본 연구는 포르말린 고정 파라핀 임베딩(FFPE) 처리된 교모세포종 줄기세포 유래 종양 조직 절편에서 단일 및 이중 항원을 일관되게 검출하기 위한 상세하고 재현 가능한 기질 기반 면역조직화학 워크플로를 제공합니다. 이 프로토콜은 기술적 문제를 해결하면서 다양한 면역 및 종양 마커의 식별을 지원하며, 다른 종양 모델에서도 활용될 가능성이 있습니다.
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방법 논문
본 연구는 포르말린 고정 파라핀 임베딩(FFPE) 처리된 교모세포종 줄기세포 유래 종양 조직 절편에서 단일 및 이중 항원을 일관되게 검출하기 위한 상세하고 재현 가능한 기질 기반 면역조직화학 워크플로를 제공합니다. 이 프로토콜은 기술적 문제를 해결하면서 다양한 면역 및 종양 마커의 식별을 지원하며, 다른 종양 모델에서도 활용될 가능성이 있습니다.
교모세포종(GBM)은 가장 흔하고 치명적인 원발성 뇌악성종양으로, 아직 효과적인 치료법이 부족합니다. 이는 부분적으로 치료제 저항성을 가진 교모세포종 줄기세포 유사세포(GSCs)에 의해 유도되는 강력한 면역 억제성 종양 미세환경이 특징입니다. 본 논문에서는 포르말린 고정 파라핀 임베딩(FFPE) 뇌종양 절편에서 종양 침윤 면역세포 관련 표면 및 세포 내 항원을 검출하기 위한 재현 가능한 기질 기반의 단색 및 이색 면역조직화학(IHC) 프로토콜을 설명합니다. 뇌종양은 면역 능력이 있는 마우스의 정위적으로 이식된 마우스 GSCs로부터 유도되었습니다. 단색 IHC 워크플로우는 개별 면역세포 항원의 시각화를 위해 서양고추냉이 퍼옥시다제(HRP) 기반의 발색 검출 시스템을 사용하며, 이색 IHC 워크플로우는 동일한 숙주 유래 일차 항체를 사용하는 워크플로우를 포함하여 동일한 조직 절편 내에서 두 가지 면역세포 항원을 동시에 검출하기 위한 순차적 알칼리성 포스파타아제(AP) 기반 염색 전략을 채택합니다. 이러한 방법들은 GBM 조직 내 종양 침윤 면역세포 관련 항원의 발색 분석을 위한 실용적이고 재현 가능한 프레임워크를 제공하며, 다른 전임상 종양 모델 및 잠재적으로 인간 FFPE 표본에도 적용 가능합니다.
교모세포종(GBM)은 공격적이고 침습성이 높으며 이질적인 일차성 악성 뇌종양으로, 현재의 표준 치료법에도 불구하고 환자의 생존율이 낮습니다1. GBM의 결정적인 특징은 매우 강력한 면역 억제성 종양 미세환경(TME)을 가진다는 것이며, 이는 면역 치료 전략에 대한 내성에 기여합니다2,3. 작동 T 세포의 침윤 감소와 T 세포의 기능 부전 및 소진 유도를 포함한 여러 메커니즘이 GBM의 면역 억제를 유도합니다4. 또한, GBM 세포의 하위 집단인 GBM 줄기 유사 세포(GSCs)는 세포 독성 면역 활성이 제한된 면역학적 "냉성(cold)" TME를 유지함으로써 면역 회피를 더욱 촉진합니다5. 이러한 특징들은 GBM TME 내에서 종양 침윤 면역 세포 집단과 그들의 기능적 상태를 정확하게 특성화하는 것이 중요함을 강조합니다.
면역조직화학(IHC)은 조직 구조를 유지하면서 세포 마커를 in situ에서 시각화하고 위치를 파악하며 반정량적으로 평가할 수 있게 해주기 때문에, 종양 조직 내 면역 세포 침윤을 평가하는 데 가장 널리 사용되는 방법 중 하나로 남아 있습니다6,7,8,9,10,11,12. 이전의 면역조직화학 및 면역 프로파일링 연구들은 GBM 면역 환경에 대한 이해를 상당히 진전시켰으며, 종양 진행 및 치료 반응과 관련된 면역 세포군을 확인하였습니다12,13,14,15,16. 단일 색상 발색 IHC는 특히 포르말린 고정 파라핀 매립(FFPE) 조직 절편에서 개별 면역 마커를 검출하는 데 유용합니다12,13,15,17,18,19,20. 반면, 이중 색상 발색 IHC는 동일한 조직 절편 내에서 두 가지 마커를 동시에 시각화할 수 있어 세포 표현형, 증식 또는 활성화 상태의 평가를 용이하게 합니다12,19,21.
이러한 발전에도 불구하고, 면역 기능이 유지되는 GSC 유래 GBM 모델에 적용 가능한 실용적이고 표준화된 기질 기반 발색 IHC 프로토콜은 여전히 제한적입니다. 또한, 희소하고 불균일한 면역 세포 침윤, 광범위한 종양 내 이질성, 그리고 매우 강력한 면역 억제성 및 복잡한 TME로 인해, 동일한 조직 절편 내의 여러 세포군을 정확하게 시각화하고 해석하는 것이 어려워 GBM의 발색 IHC는 다른 많은 고형암보다 더 까다롭습니다2,3,4. 이중 발색 IHC는 특히 두 일차 항체가 동일한 숙주 종에서 생성된 경우 추가적인 기술적 과제가 발생하며, 이는 항체 호환성의 세심한 최적화, 동일 조직 절편 내 두 항원의 동시 검출을 위한 순차적 염색 전략, 그리고 광학 현미경 하에서 명확한 마커 구별을 보장하기 위한 발색 기질의 선택을 필요로 합니다.
본 연구에서는 면역 기능이 유지된 정위성 005 GSC 유래 GBM 모델22,23,24에서 대표적인 종양 침윤 면역 세포 관련 표면 및 세포 내 항원을 성공적으로 검출하는 재현 가능한 기질 기반의 단색 및 이색 IHC 프로토콜을 설명합니다. 이러한 기질 기반 발색 IHC 프로토콜은 다른 전임상 종양 모델 및 잠재적으로 인간 FFPE 종양 시료에도 적용할 수 있습니다. 수확한 마우스 뇌 조직은 이전에 설명한 바와 같이19 일상적인 조직 처리 및 파라핀 임베딩 전, 10% 중성 완충 포르말린에서 하룻밤(~12 h) 동안 고정되었습니다. FFPE 블록은 양전하 처리된 현미경 유리 슬라이드 위에 섹션(두께 5 µm19)하여 사용 전까지 상온에서 보관하였습니다. 단색 IHC는 3,3′-diaminobenzidine (DAB)를 기질로 사용하는 horseradish peroxidase (HRP) 기반 발색 검출 시스템을 사용하여, 광학 현미경으로 개별 항원을 시각화하기 위해 갈색 신호를 생성합니다. 이 워크플로우는 FFPE 조직 섹션 내의 막 관련 항원과 세포 내 항원을 모두 검출하는 데 적합합니다.
이중 색상 IHC를 통해 동일한 조직 절편 내에서 두 가지 항원을 동시에 검출할 수 있으나, 항체 간의 호환성을 확보하고 명확한 발색 신호 분리를 보장하기 위한 추가적인 최적화가 필요합니다. 일차 항체가 서로 다른 숙주 종에서 생성된 경우, 종 특이적 이차 항체를 사용할 수 있어 이중 색상 IHC 염색이 비교적 간단합니다. 하지만 두 일차 항체가 동일한 숙주 종에서 유래한 경우, 동시 검출은 기술적으로 더 까다로워집니다. 이러한 과제를 해결하기 위해, 본 지침에서 설명하는 이중 색상 IHC 워크플로우는 서로 다른 기질을 이용한 순차적 알칼리성 인산분해효소(AP) 기반 발색 염색 전략을 채택하여, 광학 현미경 하에서 두 항원 신호를 시각적으로 명확하게 구별할 수 있도록 합니다.
두 워크플로우 모두 조직 탈파라핀화, 재수화, 항원 회복, 블로킹, 염색, 탈수, 투명화 및 봉입 단계를 포함합니다. 시약의 준비는 염색 품질과 재현성에 매우 중요합니다(보충 파일 1 참조). 마찬가지로, 일차 항체(primary antibodies)의 적절한 희석 또한 성공적인 염색 프로토콜을 위해 필수적이며, 이는 해당 이차 항체의 숙주 종에 따라 2.5% normal horse 또는 goat serum을 사용하여 사용 직전에 수행합니다(표 1 참조). 단색 및 이중색 염색에 사용된 종 특이적 이차 항체의 목록은 표 2에 제시되어 있습니다. 단색 IHC는 자일렌 기반의 투명화 및 봉입 시약을 사용하지만, 이중색 IHC의 경우 기질이 자일렌에 부분적으로 용해되므로 자일렌이 없는 대체제(예: Histo-Clear)가 필요합니다(표 3의 기질 목록 참조).
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본 프로토콜은 기관 동물 보호 및 사용 위원회(IACUC)(IACUC 프로토콜 번호: 2004N000067 및 LA24-0045)를 포함하여 모든 관련 규제 및 기관 지침에 따라 수행되었습니다.
참고: 단색 및 이중색 IHC 프로토콜의 여러 단계에서는 에탄올 및 조직 투명화제를 포함한 가연성 시약을 사용합니다. 따라서 탈파라핀화, 재수화, 탈수, 투명화 및 마운팅을 포함하여 가연성 화학 물질이 사용되는 절차는 적절한 실험실 안전 수칙을 준수하며 인증된 화학 흄 후드 내에서 수행해야 합니다. 가연성 시약은 기관의 안전 지침에 따라 적절하게 라벨이 부착되고 나사 캡이 있는 유리 용기에 담아 지정된 가연성 물질 보관함에 보관하고 준비해야 합니다. 재료 및 시약 부피는 최대 48개의 현미경 슬라이드(슬라이드 랙 2개, 랙당 24개 슬라이드)의 배치 처리에 맞게 구성되어 있으나, 실험 필요에 따라 워크플로우를 쉽게 조정할 수 있습니다.
1. FFPE 뇌종양 절편의 단일 염색 IHC
참고: 다음 프로토콜은 정위 005 GSC 모델에서 유래한 FFPE 뇌종양 절편 내의 대표적인 표면 및 세포 내 항원을 검출하기 위한 기질 기반 단색 IHC 방법을 설명합니다.
2. FFPE 뇌종양 절편을 위한 이중 염색 IHC
참고: 다음 프로토콜은 동일한 FFPE 뇌종양 절편 내에서 두 가지 항원을 동시에 검출하기 위한 기질 기반의 이중 색상 발색 면역조직화학(IHC) 워크플로우를 설명합니다. 단일 색상 IHC와 비교하여, 이중 색상 워크플로우는 각 염색 단계마다 하룻밤 동안의 배양 단계를 포함하여 독립적인 1차 항체 배양과 순차적인 염색 사이클이 필요하기 때문에 시간이 더 많이 소요됩니다. 하지만 이러한 확장된 워크플로우를 통해 조직의 형태를 보존하면서 동일한 조직 절편 내에서 신뢰할 수 있는 동시 항원 검출이 가능하며, 광학 현미경 하에서 명확한 발색 신호 분리를 유지할 수 있습니다.
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HRP 기반의 발색 검출 시스템을 이용한 단일 색상 IHC를 통해 FFPE 05 뇌종양 절편에서 명확하고 재현 가능한 염색 결과를 얻었습니다. 표면 항원 염색의 대표 이미지는 그림 1에 제시되어 있으며, T 세포 마커(CD3, CD4, CD8), 종양 관련 대식세포(TAM) 마커(CD68, F4/80) 및 면역 체크포인트 분자인 programmed death ligand 1(PD-L1)이 성공적으로 검출되었음을 보여줍니다. 모든 경우에서 DAB를 발색제로 사용하여 양성 염색이 뚜렷한 갈색 발색 신호로 시각화되었으며, 조직 형태가 보존되고 배경 염색이 최소화되어 단일 색상 IHC 프로토콜이 다양한 막 결합 항원에 적용 가능함을 나타냅니다.
세포 내 항원 검출을 위한 단일 염색 IHC 프로토콜의 적용 가능성은 그림 2에 제시되어 있습니다. 대표적인 염색 이미지는 T-bet, F...
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본 연구는 정위 GSC 모델에서 유래한 FFPE 뇌종양 조직 내 표면 및 세포 내 항원의 단일 및 이중 색상 검출을 위한 상세하고 재현 가능한 기질 기반 발색 IHC 워크플로우를 설명합니다. 본 연구의 주요 목적은 면역 기능이 유지된 GBM 조직에서 신뢰할 수 있는 발색 항원 검출을 위한 실용적인 단계별 프로토콜을 수립하는 방법론적 연구에 있습니다.
발색 면역조직화학(Chromogenic IHC)은 조직 구조를 보존하면서 종양 미세환경(TME) 내 항원의 공간적 위치 파악이 가능하므로, FFPE 조직의 세포 마커를 평가하는 데 널리 사용되는 방법으로 남아 있습니다15,16. 재현성 있는 발색 염색을 위해서는 항원 회복, 블로킹 조건, 항체 농도, 발색제 현상 시간, 염색 및 마운팅 중 조직 처리 등 여러 기술적 파라미터의 세심한 최적화가 필요합니다. 이러한 단계에서의 작은 편...
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S.D.R.은 Georgetown University와 Massachusetts General Hospital이 소유 및 관리하며 Amgen과 Acti\Vec Inc.로부터 로열티를 받은 항암 헤르페스 심플렉스 바이러스 관련 특허의 공동 발명자이며, Replimune, Cellinta, Greenfire Bio의 컨설턴트로 활동하여 사례비를 받았으며, EG 427로부터 사례비와 지분을 받았습니다. 나머지 저자들은 잠재적인 이해 상충으로 해석될 수 있는 상업적 또는 재정적 관계 없이 본 원고가 작성되었음을 밝힙니다.
D.S.는 North Carolina Agricultural and Technical State University (NCA&T) 과학기술대학의 기금, NCA&T의 교수 펠로우십 그랜트 (GRADS-4C) 및 NIH 그랜트 (1R16NS147983-01)의 지원을 일부 받았습니다. 마찬가지로 S.D.R.은 Thomas A. Pappas Chair in Neurosciences의 지원을 일부 받았으며, R.H.N.은 NIH 그랜트 (1R35GM153737)의 지원을 일부 받았습니다. 005 GSCs를 제공해주신 Inder Verma 박사님과 Yasushi Soda 박사님께 감사드립니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2 L 유리병 | Corning | CORN1395-2L | 10의 준비 및 보관에 사용됨× DPBS, 1× DPBS, 증류수 및 시트르산 나트륨 완충액 |
| 2 L Pyrex 유리 비커 | Corning | 1000-2L | 나트륨 시트레이트 완충액(600mM)을 이용한 마이크로웨이브 매개 항원 회복에 사용됨–(최종 부피 800 mL) |
| 2.5% 정상 말 혈청 또는 정상 염소 혈청 | 이 제품들은 Vector Laboratories의 2차 항체와 함께 준비되어 제공됩니다. 비특이적 결합과 배경 염색을 최소화하기 위해, 2차 항체의 숙주 종(anti-rabbit 또는 anti-rat IgG)에 따라 종 특이적 블로킹 및 항체 희석에 사용합니다. | ||
| 30% 과산화수소 (H2O2) | Fisher Scientific | BP2633500 | |
| 500 mL 유리병 | VWR International | VWRU10754-818 | 단일 염색 면역조직화학(IHC)용 가연성 시약 및 이중 염색 면역조직화학(IHC)용 자일렌 프리 시약의 조제 및 보관에 사용됨 |
| Kimwipes가 포함된 흡수성 벤치 페이퍼 | 염색 과정 중 다음 배양 단계 이전에 조직 절편에서 과잉 항체나 세척액을 제거하는 데 사용하며, 이를 통해 시약의 잔류 및 교차 오염을 최소화합니다. | ||
| 항-CD3e | Abcam | ab5690 | |
| 항-CD4 | eBioscience | 14-9766-80 | |
| 항-CD68 | Abcam | ab125212 | |
| 항-CD8a | eBioscience | 14-0808-80 | |
| 항-절단된 caspase-3 | CST | 9661 | |
| Anti-F4/80 | Abcam | ab111101 | |
| Anti-FoxP3 | Abcam | ab54501 | |
| 항-GFP | Abcam | ab183734 | |
| 항-그랜자임 B | Abcam | ab4059 | |
| Anti-Ki67 | Abcam | ab16667 | |
| Anti-NeuN | CST | 24307 | |
| 항-PD-L1 | Abcam | ab205921 | |
| 항-pSTAT1 | CST | 9167 | |
| Anti-T-bet | Abcam | ab91109 | |
| AP 항-토끼 IgG | Vector Laboratories | MP-5401 | |
| AP 항-쥐 IgG | Vector Laboratories | MP-5404-15 | |
| BLOXALL 블로킹 솔루션 | Vector Laboratories | SP-6000-100 | 주로 2색 면역조직화학염색(IHC)에서 내인성 peroxidase 및 alkaline phosphatase 활성을 억제하는 데 사용됨 |
| 소 혈청 알부민 (BSA) | Bioworld | 22070007-2 | 비특이적 결합을 줄이기 위한 5% 범용 블로킹 버퍼(universal blocking buffer) 제조에 사용됨 |
| Cytoseal 60 영구 봉입제 | 전자현미경 과학 | 18006 | 단색 면역조직화학(IHC)적으로 사용되는 자일렌 호환 봉입제 |
| DAB 기질 및 발색제 | DAKO | K346811-2 | HRP 기반의 단색 발색 검출에 사용됩니다. 제조사의 지침에 따라 1mL의 DAB 기질에 발색제를 1방울 첨가하여 사용 직전에 준비하십시오.’지침에 따르십시오. 조제 후 사용하지 않은 작업 용액은 폐기해야 합니다. DAB는 잠재적 발암 물질이므로 기관의 생물 안전 및 화학 안전 가이드라인에 따라 취급해야 합니다. |
| 증류수 | 시약 조제, 세척 및 완충액 조제에 사용됩니다. 초순수 또는 Milli-Q water를 사용할 수도 있습니다. | ||
| DPBS (Dulbecco’인산 완충 식염수(phosphate-buffered saline) | Corning | 55-031-PC | |
| 에탄올, 200 proof | Decon Labs | 2701 | |
| Fisherbrand Superfrost Plus 현미경 슬라이드 | Fisher Scientific | 12-550-15 | 조직 절편용 양전하 처리 현미경 유리 슬라이드 |
| 유리 커버스립 | Corning 또는 MilliporeSigma | 슬라이드당 조직 절편 수에 따라 적절한 크기를 선택해야 합니다. 일반적인 크기는 다음과 같습니다: 24 mm × 24 mm (단일 조직 절편), 24 mm × 40 mm (조직 절편 2개), 24 mm × 50 mm (조직 절편 3개) | |
| 헤마톡실린 | Fisher Scientific | 220-102 | |
| Histo-Clear (1 L) | 전자현미경학 | 64111-01 | 이중 염색 면역조직화학염색(dual-color IHC)에 사용되는 자일렌 프리 투명화제. Histo-Clear I 및 Histo-Clear II라고 표시한 500 mL 병 두 개를 준비한다. |
| HRP 표지 항-마우스 IgG | Vector Laboratories | MP-7402-15 | |
| HRP 항-토끼 IgG | Vector Laboratories | MP-7401 | |
| HRP 항-쥐 IgG | Vector Laboratories | MP-7444-15 | |
| 가습 챔버 | Stellar Scientific | HS-120879 | 조직 절편의 1차 및 2차 항체 배양을 위해 |
| 소수성 배리어 펜 (PAP 펜) | Vector Laboratories | H-4000 | 배양 과정 동안 항체와 시약을 유지하고, 동일한 슬라이드 상의 여러 조직 절편 간의 교차 오염을 방지하기 위해 조직 절편 주변에 발수성 차단벽을 만드는 데 사용됨 |
| Kimwipes | Kimtech Science | 34155 | 조직 절편에서 잔류 시약 및 세척 버퍼를 부드럽게 제거하는 데 사용됨 |
| 자기 교반기 | IKA | I-10001529 | 소듐 시트레이트 및 DPBS 스톡 용액 조제를 위하여 |
| 전자레인지 | Panasonic (모델: NN-L931BF) | SN: 6H61050036 | 2.2 큐빅피트 용량. 2 L 유리 비커를 이용한 열 유도 항원 회복에 필요함 |
| Nikon 광학 현미경 | Nikon | SN: 707798 | Nikon Eclipse Ci-L 일련번호: 707798, Sola light engine 5M5-LCR-VA 일련번호: 11787, 소프트웨어: NIS Elements BR 4.60.00 &NIS Elements BR Analysis 4.60.00, 카메라: Nikon DS-Fi3 sn: 110865 (컬러) &Photometrics CoolSNAP DYNO snA17A608015 (B/W) |
| pH 미터 | VWR International | 77619-152 | 항원 회수 버퍼의 pH 조절을 위해 |
| 플라스틱 랩 | Fisher Scientific | 01810 | 마이크로파 가열 중 증발을 최소화하고 조직의 건조를 방지하기 위해 항원 회수 완충액을 느슨하게 덮는 데 사용됨 |
| 폴리옥시메틸렌(POM) 슬라이드 랙 | Mopec | SP234 | 상기 염색 용기와 호환되며, 각 랙에는 최대 24개의 현미경 슬라이드를 거치할 수 있습니다. |
| 정밀 저울 | Mettler Toledo | 30697420 | 시트르산 나트륨 및 DPBS 분말의 무게 측정 시 |
| 냉장고 | Thermo Scientific | TSG3005CA | 온도 민감성 시약 및 항체 보관용 |
| 슬라이드 보관함 | Fisher Scientific | 22-267294 | |
| 염색 용기/디쉬 | Mopec | SP233 | 각 용기에는 24슬라이드 염색 랙 1개가 들어갑니다. |
| 마그네틱 바 | Fisher Scientific | 14-512-128 | 소듐 시트레이트 및 DPBS 스톡 용액 준비를 위해 |
| 시트르산 삼나트륨 이수화물 | Thermo Scientific Chemicals | AA3643936 | |
| Tween 20 | Thermo Scientific | AAJ20605AP | |
| VectaMount PT 영구 봉입제 | Vector Laboratories | H-5600-60 | 이중 염색 면역조직화학(IHC)에 사용되는 자일렌 프리(Xylene-free) 영구 봉입제 |
| Vector Blue 알칼라인 포스파타아제 기질 키트 | Vector Laboratories | SK-5300 | 이중 색상 AP 기반 IHC 과정 중 청색 발색 신호 발현에 사용됩니다. Vector Blue는 자일렌에 부분적으로 용해되므로, 이중 색상 염색 워크플로우에서는 자일렌 프리 투명제 및 봉입제를 사용해야 합니다. |
| Vector Red 알칼라인 포스파타아제 기질 키트 | Vector Laboratories | SK-5100 | 이중 색상 AP 기반 IHC 과정 중 적색 발색 신호 현상에 사용됨 |
| 자일렌 (1 L) | StatLab | 8400-1 | 단일 염색 면역조직화학염색(IHC)의 탈파라핀 및 투명화제로 사용됩니다. Xylene I 및 Xylene II라고 라벨을 부착한 500mL 병 두 개를 준비하십시오. |
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