.
면역조직화학(IHC)은 생물학, 기초 의학 및 병리학 분야에서 매우 유용한 도구입니다6. 이 검출 방법은 조직 슬라이드(7) 상의 항원-항체의 상호작용을 통해 항원 발현을 시각화한다. IHC는 예측 마커를 진단하고, 예후 마커를 평가하고, 표적 치료를 안내하고, 종양 세포의 생물학적 기능을 탐색하는 데 사용됩니다8. 그러나 기존의 IHC 방법은 한 번에 하나의 바이오마커만 검출할 수 있습니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 면역조직화학 기술의 혁신은 다중 형광 면역조직화학(mfIHC)의 개발로 이어졌으며, 이를 통해 명시야 및 형광 필드 모두에서 동일한 조직 슬라이드에서 여러 단백질 마커를 동시에 식별할 수 있습니다9. 이러한 발전은 TME 내에서 기질 세포, 면역 세포 및 암세포 간의 세포 구성 및 분자 상호 작용에 대한 정확한 분석을 제공합니다.
본 연구에서는 면역세포의 공간적 분포를 분석하기 위한 multiplex cyclic immunohistochemistry 프로토콜을 제시합니다. 토끼와 쥐와 같은 서로 다른 종의 두 가지 1차 항체를 동시에 선택하여 배양한 후 형광 표지 2차 항체를 선택합니다. 항원 회수는 항원-항체 반응의 각 라운드 후에 수행됩니다. 자가형광은 차단되고 4', 6-diamidino-2-phenylindole(DAPI)은 핵 염색에 사용됩니다. 이 패널에는 CD3, CD8, CD20 및 CK의 순차 검출이 포함되어 있으며, 세포는 마커에 따라 종양 세포(CK+), 성숙 T 세포(CD3+), 세포 독성 T 세포(CD3+CD8+), B 세포(CD20+)로 분류됩니다10,11.
이 연구는 쿤밍 의과대학 윈난암병원/제3부속병원 의료윤리위원회의 승인을 받았다. 모든 피험자/법적 보호자는 정보에 입각한 동의서에 서명했습니다.
1. 슬라이드 준비
2. 열 유도 에피토프 회수(HIER)
3. 과산화효소 차단
4. 1차 항체 배양
5. 1차 항체 배양
6. 열 유도 에피토프 회수 및 과산화효소 차단
7. 2차 항체 배양
8. 2차 항체 배양
9. 자가형광 담금질 및 DAPI 염색
10. 슬라이드 스캔
11. 세포 밀도의 정량적 평가
단일 슬라이드에서 5색 다중 형광을 사용한 순환 항원 검출을 위한 프로토콜을 제시합니다. 분석의 최적화를 통해 서로 다른 종의 두 항체를 배양할 수 있습니다(그림 1). 실험 절차에 필요한 장치에는 압력솥과 면역염색 상자가 포함됩니다(그림 2A).
분석을 완료한 후 슬라이드를 스캔하기 전에 4개의 마커의 유사 색상을 정의합니다. CD3, CD8, CD20 및 CK의 의사 색상은 각각 노란색, 빨간색, 녹색 및 청록색입니다. 핵은 DAPI로 표시됩니다. 종양과 기질의 대표 부위를 선택하여 분석합니다. 495nm, 578nm, 652nm 및 590nm의 형광 스펙트럼은 3D 자동 디지털 슬라이드 스캐너를 사용하여 캡처됩니다. 폐암 뇌 전이 조직의 대표적인 스택 이미지와 단일 표지 이미지가 그림 2B에 나와 있습니다. 단일 마커 형광 신호가 포함된 이미지를 기반으로 스캐너 소프트웨어는 유사 색상을 기반으로 세포 표현형 특성을 추출했습니다. 양성 면역 세포와 총 면역 세포의 해당 수도 계산되었습니다. 염색된 각 단백질 수준은 H-점수12를 계산하여 검출된 조직에서 정량화됩니다. 이러한 시술 후 각 종양 침윤 림프구 유형의 수와 전체 표적 세포 수에서 각 세포 유형의 비율을 계산하고 분석합니다. 각 면역 세포 유형의 비율은 종양 침윤 림프구의 유효 비율을 나타냅니다. CD3+, CD3+CD8+ T 세포 및 CD20+ B 세포의 비율은 원발성 폐암 절편과 비교하여 폐암 뇌 전이에서 분석되었습니다. 대표적인 결과는 그림 3에 나와 있습니다. 면역세포(CD3+ T세포, CD3+ CD8+ T세포)의 밀도는 원발성 폐암보다 폐암 뇌 전이에서 낮습니다. CD20+ B 세포는 원발성 폐암 그룹보다 뇌 전이 그룹에서 더 높습니다. 그러나 제한된 표본에 대해 이 두 그룹 간에 결과는 크게 다르지 않습니다.

그림 1: 다중 순환 형광 면역조직화학 염색의 워크플로우. 4μm 섹션을 절단하여 접착 슬라이드에 부착합니다. 탈파라핀화 및 재수화, 항원 회수, 항원 회수, 항원 차단, 1차 항체 혼합물 배양, 2차 항체 배양, 항원 회수, 항원 차단, 1차 항체 혼합물 배양 및 2차 항체 배양 단계를 반복한 후 자가형광 감소, 슬라이드 스캔에 적합한 필터 선택 및 결과 분석. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 다중 형광 면역조직화학 염색의 작동 방법. 항원 치료는 압력솥에서 섹션을 가열하여 수행됩니다. (A) 압력솥은 열 유도 에피토프 회수에 사용됩니다. 항체 배양 과정에서 슬라이드는 면역염색 상자에 배치됩니다. (B) 폐암 뇌 전이 조직에 사용된 패널에 대한 대표적인 합성 및 단일 염색 이미지. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 원발성 폐암과 폐암 뇌 전이의 면역 세포 비율. 4개의 폐암 뇌 전이 조직에서 CD3+, CD3++CD8+, CD20+ 면역세포 비율은 쌍을 이루는 원발성 폐암 조직보다 낮습니다(오차 막대: 표준 편차). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
우리는 다중 순환 형광 면역조직화학 염색 과정을 설명했습니다. 1차 항체 선택은 형광 면역조직화학 분석의 중요한 측면이며, 더 나은 특이성과 반복성을 위해 단클론 항체를 권장합니다. 1차 항체의 작동 농도를 최적화하기 위해 면역조직화학 실험을 통해 일련의 희석액을 테스트했습니다. 양성 대조군(표적 항원 발현 평가)과 음성 대조군(1차 항체 배양 없음)은 모두 필수적이며 설정해야 합니다.
이 프로토콜에서는 1차 항체를 희석하여 다른 종의 혼합물을 준비합니다. 형광 표지된 2차 항체는 또한 다른 종에서 유래한 동일한 방식으로 풀링되고 배양됩니다. 따라서 중요한 단계는 항원에 따라 다른 1차 항체에 대한 종을 선택하는 것이며, 다클론 항체에 비해 단클론 항체가 선호됩니다. 이를 통해 1차 항체와 2차 항체 간의 조합이 특이적임을 확인할 수 있습니다. 혼합된 액체는 1차 항체 모두에 대한 작동 농도를 달성해야 하며 두 항체 사이에 교차 반응이 동시에 존재해서는 안 됩니다. 1차 항체가 동일한 종인 경우 2차 항체 1개를 먼저 배양한 다음 2차 항체를 배양합니다. 패널에서 1차 항체 배양 서열을 결정할 때 항원-항체 반응에 민감한 항체에 우선 순위를 부여해야 하며, 발현이 낮은 항원의 경우 2차 항원결정기 회수 중에 강도가 강화됩니다. 2차 항체 배양 전 반복 항원 채취는 1차 수술(2분)에 비해 시간(1분)이 적게 소요됩니다. 이전 순환 염색의 형광 강도는 절편이 열 유도 회수를 두 번 거치더라도 감소하지 않습니다. 비특이적 면역 반응을 피하기 위해서는 항체 작용 농도, 배양 시간, 환경 온도 등 배양 조건을 최적화해야 합니다.
최근 수십 년 동안 다양한 에피토프 회수 방법이 개발되었으며, 주로 열 유도 에피토프 회수(HIER)와 프로테아제 유도 에피토프 회수(PIER)로 나뉩니다. 가열은 항원 에피토프를 노출시켜 항체에 의해 보다 효과적으로 검출되도록 하는 효율적인 항원 회수 방법이다13. 항원 회수를 위한 두 가지 주요 옵션은 구연산염 완충액과 높은 pH EDTA 완충액을 기반으로합니다 14. 표적 항원에 따라 최적화된 회수 조건을 식별합니다.
자가형광은 조직 처리에 사용되는 내인성 형광단 및 시약에 의해 야기된 절편의 형광 이미징을 방해할 수 있다15. 용출을 위해서는 관련 시약을 사용해야 합니다. 형광단은 자가형광 피크(약 490nm)를 피하는 방출 피크로 선택됩니다16,17. Sudan Black B 및 NaBH4는 조직 자가형광18,19를 소멸시키는 것으로 보고되었습니다. Sudan Black B와 NaBH4의 조합은 표적 신장 포르말린 고정 파라핀 포매 조직20에서 형광 배경을 감소시켰다. 이 프로토콜에서 0.15M/L 농도의 KMnO4 조직 처리는 1분 동안 시간을 절약합니다. KMnO4는 자발적 형광을 차폐하기 위해 조직 상의 층을 덮고 배경 형광을 감소시키며, 검출된 단백질의 특이적 염색을 보다 시각화합니다.
전체 슬라이드는 4개의 서로 다른 필터 채널에서 스캔되며, 이미지 정렬 분석이 필요하며, 단일 세포 및 세포 내 구조의 국소화를 정렬하는 것은 큰 도전입니다. 이 기법의 다중 스펙트럼 이미지의 경우, 스펙트럼 누화를 방지하기 위해 전문 광 이미징 장비와 정량 분석 소프트웨어가 필요합니다. 기기의 비싼 비용은 적용을 제한합니다. 두 항체의 동시 배양은 특히 3주기의 배양이 필요한 6-마커 패널을 처리할 때 시간을 절약합니다. 이 기술은 종양 면역 미세환경에서 면역 세포의 보다 상세한 특성을 시각화하는 데 사용됩니다. 앞으로 이 방법은 종양 관련 3차 림프 구조의 정량 분석에 적용될 것입니다.
요약하면, multiplex cyclic fluorescence immunohistochemistry를 사용하면 단일 슬라이드에서 개별적으로 표지된 형광단으로 여러 표적을 염색할 수 있습니다. 이 분석법은 종양 면역 미세환경에서 세포의 공간적 분포에 대한 이해를 향상시키고, 종양 면역 세포의 공간적 근접성은 면역 요법의 혜택을 받을 환자를 선별하는 데 기여합니다.
저자들은 이 논문에 보고된 연구에 영향을 미칠 수 있는 경쟁적인 재정적 이해관계나 개인적 관계를 알지 못한다고 선언합니다.
이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 (NO.81860413, 81960455), 윈난 과학 기술부 기금 (202001AY070001-080), 윈난성 교육부 과학 연구 재단 (2019J1274)의 지원을 받았습니다.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 0.15 mol/L KmnO4 | Maixin 생명공학 Co., 주식 회사. | MST-8005 | |
| 100x 구연산나트륨 | Maixin Biotechnology Co., Ltd | MVS-0100 | |
| 3% 과산화수소 | Maixin Biotechnology Co., Ltd | SP KIT-A1 | |
| 3D Pannoramic MIDI | 3D histech Ltd | Pannoramic MIDI 1.18 | |
| Alexa Fluor 488 | Abcam | ab150113 | |
| Alexa Fluor 568 | Abcam | ab175701 | |
| Alexa Fluor 594 | Abcam | ab150116 | |
| Alexa Fluor 647 | Abcam | ab150079 | |
| 본드 1차 항체 희석제 | Lecia | AR9352 | |
| CD20 | Maixin Biotechnology Co., Ltd | 키트-0001 | |
| CD3 | Maixin Biotechnology Co., Ltd. | 키트-0003 | |
| CD8 | Maixin 생물공학 Co., 주식 회사 | RMA-0514 | |
| CK | Maixin 생물공학 Co. 주식 회사. | MAB-0671,DAPI | |
| sig-ma | D8417 | ||
| 에탄올 | Sinopharm Group 화학 시약 Co., LTD | 10009218 | |
| Histocore Multicut | lecia | 2245 | |
| PBS(powder) | Maixin Biotechnology Co., Ltd | PBS-0061 | |
| 슬라이드 버전 | 3D histech Ltd | ||
| 크실렌 | Sinopharm 그룹 화학 시약 Co., LTD | 10023418 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission