RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ko_KR
Menu
Menu
Menu
Menu
Research Article
Kirsten Remmert1, Yuri Lin1, Ashley Rainey1, Marcial A. Garmendia-Cedillos2, Shruthi R. Perati1, Jeremy L. Davis1, Andrew M. Blakely1, Jonathan M. Hernandez1,3
1Surgical Oncology Program, NCI,NIH, 2Instrumentation Development and Engineering Application Solutions (IDEAS), NIBIB,NIH, 3Center for Immuno-Oncology, NCI,NIH
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
이 논문에서는 복막 전이의 3차원 구조를 특성화하기 위해 최적화된 다중 면역형광 프로토콜에 대해 설명합니다.
종양 미세환경(TME)의 공간적 이질성은 치료 반응의 중요한 결정 요인이며, 특히 면역 종양학 제제의 경우 성공 여부가 특정 면역 세포 하위 집단의 분포에 달려 있습니다. 지난 10년 동안 포르말린 고정, 파라핀 포매(FFPE) 또는 고정 동결 조직의 2차원 절편을 사용하여 TME의 상세한 해상도를 달성하기 위해 여러 정교한 기술이 도입되었습니다. 이러한 얇은 절편은 조달 및 분석이 더 쉽지만 종양을 안정적이고 포괄적으로 특성화하는 데 필요한 3차원 아키텍처가 부족합니다. 이러한 한계를 해결하기 위해 조직 장착 및 이미징 기술이 개발되어 원래 생체 내 상태의 종양 병변을 3차원으로 분석할 수 있습니다. 이 프로토콜은 인간 종양 조직의 조달, 맞춤형 인쇄 플랫폼에 샘플 장착, 고정 후 샘플에 대한 염색 절차를 간략하게 설명합니다. 다중화 면역형광 기술인 IBEX(Iterative Bleaching Extends Multiplexity)는 상업적으로 이용 가능한 항체를 사용하여 종양, 면역 및 기질 세포에 대한 최대 15개의 마커로 3차원 TME를 특성화하도록 조정되었습니다. 최적의 조직 방향을 보장하기 위해 맞춤형 인쇄 이미징 어댑터와 상업용 유리 바닥 접시가 있는 도립 백색광 레이저 컨포칼 현미경을 사용하여 최대 100μm의 이미징 깊이를 달성했습니다. 이 프로토콜은 다중화 면역형광 연구를 확장할 수 있는 IBEX 방법의 잠재력을 강조하여 TME 구성에 대한 보다 포괄적인 이해를 제공합니다.
고형 종양은 세포 유형(악성 및 비악성), 세포외 기질 단백질 및 용해성 인자의 복잡한 구성으로 인해 매우 다양하다 1,2. 궁극적으로, 이 매우 복잡하고 이질적인 종양 미세환경(TME)은 면역요법과 같은 치료에 대한 감수성을 결정합니다 3,4. 이와 같이, 고도로 다중화된 면역형광 5,6 및 공간 전사체학7과 같은 기술이 적용되어 세포층 두께(~4μM) 절편에서 TME의 복잡성을 특성화했습니다.
단일 세포 염기서열 분석 및 유세포 분석 8,9,10과 같은 세포 분산 접근법과 달리, 이러한 기술은 공간 관계를 보존하여 세포 누화에 대한 중요한 정보를 제공하고 치료 반응 예측을 위한 잠재적인 바이오마커를 식별하는 데 사용할 수 있습니다 11,12,13. 그러나 종양 병변은 본질적으로 3차원(3D) 구조이며, 위에서 언급한 것과 같은 2D 접근 방식은 복잡한 세포 지형을 적절하게 포착하지 못합니다. 3D 생물학의 중요성은 환자 유래 종양 오가노이드 배양의 광범위한 활용으로 입증된 바와 같이 이 분야에서 높이 평가되어 왔습니다14. 그러나 오가노이드는 원래 in vivo TME의 세포 복잡성을 유지하지 못하기 때문에 면역조절 약물에 사용하거나 다양한 TME 세포 집단의 특성화에 대한 적용 가능성이 제한됩니다.
직렬 2D 단면에 대한 분석을 수행하고 3D 렌더링을 위해 이미지를 계산적으로 "연결"하는 것이 가능할 수 있지만 이 기술은 비용이 많이 들고 높은 충실도15로 수행하기가 어렵습니다. 재현 가능한 방식으로 3D 조직(예: 종양)을 비용 효율적으로 특성화하기 위해 원발성 복막암 환자의 복막 종양 병변을 사용하여 준비 및 다중 면역 형광 염색/분석을 위한 고유한 방법을 개발하고 시연했습니다.
잘 정립된 IBEX 기술(Iterative Bleaching Extends Multiplexity)16,17의 적응을 기반으로 하는 이 프로토콜은 조직 홀더 및 이미징 어댑터의 3D 프린팅, 복막 조직 조달 및 장착, 다양한 종양 및 세포 유형 마커를 사용한 다중 염색 주기, 고해상도 컨포칼 3D 이미징에 대해 자세히 설명합니다.
이 연구는 프로토콜 NCT01915225에 따라 국립보건원(National Institutes of Health Institutional Review Board)의 승인을 받아 수행되었습니다. 인체 조직은 진단용 복강경 검사 시 서면 동의서를 가지고 획득했습니다. 모든 조직은 육안 검사에 의해 결정되고 최종 조직병리학적 검사를 통해 확인된 바와 같이 종양이 있었습니다. 사용된 모든 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다. 전체 워크플로우에 대한 개략도는 그림 1에 나와 있습니다.
1. 인쇄 플랫폼, 이미징 어댑터 및 인큐베이션 플레이트
2. 인쇄된 플랫폼에 조직 장착
3. 정착/염색/표백 절차
참고: 4μm 얇은 FFPE 또는 고정 동결 절편에 맞게 조정된 원래 프로토콜의 변경 사항은 그림 3에 요약되어 있습니다. 표 1 은 IBEX 라운드 1-6에 사용되는 항체(희석 포함) 목록을 제공합니다.
4. 이미징 절차
복막은 두께가 1mm 미만인 막질 구조로 복벽 표면을 감싸고 복부 장기 표면과 인접합니다. 그것은 표면 중피와 그 밑에 있는 결합 조직으로 구성되어 있으며, 지방 세포, 림프구, 대식세포, 섬유아세포, 혈액 및 림프관이 산재해 있습니다. 복막 악성 종양은 복부 종양 전이(예: 난소암 또는 위암)에서 비롯되는 경우가 가장 많으며18 또는 드물게 복막의 원발성 종양(예: 중피종)일 수 있습니다19. 이러한 종종 작은(<1cm) 종양 병변은 매우 복잡하지만 설명된 기술을 사용하여 3D 특성화에 적용할 수 있습니다. 플랫폼에 장착된 전체 샘플을 보기 위해 5개의 컨포칼 섹션의 최대 투영이 사용됩니다(그림 4, 왼쪽 상단 모서리에 삽입). 3개의 1차 접합 항체(AF488-CD44, AF594-CD45 및 AF647-Podoplanin)와 핵 염료 Hoechst를 IBEX의 첫 번째 라운드에 사용했습니다(IBEX1, 그림 4). 종양 병변은 CD44 및 Podoplanin에 대해 이중 양성인 장미와 같은 구조에 의해 분명해지고 유두 중피종의 특징적인 핵 배열을 보여줍니다.
항-포도플라닌(anti-Podoplanin)과 항-CD44(anti-CD44)는 모두 비종양세포를 인식하기 때문에 세포 형태학과 두 개의 항체를 사용하여 종양 세포를 식별했으며, 이는 항-포도플라닌(anti-Podoplanin)을 통한 림프관 검출 및 CD44 항체가 면역 세포의 하위 집합에 결합하는 것으로 입증되었습니다. 그런 다음 3D 프로젝션을 렌더링하기 위해 최적화된 Z-step 크기에서 더 높은 해상도의 타일 스캔 형식을 사용하여 더 작은 관심 영역(ROI)을 캡처합니다(그림 5A). 플랫폼은 반복적인 염색 절차를 통해 취해졌으며 IBEX 주기 1-6에서 동일한 ROI가 이미지화되었습니다. 종양(노란색 상자) 및 종양-3차 림프 구조(TLS) 인터페이스(파란색 상자)에 대한 대표 이미지는 그림 5B-M에 정리되어 있습니다.
TLS의 존재와 CD3 양성 세포의 밀도는 상당한 면역 세포 침투20 및 면역 조절 약물에 대한 반응 가능성을 나타냅니다21. 참고로, 그림 6에서 서로 다른 광학 절편의 스택 투영을 비교하는 것에서 알 수 있듯이 TLS와 대부분의 종양 병변은 조직의 서로 다른 Z 깊이에 존재하며, 2D 이미징이 3D 구조에 적용될 때 3D 이미징의 이점과 잠재적인 생물학 누락을 강조합니다. 이러한 병변의 3D 특성은 그림 5의 개별 병변의 볼륨 렌더링을 묘사하는 동영상 파일(영화 1-12)에서 더 분명해집니다.

그림 1: 3D 프린팅에서 복막 종양의 3D 이미징까지의 작업 흐름. 이 프로토콜은 종양이 있는 복막 조직에서 3D 다중화 이미지를 준비하기 위한 5단계 시퀀스로 구성됩니다. (1) 조직 수용 플랫폼, 이미징 어댑터 부품 및 배양 플레이트의 인쇄. (2) 조직 조달 및 장착 절차. (3) 파라포름알데히드로 고정. (4) IBEX 염색 및 이미징 주기. (5) 이미징 소프트웨어를 사용한 3D 재구성. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 3D 이미징을 위한 조직 인터페이스가 있는 하드웨어 구성 요소. (A) 이미징 어댑터 내 플랫폼 어셈블리의 개략도. (B) 9웰 배양 플레이트. (C) 조립품이 있는 이미지 어댑터 구성 요소의 사진. (D) 진단용 복강경 검사에서 관찰된 중피종 함유 복막. (E) 플랫폼에 조직 장착. (여,지) 플랫폼에 장착된 종양이 있는 복막. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: IBEX 사이클의 타임라인 개략도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: IBEX1 패널을 사용한 배양 후 플랫폼 개요. IBEX1 패널(Hoechst, AF488-CD44, AF594-CD45 및 AF647-Podoplanin)로 배양 후 전체 플랫폼의 최대 투영. 파선 원은 종양을 강조 표시합니다. 삽입 사진: 이미징 플랫폼에 장착된 종양 보유 복막 사진. 눈금 막대: 1mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 선택한 플랫폼 영역의 고해상도 면역형광 이미지. (A) IBEX1 패널(Hoechst, AF488-CD44, AF594-CD45 및 AF647-Podoplanin)로 배양 후 획득한 병합된 56타일 Z-스택 이미지의 최대 투영. 노란색 직사각형: 패널에 표시된 종양 병변(B-G). 파란색 직사각형: (H-M)에 표시된 종양-삼차 림프 구조 인터페이스. (B-G) 볼륨 렌더링에서 IBEX 패널 1-6을 사용한 개별 종양 병변 1개. (B) IBEX1, 녹색: CD44, 빨간색: CD45, 시안: 포도플라닌. (C) IBEX2, 녹색 : CD20, 빨간색 : F- 액틴, 시안 : CD3. (D) IBEX3, 녹색: CD8, 빨간색: CD4, 시안: panCK. (E) IBEX4, 녹색: CD31, 시안: CD68. (F) IBEX5, 녹색: CD206, 시안: 칼레티닌. (G) IBEX6, 녹색: 비멘틴, 빨간색: HLADR. (음) 하나의 개별 종양-삼차 림프 구조가 볼륨 렌더링에서 IBEX 패널 1-6과 인터페이스합니다. (H) IBEX1, 녹색: CD44, 빨간색: CD45, 시안: 포도플라닌. (I) IBEX2, 녹색: CD20, 빨간색: F-액틴, 시안: CD3. (J) IBEX3, 녹색: CD4, 빨간색: panCK, 시안: CD8. (K) IBEX4, 녹색: CD31, 빨간색: SMA, 시안: CD68. (L) IBEX5, 녹색: CD206, 시안: 칼레티닌. (M) IBEX6, 녹색: HLADR, 시안: 비멘틴. 모든 패널, 파란색: Hoechst. 스케일 바 : (A, 1mm); (B-M, 250 μm). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 6: 시뮬레이션된 2D 이미징. 제한적(10개의 광학 섹션) 및 전체 스택(102개의 광학 섹션) 프로젝션을 비교하면 2D 시뮬레이션에서 조직 컨텍스트의 손실을 확인할 수 있습니다. (A) 섹션 30-40 (10 μm)의 최대 돌출부. (B) 섹션 85-95(10μm)의 최대 투영. (C) 섹션 1-102(~100μm)의 최대 투영. 모든 패널, IBEX2 (Hoechst, AF488-CD20, AF647-CD3, AF790-phalloidin). 눈금 막대 : 200 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
표 1: 개별 IBEX 패널에 사용된 항체. 이 표를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 1: IBEX 패널 1(파란색: Hoechst, 녹색: CD44, 빨간색: CD45, 청록색: Podoplanin)을 사용한 개별 병변의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 2: IBEX 패널 2(파란색: Hoechst, 녹색: CD20, 빨간색: F-actin, 청록색: CD3)를 사용한 개별 병변의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 3: IBEX 패널 3(파란색: Hoechst, 녹색: CD8, 빨간색: CD4, 청록색: panCK)을 사용한 개별 병변의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 4: IBEX 패널 4(파란색: Hoechst, 녹색: CD31, 청록색: CD68)를 사용한 개별 병변의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 5: IBEX 패널 5(파란색: Hoechst, 녹색: CD206, 청록색: 칼레티닌)를 사용한 개별 병변의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 6: IBEX 패널 6(파란색: Hoechst, 녹색: Vimentin, 빨간색: HLADR)을 사용한 개별 병변의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 7: IBEX 패널 1(파란색: Hoechst, 녹색: CD44, 빨간색: CD45, 청록색: Podoplanin)을 사용한 3차 림프 구조-병변 인터페이스의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 8: IBEX 패널 2(파란색: Hoechst, 녹색: CD20, 빨간색: F-actin, 청록색: CD3)를 사용한 3차 림프 구조-병변 인터페이스의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 9: IBEX 패널 3을 사용한 3차 림프 구조-병변 인터페이스의 애니메이션 볼륨 렌더링 (파란색: Hoechst, 녹색: CD8, 빨간색: CD4, 청록색: panCK). 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 10: IBEX 패널 4(파란색: Hoechst, 녹색: CD31, 빨간색: SMA, 청록색: CD68)를 사용한 3차 림프 구조-병변 인터페이스의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 11: IBEX 패널 5(파란색: Hoechst, 녹색: CD206, 청록색: 칼레티닌)를 사용한 3차 림프 구조-병변 인터페이스의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
동영상 12: IBEX 패널 6(파란색: Hoechst, 녹색: Vimentin, 빨간색: HLADR)을 사용한 3차 림프 구조-병변 인터페이스의 애니메이션 볼륨 렌더링. 이 영화를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 1: 인큐베이션 플레이트용 인쇄 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 2: 36개의 개별 플랫폼에 대한 인쇄 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 3: 높이 조정 링에 대한 파일을 인쇄합니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 4: 외부 뚜껑에 대한 파일을 인쇄합니다. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
보충 파일 5: 슬라이더용 레이저 컷 파일. 이 파일을 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
없음.
이 논문에서는 복막 전이의 3차원 구조를 특성화하기 위해 최적화된 다중 면역형광 프로토콜에 대해 설명합니다.
이 연구는 미국 국립보건원(National Institutes of Health)과 미국 국립암연구소(National Cancer Institute, NCI)의 교내 연구 프로그램(Intramural Research Program)의 지원을 받았습니다. 이 연구는 또한 로널드 저메인(Ronald Germain)이 이끄는 NIAID와 NCI의 연구 협력인 CAT-I의 일부 지원을 받았습니다. 우리는 Andrea Radtke의 열정적이고 협력적인 노력에 감사를 표하고 싶습니다. 그녀의 전문 지식은 이 연구에 큰 도움이 되었습니다.
| Alexa Fluor Plus 750 Phalloidin | Invitrogen | A30105 | F-액틴 염료 |
| Alexa Fluor 488 항인간 CD206 (MMR) 항체 | BioLegend | 321114 | 항체 |
| Alexa Fluor 488 항인간 CD31 항체 | BioLegend | 303110 | 항체 |
| Alexa Fluor 488 항인간 CD4 항체 | BioLegend | 300519 | 항체 |
| Alexa Fluor 488 항인간 HLA-DR 항체 | BioLegend | 307656 | 항체 |
| Alexa Fluor 488 항마우스/인간 CD44 항체 | BioLegend | 103016 | 항체 |
| Alexa Fluor 594 항인간 CD45 항체 | BioLegend | 304060 | 항체 |
| Alexa Fluor 647 항-칼레티닌 항체 [EP1798] | Abcam | ab214244 | 항체 |
| Alexa Fluor 647 항-인간 CD3 항체 | BioLegend | 300416 | 항체 |
| Alexa Fluor 647 항인간 CD8 항체 | BioLegend | 344726 | 항체 |
| Alexa Fluor 647 항인간 포도플라닌 항체 | BioLegend | 337007 | 항체 |
| Alexa Fluor 647 항-Vimentin 항체 | BioLegend | 677807 | 항체 |
| Alexa Fluor 647 CD68 항체 (KP1) | Santa Cruz | sc-20060AF647 | 항체 |
| Alexa Fluor 750 Cytokeratin, pan 항체 (AE-1/AE-3) | Novus | NBP2-33200AF750 | 항체 |
| Alexa Fluor 750 Human alpha-Smooth Muscle Actin 항체 | R& D | IC1420S | 항체 |
| Alexa Fluor 488 CD20 단클론 항체 (L26) eBioscience | Thermo Fisher | 53-0202-82 | 항체 |
| 항생제-항진균제 | Gibco | 15240096 | 보충제 수확 배지 |
| BioMed Clear Resin (Form 3) | 플랫폼 + 배양 플레이트에 사용되는 | FormLabs | RS-F2-BMCL-01 | 수지
| BSA | Sigma | A7906-500g | 차단 솔루션 구성 요소 |
| 라이더 CleanStation | DT3  절단에 사용되는 캐스트 아크릴 1/32" 두께 | 재료 | |
| ; | 높이 조절기 및 외부 뚜껑 컨테이너, | 시편을 위한Stratasys | DT3 | 후처리
| ; | McKesson | 870203 | 페레이팅 테이블에서 준비 테이블로 조직 이동 |
| CorelDraw | 레이저 절단을 위한 벡터 기반 설계 파일을 준비하기 위한 | CorelDRAW | 소프트웨어 |
| Cytofix | BD Bioscience | 554655 | 고정 |
| 접시 15cm | Falcon | 353025 | 장착 시 사용 접시 |
| 35mm No. 1.5 커버슬립 14mm 유리 직경 코팅되지 않은 | Matek | P35G-1.5-14-C | 이미징 접시 |
| DMEM(포도당 없음) | Gibco | 11966025 | 수확 배지 |
| Fc Block | BD Bioscience | 564220 | 블로킹 용액 구성품 |
| Form 3B+ | Formlabs | 플랫폼 + 인큐베이션 플레이트에 사용되는 | Form 3B+ | 프린터
| Form Cure | Formlabs | 플랫폼+ 인큐베이션 플레이트용 FH-CU-01 후처리 플랫폼 + 인큐베이션 플레이트용 | |
| Form Wash | Formlabs | FH-WA-01 | 후처리 플랫폼 + 인큐베이션 플레이트용 |
| GrabCAD 인쇄 | GrabCAD | GrabCAD | Stratasys 프린터용 모델 준비 소프트웨어 |
| Hoechst 33342 10 mg/mL | Biotium | 40046 | 핵염료 |
| J826 Prime 3D 프린터 | 높이 조절기 및 외부 뚜껑에 사용되는 | Stratasys | J826 | 프린터
| LAS X | 라이카 | LAS X | 공초점 소프트웨어 |
| 레이저 절단 시스템 | Universal Laser Systems | ULS PLS6.150D | 슬라이더에 사용되는 레이저 절단 |
| 소화붕소리튬 | STREM Chemicals | 93-0397 | 표백 화학 |
| 물질 PBS, pH 7.4 | Gibco | 10010023 | 베이스 세척, 차단, 염색을 위한 버퍼 |
| PreForm | FormLabs | PreForm | 프린터용 모델 준비용 |
| 크 봉합사 2-0 | 에티콘 | A305. O35 | 플랫폼에 조직 부착 |
| Stellaris 8 WLL 공초점 현미경 | Leica | STELLARIS 8 | 공초점 이미징 |
| 주사기 필터 | 필터 ab 용액 | ||
| Triton X-100 | American Bio | AB02025-00100 | 투과성 시약, 차단 용액 성분 |
| Vero ContactClear | Stratasys | CTT610, | 높이 조절기 및 외부 뚜껑에 사용되는 4KG 수지 |
| 온난화 트레이 | 스프링 USA | ST-1220 | 매체 및 조직 따뜻함 유지 |
| 물, 증류 | LiBH4용 | Gibco15230-170 | 희석제