Ten protokół opisuje szczegółowo, jak przeprowadzana jest charakterystyka komórek odpornościowych mikrośrodowiska guza za pomocą multipleksowej immunohistochemii.
Method Article
* These authors contributed equally
Ten protokół opisuje szczegółowo, jak przeprowadzana jest charakterystyka komórek odpornościowych mikrośrodowiska guza za pomocą multipleksowej immunohistochemii.
Krajobraz komórek odpornościowych mikrośrodowiska guza potencjalnie zawiera informacje do odkrycia biomarkerów prognostycznych i predykcyjnych. Immunohistochemia multipleksowa jest cennym narzędziem do wizualizacji i identyfikacji różnych typów komórek odpornościowych w tkankach nowotworowych przy jednoczesnym zachowaniu informacji przestrzennych. Tutaj przedstawiamy szczegółowe protokoły analizy populacji komórek limfocytów, mieloidalnych i dendrytycznych w skrawkach tkanek. Począwszy od wycinania utrwalonych w formalinie skrawków zatopionych w parafinie, poprzez automatyczne procedury barwienia multipleksowego na zautomatyzowanej platformie, skanowanie preparatów pod mikroskopem obrazowania wielospektralnego, aż po analizę obrazów za pomocą opracowanego przez nas algorytmu uczenia maszynowego ImmuNet. Protokoły te można zastosować do różnych próbek guza, po prostu przełączając markery nowotworowe w celu analizy komórek odpornościowych w różnych przedziałach próbki (margines guza kontra margines inwazyjny) i stosując analizę najbliższego sąsiada. Analiza ta nie ogranicza się do próbek guza, ale może być również stosowana do innych (nie)patogennych tkanek. Ulepszenia sprzętu i przepływu pracy w ciągu ostatnich kilku lat znacznie skróciły czas realizacji, co ułatwia przyszłe zastosowanie tej procedury w warunkach diagnostycznych.
Komórki odpornościowe odgrywają kluczową rolę w ochronie przed patogenami, takimi jak wirusy i bakterie, ale także przed komórkami rakowymi1. W związku z tym układ odpornościowy w mikrośrodowisku guza (TME) jest bardzo obiecujący w odkrywaniu biomarkerów prognostycznych i predykcyjnych2. Nacieki komórek odpornościowych są skorelowane z rokowaniem w różnych typach raka, chociaż nie zostało to jeszcze wdrożone w opiece klinicznej3,4. W większości typów nowotworów duża liczba cytotoksycznych limfocytów T i limfocytów T pomocniczych 1 i/lub niska liczba regulatorowych limfocytów T wiąże się z dobrymi rokowaniami. Trwają prace nad włączeniem tak zwanego "Immunoscore" do oceny stopnia zaawansowania TNM raka jelita grubego, przekształcając go w stopień zaawansowania TNM-I5,6. Wynik immunologiczny jest uzyskiwany na podstawie całkowitej liczby limfocytów T (wykrytych za pomocą CD3) i cytotoksycznych limfocytów T (wykrytych za pomocą CD8) w dwóch różnych regionach guza: rdzeń guza kontra margines inwazyjny (IM) guzów. Zaproponowano również, że Immunoscore ma wartość prognostyczną, w przypadku innych typów nowotworów, takich jak czerniak, rak płuc i rak piersi6,7,8,9. Co więcej, nacieki komórek odpornościowych mogą również korelować z odpowiedzią na immunoterapię blokującą punkty kontrolne10. Jednak te biomarkery predykcyjne muszą zostać zwalidowane w badaniach prospektywnych, zanim będą mogły być rutynowo wdrażane w praktyce klinicznej. Co więcej, zaproponowano również, że pojedynczy biomarker będzie niewystarczający do miarodajnego przewidywania11. W związku z tym zaproponowano stworzenie kompletnej mapy próbki pacjenta poprzez połączenie różnych biomarkerów jako bardziej kompleksowego biomarkera predykcyjnego w tak zwanym "immunogramie raka"12.
Wśród metod badania komórek odpornościowych w TME, najstarszą i najbardziej znaną techniką jest immunohistochemia (IHC), rutynowo stosowana do testów diagnostycznych w wielu chorobach, zwłaszcza raku13. Technika ta przez długi czas ograniczała się do użycia jednego lub tylko kilku markerów14 i dlatego została wyparta w warunkach badawczych przez inne techniki, takie jak cytometria przepływowa i profilowanie ekspresji genów (GEP). Jednak tkanki nowotworowe utrwalone w formalinie i zatopione w parafinie (FFPE), zwykle stosowane w rutynowej diagnostyce i badaniach, nie nadają się (optymalnie) do cytometrii przepływowej i GEP. Ponadto, chociaż GEP i cytometria przepływowa dostarczają wielu informacji na temat fenotypu i funkcji komórek, brak informacji przestrzennych jest główną wadą. W związku z tym niejednorodność w próbce, taka jak różnice w obszarach guza naciekanych przez komórki odpornościowe i wykluczonych z komórek odpornościowych, może pozostać niewykryta15. Opracowano nowatorskie platformy do analizy multipleksowej tkanek FFPE, takie jak multiplex IHC, obrazowanie cytometrii masowej i CO-Detection by indEXing (CODEX), które można wykorzystać do jednoczesnego wykrywania wielu markerów w obrębie przekroju tkanki16. Komórki odpornościowe w TME są szeroko badane w celu znalezienia najlepszych biomarkerów do immunoterapii. Jednak techniki multipleksowe i zautomatyzowana analiza obrazu stanowią przeszkody same w sobie.
Nasze laboratorium ma duże doświadczenie w barwieniu multipleksowym IHC przy użyciu metody wzmocnienia sygnału Opal/Tyramid (TSA) i zautomatyzowało to na platformie IHC (zobacz Tabelę Materiałów)17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Zoptymalizowaliśmy panele komórek odpornościowych do wykrywania różnych podzbiorów limfocytów, komórek szpikowych i komórek dendrytycznych (DC). Tkanki, które zawierają gęste obszary komórek odpornościowych - dla limfocytów lub złożonych morfologii komórek (tj. komórek szpikowych i DC) - są szczególnie trudne do analizy, co wiąże się z ryzykiem przeszacowania lub niedoszacowania liczby obecnych komórek odpornościowych. Aby przezwyciężyć ten problem, nasza grupa 32, a ten potok uczenia maszynowego znacznie poprawił jakość wykrywania tych różnych typów komórek odpornościowych. Szczegółowy protokół od uzyskania materiału FFPE do analizy gęstości komórek odpornościowych w różnych przedziałach tkankowych i odległościach między typami komórek odpornościowych opisano tutaj.
Ten protokół opisuje, w jaki sposób multipleksowe panele IHC są wykonywane w Centrum Medycznym Uniwersytetu Radboud od czasu wdrożenia cyfrowego obrazowania patologii w 2022 roku. Opisane multipleksowe panele IHC mogą być stosowane w przypadku różnych nowotworów (np. płuc, prostaty, jelita grubego, pęcherza moczowego, piersi) z zastosowaniem przeciwciała pan-cytokeratyny jako markera nowotworowego lub w przypadku czerniaka z zastosowaniem przeciwciał związanych z melanocytami jako markerów nowotworowych. Te multipleksowe protokoły IHC zostały starannie zoptymalizowane pod względem stężenia przeciwciał pierwotnych, kombinacji fluoroforów i kolejności procedury barwienia. My i inni opisaliśmy wcześniej optymalizację panelu multipleksowego IHC17,33,34,35. Panele Multiplex IHC można dostosować, ale opisane potoki analityczne muszą zostać ocenione i potencjalnie odpowiednio dostosowane lub ponownie przeszkolone. Opisane siedmiokolorowe multipleksowe protokoły IHC wykorzystują fluorofory Opal Opal480, Opal520, Opal570, Opal620, Opal690, Opal780 i 4',6-diamidino-2-fenyloindol (DAPI), dzięki czemu łatwe rozmieszanie i szybkie skanowanie na imagerze jest możliwe dzięki "Multispectral One Touch ImmunoFluorescence" (MOTiF). Barwienie i skanowanie dziewięciokolorowe nie jest opisane w tym protokole, ponieważ wymaga to jeszcze bardziej precyzyjnego dostrojenia konfiguracji eksperymentalnej i innego trybu skanowania w imagerze, który wykorzystuje przestrajalny filtr ciekłokrystaliczny.
Materiał pacjenta, który jest pokazany w tym protokole, był częścią wcześniej przeprowadzonego badania i został oficjalnie uznany za zwolniony z zatwierdzenia etyki medycznej przez lokalną Komisję Etyki Medycznej Radboudumc zgodnie z holenderskim ustawodawstwem (numer pliku 2017-3164)30.
1. Zbieranie materiału FFPE, wybór bloków i przygotowanie próbek
2. Generowanie preparatów barwionych hematoksyliną i eozyną
UWAGA: Wszystkie poniższe kroki z sekcji 2 należy wykonać w dygestoriach.
3. Wykonywanie monopleksu i multipleksu IHC w autostainerze
4. Obrazowanie za pomocą cyfrowego imagera patologicznego i adnotacji do plików skanowania
5. Adnotacja danych za pomocą przeglądarki slajdów
6. Widmowe rozmieszanie
7. Rysunek ROI
8. Wykrywanie komórek odpornościowych
9. Predykcja fenotypowania i analiza danych
UWAGA: W tej sekcji podajemy przykład prostej analizy danych dla pojedynczej próbki czerniaka wybarwionej panelem limfocytów, który łączy lokalizacje komórek odpornościowych zidentyfikowane przez ImmuNet (sekcja 8) i ROI wyznaczone za pomocą QuPath (sekcja 7). Analiza została przeprowadzona w R 4.1.1 (skrypt jest dostarczany jako plik uzupełniający 8). Skrypt wymaga pakietów: plyr 1.8.8, dplyr 1.0.8, tidyr 1.2.0, sf 1.0-7, ggplot2 3.4.0, RANN 2.6.1 i RColorBrewer 1.1-2, które można zainstalować za pomocą polecenia install.packages(). Jako dane wejściowe pobierany jest plik .csv z przewidywaniami ImmuNet dotyczącymi próbki oraz plik z ROI wyeksportowany z QuPath. Kroki 9.1-9.6 opisują analizę pojedynczej próbki wykonywaną w dostarczonym skrypcie, a sekcje 9.7-9.9 opisują opcje analizy wielu próbek.
Bloki FFPE zawierające tkankę nowotworową zostały wybrane na podstawie raportów patologicznych i preparatów barwionych HE. Kiedy wiele zmian nowotworowych jest wycinanych od pacjenta i/lub próbki guza są duże, są one dzielone na wiele bloków FFPE. Preferujemy analizę komórek odpornościowych zarówno w przedziale guza, jak i w tak zwanym marginesie inwazyjnym (IM) guza. IM to nienowotworowa tkanka zrębowa, która przylega do guza. Dlatego, gdy dostępnych jest wiele bloków FFPE dla jednej próbki guza, wybierane są bloki FFPE zawierające oba typy tkanek. Jak widać na szkiełkach barwionych HE, jeden blok FFPE zawierał tkankę nowotworową i tkankę zrębu przylegającą do guza (Figura 1A). Inny blok FFPE z tego samego guza zawierał znacznie mniej otaczającej tkanki zrębu (Ryc. 1B). Jednak w przypadku niektórych próbek tkanek nie ma wyboru w blokach FFPE lub IM nie występuje w żadnym z bloków FFPE. Dzieje się tak często w przypadku biopsji (igłowych), o których należy pamiętać podczas interpretacji danych.

Rysunek 1: Preparaty z próbką czerniaka wybarwione HE. (A) Przykład próbki guza z tkanką zrębu przylegającą do guza (IM) w prawym górnym rogu próbki (oznaczonej czarnymi grotami strzałek). (B) Inna próbka z tej samej zmiany nowotworowej z niewielką ilością lub brakiem tkanki zrębu w próbce. Podziałka = 5 mm. Skróty: HE = hematoksylina i eozyna; IM = margines inwazyjny. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Multipleksowe barwienie IHC z proponowanym siedmiokolorowym panelem (Plik uzupełniający 4) można wykonać ręcznie w 3-dniowym procesie barwienia (biorąc pod uwagę normalne godziny pracy) lub w nocy w autostainerze. W przypadku korzystania z automatycznego stainera, sekcje muszą być zamontowane w określonym miejscu na szkiełku, które umożliwia optymalną płynność systemu (Rysunek 2A). Gdy sekcje są prawidłowo zamontowane na prowadnicach (Rysunek 2B), zostaną one równomiernie wybarwione (Rysunek 2C). Jeśli sekcje nie są optymalnie zamontowane na szkiełku podstawowym (Rysunek 2D), często skutkuje to nieoptymalnym wzorem barwienia ( Rysunek 2E), ponieważ płyny automatycznego barwienia nie docierają do (kompletnej) tkanki. Może się to zdarzyć, gdy próbki są bardzo duże lub gdy zamontowane szkiełka są dostarczane przez kogoś, kto nie jest świadomy tego problemu. W takich przypadkach do analizy należy wybrać tylko dobrze zabarwioną część szkiełka. Innym wyborem dla tego typu próbek może być ich ręczne barwienie w celu optymalnego rozprowadzenia cieczy.

Rysunek 2: Montaż sekcji FFPE do szkiełka i uderzenie. (A) Schemat miejsca montażu na szkiełku w celu optymalnego zabarwienia na autostainerze. (B) Przykład prawidłowo zamontowanego zamka. (C) Prawidłowo zamontowane szkiełka skutkują równomiernym wycinkiem tkanki. (D) Przykład nieoptymalnie zamontowanej prowadnicy. (E) Nieoptymalnie zamontowane szkiełka mogą spowodować niekompletny wycinek tkanki, jak widać po lewej stronie tego obrazu. Podziałka = 5 mm. Skrót: FFPE = utrwalony w formalinie i zatopiony w parafinie. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Gdy duże eksperymenty IHC multipleksowe są wykonywane w wielu rundach barwienia i trzeba przygotować duże ilości roztworów, najlepiej jest najpierw przetestować te odczynniki w monopleksowym przebiegu IHC przed przejściem do multipleksu IHC. Monoplex IHC jest sprawdzany za pomocą cyfrowego imagera patologicznego pod kątem oczekiwanych wzorów barwienia, a czasy ekspozycji są ustawiane za pomocą odpowiednich filtrów na szkiełkach kontrolnych (Rysunek 3A-H). Tkanka migdałków jest używana jako kontrola pozytywna dla większości markerów komórek odpornościowych. Ponieważ czas ekspozycji na DAPI w tkance kontrolnej migdałków jest zawsze wyższy niż w innych tkankach (Rysunek 3G), czas ekspozycji na DAPI należy ustawić dla typu tkanki, która ma być badana. Regularne czasy naświetlania przy tego typu skanowaniu wynoszą od 1 ms do 30 ms, w zależności od fluoroforu i filtra (Rysunek 3I). Gdy monopleksowy IHC przekroczy te liczby lub wzór barwienia nie jest tak wyraźny, jak oczekiwano, roztwór przeciwciała należy dostosować lub wymienić. W przedstawionym tutaj przykładzie zdecydowaliśmy się zwiększyć stężenie FOXP3 (Rysunek 3C i Rysunek 3I), aby intensywność była bardziej zbliżona do innych markerów. Autofluorescencja może być również silniejsza w innych tkankach niż w tkance kontrolnej migdałków. W naszych ustawieniach czas naświetlania filtra Sample AF wynosi od 25 ms do 50 ms (Rysunek 3H,I).

Rysunek 3: Ustawienie czasów ekspozycji na monopleksowych IHC i niebarwionych próbkach kontrolnych. (A) CD20 - sygnał Opal 480 w tkance kontrolnej migdałków. (B) CD3 - sygnał Opal 520 w tkance kontrolnej migdałków. (C) FOXP3 - sygnał Opal 570 w tkance kontrolnej migdałków. (D) CD56 - sygnał Opal 620 w tkance kontrolnej migdałków (E) CD8 - sygnał Opal 690 w tkance kontrolnej migdałków. (F) Marker nowotworowy - sygnał Opal 780 w tkance kontrolnej migdałków. (G) Sygnał DAPI w tkance kontrolnej migdałków jest często słabszy niż typ tkanki będącej przedmiotem zainteresowania. (H) Autofluorescencja - sygnał AF próbki w tkance kontrolnej guza. (I) Zrzut ekranu z czasami naświetlania przed dostosowaniem go do 10% i sprawdzeniem na multipleksowych szkiełkach barwionych IHC. Podziałka = 100 μm. Skróty: AF = autofluorescencja; IHC = immunohistochemia; DAPI = 4'6-diamidyn-2-fenyloindol. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Po wykonaniu multipleksu IHC, czasy ekspozycji są dostosowywane z ustawień multipleksu IHC, sprawdzając kilka multipleksowych slajdów IHC i wybierając automatyczną ekspozycję. W przypadku tego typu skanowania nie ma opcji ochrony przed nasyceniem, dlatego niezwykle ważne jest, aby unikać ustawiania zbyt wysokiej ekspozycji, unikając w ten sposób prześwietlenia. Nadmierna ekspozycja utrudnia widmowe rozmieszanie fluoroforów. Często nie ustawiamy czasów naświetlania przekraczających czasy naświetlania, które były oparte na monopleksie IHC i skracamy czasy naświetlania tylko dla markerów, które są silniejsze w multipleksie IHC (Rysunek 3G i Rysunek 4A). Dzięki automatycznej ekspozycji w różnych miejscach na kilku slajdach można zaobserwować, że czasy naświetlania kilku filtrów są nadal zbyt długie. Należy je ustawić na najniższą wartość obserwowaną podczas korzystania z ustawienia automatycznej ekspozycji i odjąć kolejne 10% wartości, aby zapobiec prześwietleniu w innych niewidocznych miejscach (Rysunek 4A). Dzięki tej metodzie czasy naświetlania mogą być krótsze dla niektórych filtrów niż te, które zostały ustawione na monopleksie IHC. Jednak przy udanym eksperymencie IHC z multipleksem wszystkie markery powinny być obserwowalne, przynajmniej na slajdzie kontrolnym (Rysunek 4B-H, plik uzupełniający 6: rysunek uzupełniający S1 i rysunek uzupełniający S2). Należy wziąć pod uwagę, że niektóre markery mogą nie być obecne w każdej próbce. Dołączając szkiełko kontrolne zawierające co najmniej przekrój migdałka, można zweryfikować pomyślne zabarwienie wszystkich markerów standardowych paneli i siłę sygnału.

Rysunek 4: Przykład pomyślnie wybarwionego przekroju za pomocą panelu limfocytów w próbce guza czerniaka. (A) Czasy ekspozycji użyte do zarejestrowania tej próbki IHC multipleksowej. (B) Złożony obraz multipleksowego panelu limfocytów IHC w tkance nowotworowej. (C) CD20 - sygnał Opal 480 w kolorze magenta. (D) CD3 - sygnał Opal 520 w kolorze czerwonym. (E) FOXP3 - sygnał Opal 570 w kolorze zielonym. (F) CD56 - sygnał Opal 620 w kolorze żółtym. (G) CD8 - sygnał Opal 690 w kolorze błękitnym. (H) TM - Opal 780 w kolorze białym. Podziałka = 100 μm. Skrót: TM = marker nowotworowy; IHC = immunohistochemia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Multipleksowe slajdy IHC są w pełni skanowane przez cyfrowy imager. Kafelki do późniejszej analizy są wybierane w przeglądarce slajdów. Jednakże, gdy konieczne jest przeanalizowanie bardziej szczegółowych regionów, takich jak guz w porównaniu z IM, te obszary zainteresowania (ROI) można narysować za pomocą QuPath. Po zakończeniu przetwarzania wsadowego kafelków wybranych w przeglądarce slajdów, pliki składowe są ponownie scalane (Rysunek 5A i plik uzupełniający 7). Korzystając z kanału markera nowotworowego (Rysunek 5B) i narzędzia magicznej różdżki w QuPath, kontur guza można prześledzić, aby utworzyć "Zwrot z inwestycji w guz" (Rysunek 5C). Następnie ROI guza można zwiększyć o pewną odległość, w tym przypadku 500 μm, aby utworzyć "inwazyjny margines ROI" (Rysunek 5D). Wszelkie niechciane tło (niebędące tkanką) jest usuwane z tego zwrotu z inwestycji za pomocą narzędzia magicznej różdżki, patrząc na sygnał autofluorescencji ( Rysunek 5E). Zarówno zwrot z inwestycji w nowotwór, jak i zwrot z inwestycji w wiadomości są zapisywane jako plik GeoJSON do dalszego przetwarzania (Rysunek 5F).

Rysunek 5: Proces rysowania ROI dla guza i inwazyjnego marginesu w QuPath. (A) Scalone pliki komponentów. (B) Obraz w skali szarości przedstawiający tylko kanał markera nowotworowego. (C) Zwrot z inwestycji w guz jest rysowany wokół sygnału markera nowotworowego. (D) Nowy zwrot z inwestycji jest uzyskiwany przez rozszerzenie zwrotu z inwestycji guza o 100-500 μm, aby utworzyć ROI IM. (E) Zwrot z inwestycji IM jest dostosowywany tak, aby obejmował tylko tkankę zrębu poprzez wykluczenie tła (sygnału ujemnego) i innych dużych struktur tkankowych, takich jak tłuszcz, naczynia krwionośne i mieszki włosowe. (F) Wynikowy ROI guza i ROI IM są zapisywane i eksportowane do plików GeoJSON w celu dalszego przetwarzania regionów. Zwrot z inwestycji w guz jest wyświetlany z czerwonym konturem, a zwrot z inwestycji w IM z zielonym konturem. Podziałka = 2 mm. Skróty: ROI = region zainteresowania; IM = margines inwazyjny; GeoJSON = geograficzna notacja obiektu JavaScript. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Sieci ImmuNet mogą być używane do wykrywania komórek odpornościowych. W przypadku panelu limfocytów eksperymentalny złożony obraz (Rysunek 6A) można wizualnie porównać z komórkami odpornościowymi wykrytymi przez oprogramowanie ( Rysunek 6B). Podobnych porównań wizualnych można dokonać dla panelu szpikowego (plik uzupełniający 6: rysunek uzupełniający S4) i panelu komórek dendrytycznych (plik uzupełniający 6: rysunek uzupełniający S5).

Rysunek 6: Limfocyty rozpoznawane przez ImmuNet. (A) Złożony obraz Rysunek 4B przedstawiający komórki rozpoznawane przez ImmuNet z białymi kropkami. (B) Komórki rozpoznane przez ImmuNet, a następnie wykryta ekspresja markera. Podziałka = 50 μm. Skrót: TM = marker nowotworowy. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Komórki odpornościowe wykryte przez ImmuNet i zapisane w .csv formacie mogą być zaimportowane do dowolnego języka programowania w celu dalszej analizy. Wykonaliśmy wizualizację przestrzenną i bramkowanie w R (Plik Uzupełniający 8). Wykryte komórki można następnie zwizualizować przestrzennie (Rysunek 7A, plik uzupełniający 6: rysunek uzupełniający S6 i rysunek uzupełniający S7). Bramkowanie ekspresji pseudomarkerów można przeprowadzić w celu fenotypu poszczególnych komórek odpornościowych (Figura 7B).

Rysunek 7: Strategia bramkowania panelu limfocytów. (A) Komórki odpornościowe wykryte w obszarach zainteresowania guza i inwazyjnego marginesu wyznaczonych za pomocą QuPath. (B) Bramkowanie wszystkich komórek wykrytych przez ImmuNet z części A. Limfocyty są najpierw bramkowane na limfocytach B CD20 + i limfocytach T CD3 +. Limfocyty T CD3 + są dalej bramkowane dla ekspresji CD8 i FOXP3. Populacja CD20-CD3- jest bramkowana dla komórek NK CD56+. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Gdy fenotypy przewidywanych komórek są określane za pomocą bramkowania, gęstości komórek o różnych fenotypach mogą być obliczane w ramach różnych ROI. Oblicza się to, dzieląc całkowitą liczbę komórek na fenotyp przez powierzchnię ROI (Tabela 1, Rysunek 8 i Plik uzupełniający 8). Tutaj limfocyty B są zdefiniowane jako CD3-CD20 +, limfocyty T pomocnicze jako CD3 + CD20-CD8-FoxP3-, limfocyty T regulatorowe jako CD3 + CD20-CD8-FoxP3 +, cytotoksyczne limfocyty T jako CD3 + CD20-CD8 + FoxP3-, a komórki NK jako CD3-CD20-CD56 +.
zł pkt. TGL pkt. TGL pkt.| Fenotyp | Gęstość w guzie (komórki/mm2) | Gęstość w IM (komórki/mm2) |
| Komórka B | 185,74 | 145,62 |
| Limfocyt T pomocniczy | Nr 301,46 | 157,51 |
| Limfocyt T regulatorowy | Rejon 38,53 | godz. 19.53 |
| Cytotoksyczne limfocyty T | Klasa 185,35 | 83,21 |
| Komórka NK | 0,18 | 0 |
Tabela 1: Zagęszczenie fenotypów w ROI. Gęstości komórek o różnych fenotypach znajdujących się w pojedynczej próbce czerniaka wybarwionej panelem limfocytów. Gęstości są obliczane oddzielnie w ROI guza i IM. Skróty: IM = margines inwazyjny; ROI = obszar zainteresowania.

Rysunek 8: Przykład analizy danych dla wielu próbek. Analiza gęstości różnych fenotypów limfocytów w guzie i IM 23 pierwotnych guzów czerniaka. Skróty: IM = margines inwazyjny; ROI = obszar zainteresowania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Aby bardziej zagłębić się w informacje przestrzenne tych komórek odpornościowych, możliwe jest również określenie odległości między zidentyfikowanymi fenotypami lub procentu fenotypów najbliższych sąsiadów w próbce (Rysunek 9).

Rysunek 9: Przykład analizy najbliższego sąsiada dla pojedynczej próbki. Odsetek fenotypów najbliższego sąsiada dla różnych typów komórek w (A) guzie i (B) IM ROI znalezionych w pojedynczej próbce czerniaka wybarwionej panelem limfocytów. Skróty: IM = margines inwazyjny; ROI = obszar zainteresowania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Plik uzupełniający 1: Multiplex IHC podsumowujący specyfikacje protokołu. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 2: Protokół Autostainer dla monopleksu. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 3: Protokół Autostainera do kompensacji autofluorescencji. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 4: Protokół Autostainera dla immunohistochemii multipleksowej. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 5: Plik szablonu .csv. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 6: Panele komórek szpikowych i dendrytycznych w próbce tkanki czerniaka; oznaczanie slajdów w przypadku niepowodzenia skanowania; komórki szpikowe i dendrytyczne rozpoznawane przez ImmuNet; strategie bramkowania paneli komórek szpikowych i dendrytycznych. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 7: Skrypt ściegowy QuPath. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Plik uzupełniający 8: Skrypt analizy danych. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Analiza przestrzenna TME jest poszukiwaną techniką, aby dowiedzieć się więcej o kompartmencie komórek odpornościowych i odkryć nowe biomarkery prognostyczne i predykcyjne, szczególnie w dziedzinie immunoonkologii16. W tym celu opracowywanych jest wiele różnych technik, obejmujących wykrywanie białek, transkryptów mRNA lub kombinacji tych dwóch, z oszacowaniem do 100-1000 celów. Większa multipleksacja odbywa się jednak kosztem mniej wysokoprzepustowych eksperymentów, wyższych kosztów eksperymentów i wyzwań technicznych, a często tylko niewielka część TME może być analizowana. Multiplex IHC przy użyciu metody opartej na TSA, którą tutaj opisujemy, wykrywa jednocześnie sześć różnych markerów + DAPI, jest stosunkowo tańszy do wykonania, a całe skrawki tkanek są obrazowane w mniej niż 20 minut, gotowe do pełnej analizy. Technika ta stała się mniej złożona dzięki automatyzacji procedury barwienia. Ulepszenia w mikroskopie wielospektralnym, które obejmują dodanie dwóch dodatkowych filtrów, znacznie poprawiły czas rozmieszania widma i skanowania. Możliwe jest jednoczesne wykrycie do ośmiu różnych markerów + DAPI. Jednak dzięki rozszerzeniu multipleksowania o więcej markerów, wyżej wymienione korzyści znikają, ponieważ rozmieszanie spektralne staje się trudniejsze, a czas skanowania całych slajdów znacznie się wydłuża. Podejmowane są wysiłki w celu standaryzacji multipleksów IHC między różnymi instytucjami, aby ułatwić ich wdrożenie w warunkach diagnostycznych. W celu standaryzacji multipleksu IHC zalecamy użytkownikom stosowanie bardziej dostępnego protokołu z sześcioma różnymi znacznikami + DAPI. Niemniej jednak nadal potrzebna jest spora wiedza techniczna, a dalsza analiza może być wyzwaniem, dla którego opracowaliśmy metodologie, które są opisane w tym protokole.
Standaryzacja rozpoczyna się od opracowania paneli multipleksowych IHC. Znaczenie wyboru przeciwciał pierwszorzędowych wykrywających określone cele białkowe zostało podkreślonejuż wcześniej. Nasze multipleksowe panele IHC są w większości opracowywane z pierwotnymi klonami przeciwciał, które są również używane i walidowane pod kątem IHC w naszym dziale diagnostycznym. Jednak w przypadku multipleksowego panelu IHC z komórek dendrytycznych większość przeciwciał nie została użyta w warunkach diagnostycznych (van der Hoorn i wsp., manuskrypt w przedłożeniu). Aby zapewnić swoistość i zminimalizować różnice w partiach, zdecydowaliśmy się na użycie przeciwciał monoklonalnych zamiast przeciwciał poliklonalnych, a także zwalidowaliśmy większość przeciwciał przy użyciu transfekowanych linii komórkowych i komórek pierwotnych. Na przestrzeni lat różne wersje multipleksowych paneli IHC były wykorzystywane w licznych badaniach z wykorzystaniem systemu Vectra 3 18,21,23,24,25,26,27,28,29,30,31,32. Aby optymalnie zaimplementować te multipleksowe panele IHC w systemie PhenoImager HT, konieczne było wprowadzenie pewnych zmian w pierwotnych kombinacjach przeciwciał i fluoroforów. Aby skorzystać z lepszego rozmieszania spektralnego i szybszych czasów skanowania całych wycinków tkanek, konieczne jest wdrożenie najnowszych fluoroforów Opal480 i Opal780 oraz unikanie stosowania fluoroforów Opal540 i Opal650 w siedmiokolorowych multipleksowych panelach IHC. Czas skanowania jest ~3-10 razy szybszy w zależności od wielkości wycinka tkanki. Regulacja panelu Multiplex IHC była dość łatwa do osiągnięcia, ale należy pamiętać o kilku kwestiach. Widmo fluorescencyjne Opal480 w dużym stopniu pokrywa się ze spektrum autofluorescencji, a zatem zakłóca widmowe mieszanie erytrocytów i innych struktur autofluorescencyjnych. Zastosowanie zwiększonego stężenia przeciwciała pierwszorzędowego w połączeniu z Opal480 rozwiązało ten problem w większości przypadków. Implementacja opatentowanego filtra Sample AF w PhenoImager HT ułatwia rozmieszanie Opal480 i autofluorescencji. Jednak najlepiej jest użyć przeciwciała pierwszorzędowego, które daje wyraźny sygnał, gdy jest stosowane z Opal480, tak aby jego sygnał był wyższy niż autofluorescencja.
Mimo że te multipleksowe panele IHC są już znane, należy wziąć pod uwagę różnice między partiami. Wykonując monopleksowe kontrole IHC przed rozpoczęciem pełnego eksperymentu multipleksowego IHC, czasami zaobserwowaliśmy, że pierwszorzędowe przeciwciała działają albo silniej, albo słabiej z eksperymentu na eksperyment. Przyczyną tego mogą być błędy pipetowania, nieoptymalne warunki przechowywania odczynnika i okres przydatności do spożycia. Rozwiązaliśmy ten problem, dostosowując roztwór przeciwciała pierwotnego w oparciu o nasze doświadczenie. Nawet jeśli żadna z wyżej wymienionych regulacji nie musiała być wykonywana, przy każdym eksperymencie wsadowym multipleksu IHC ważne jest, aby ustawić czasy naświetlania na podstawie monopleksowych szkiełek kontrolnych barwionych IHC.
Ponieważ nasze badania początkowo koncentrowały się na różnych typach raków i czerniaka, wymagane było, aby multipleksowe panele IHC były wymienne między typami nowotworów przy minimalnych dostosowaniach. Dlatego zawsze uwzględnialiśmy wiele typów tkanek (nowotworowych) w procesie optymalizacji i zaobserwowaliśmy, że rozcieńczenia pierwotnych przeciwciał dla markerów komórek odpornościowych mogą być podobne między różnymi typami nowotworów. Jednak wykrywanie tkanki nowotworowej między rakiem a czerniakiem wymaga różnych markerów nowotworowych. W związku z tym marker nowotworowy był zawsze optymalizowany do pracy na końcu każdego multipleksowego panelu IHC i obecnie jest zawsze używany w połączeniu z Opal780, który przypadkowo musi również znajdować się na ostatnim fluoroforze w procedurze barwienia multipleksowego IHC. Używając markera nowotworowego w konsekwencji na końcu multipleksowego IHC, te multipleksowe panele IHC można łatwo wymienić na inne typy nowotworów, takie jak glejak (tj. GFAP) i chłoniak Hodgkina (tj. CD30). W przypadku naczyniakomięsaka użyliśmy tego panelu IHC z multipleksem limfocytów z genem związanym z transformacją erytroblastów (ERG) jako markerem nowotworu z tylko dwoma eksperymentami optymalizacyjnymi25. Optymalizacja obejmowała miareczkowanie przeciwciała pierwszorzędowego ERG i testowanie multipleksowego panelu IHC z ERG na końcu.
Inne modyfikacje tych multipleksowych paneli IHC można również wprowadzić poprzez wymianę określonego markera komórek odpornościowych na inny marker immunologiczny lub funkcjonalny. Każda zmiana wymaga optymalizacji. Protokół optymalizacji można postępować zgodnie z opisem wcześniejszym17. Pewne zmiany w proponowanych multipleksowych panelach IHC będą kolidować ze stworzonymi przez nas algorytmami ImmuNet. Należy wygenerować wystarczającą ilość danych i poświęcić czas na wdrożenie tych zmian do algorytmu (co najmniej 750 adnotacji dla każdego nowego markera i/lub fenotypu komórki oraz 150 adnotacji dla walidacji wcześniej wytrenowanych markerów). Prezentowane tutaj panele nie zawierają markerów funkcjonalnych, chociaż implementacja markerów immunologicznych punktów kontrolnych, takich jak PD-1 i PD-L1, do multipleksowych paneli IHC odbywa się w naszym laboratorium. Jednak analiza markerów, które są mniej binarne w sygnałach ujemnych i dodatnich, okazała się trudniejsza i stanowi obszar aktywnych badań w naszej grupie.
Liczba markerów, które mogą być jednocześnie oceniane za pomocą multipleksu IHC, jest ograniczona w porównaniu z innymi nowatorskimi technikami. Chociaż można to obejść, analizując różne panele na kolejnych wycinkach bloku FFPE, trudno będzie porównać te wycinki przestrzennie. Orientacja i złożone artefakty prawdopodobnie nie są takie same po przygotowaniu slajdów. Niemniej jednak multipleks IHC jest dość dostępny, co czyni go atrakcyjnym narzędziem dla większej liczby instytucji i badaczy, a tym samym bardziej odpowiednim do przyszłego wdrożenia w warunkach diagnostycznych. Dzięki standaryzacji multipleksowych paneli komórek odpornościowych IHC dla wielu typów nowotworów i dalszym analizom można uzyskać więcej wiedzy na temat różnic w TME między pacjentami a typami nowotworów. Może to na przykład prowadzić do lepszego wglądu w rolę TME w odpowiedzi przeciwnowotworowej na określone terapie. Może to nawet doprowadzić do powstania nowych biomarkerów do przewidywania takich czynników, jak odpowiedź na leczenie i oczekiwane przeżycie. Ogólnie rzecz biorąc, może to sprawić, że multipleks IHC stanie się narzędziem klinicznym pomagającym w podejmowaniu decyzji klinicznych w ramach podejścia medycyny spersonalizowanej. Trzeba przyznać, że więcej etapów procedury analizy powinno zostać prawdopodobnie zautomatyzowanych i ustandaryzowanych, aby można było ją stosować w codziennych warunkach diagnostycznych, więc jak na razie jest to głównie perspektywa futurystyczna.
Analiza wielu markerów na jednym szkiełku próbki może być bardzo potężnym narzędziem, pomimo wyzwań technicznych. Dzięki ustandaryzowanym protokołom eksperymentalnym i solidnej metodzie analizy, jak opisaliśmy tutaj przy użyciu ImmuNet, kwantyfikacja wielu markerów sprawia, że jest ona bardziej pouczająca niż klasyczna IHC, podczas gdy multipleksowy IHC pozostaje stosunkowo wysoką przepustowością w porównaniu z nowatorskimi metodami eksperymentalnymi o wyższej pleksji.
Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.
PhenoImager HT został zakupiony dzięki funduszom dostarczonym przez Centrum Medyczne Uniwersytetu Radboud i Centrum Technologii Radboud dla Mikroskopii. Mukowiscydoza jest wspierana finansowo przez grant Holenderskiego Towarzystwa Onkologicznego (10673) oraz grant ERBN Adv ARTimmune (834618). JT jest wspierany finansowo przez grant NWO Vidi (VI.Vidi.192.084). Autorzy chcieliby podziękować Ericowi van Dintherowi i Ankurowi Ankanowi za ich pomoc w tworzeniu przepływów pracy do przechowywania danych IHC multipleksu, a Bengtowi Phungowi dziękujemy za instrukcje, jak zaimplementować dane IHC multipleksu w QuPath do rysowania ROI.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| anty-CD14 | Cell | 114R-16 | sekcja 3, klon EPR3653 |
| anty-CD163 | Marka | 163M-15 | sekcja 3, klon MRQ-26 |
| anty-CD19 | Abcam | ab134114 | sekcja 3, klon |
| EPR5906 anty-CD1c (BDCA1) | Thermo Scientific | TA505411 | sekcja 3, klon OTI2F4 |
| anty-CD20 | Thermo Scientific | MS-340-S | sekcja 3, klon L26 |
| anty-CD3 | Thermo Scientific | RM-9107 | sekcja 3, klon sp7 |
| anty-CD303/ BDCA2 | Dendrytics via Enzo Lifesciences/Axxora | DDX0043 | sekcja 3, klon 124B3.13 |
| anty-CD56 | Cell Marque | 156R-94 | sekcja 3, klon MRQ-42 |
| anty-CD66b | BD Biosciences | 555723 | sekcja 3, klon G10F5 |
| anty-CD68 | Dako Agilent | M087601 sekcja 3, klon PG-M1 | |
| anty-CD8 | Dako Agilent | M7103 | sekcja 3, klon C8/144B |
| anty-Foxp3 | Thermo Scientific | 14-4777 | sekcja 3, klon 236A/E7 |
| anty-Gp100 | Dako Agilent | M063401 | sekcja 3, klon HMB45 |
| anty-HLA-DR, DP, DQ | Santa Cruz | sc-53302 | sekcja 3, klon CR3/43 |
| anty-MART-1 | Thermo Scientific | MS-799 | sekcja 3, klon A103 |
| anty-pan-cytokeratyna | Abcam | ab86734 | sekcja 3, klon AE1/AE3 + 5D3 |
| anty-SOX10 | Sigma Aldrich | 383R | sekcja 3, klon EP268 |
| anty-tyrozynaza | Sanbio | MONX10591 | sekcja 3, klon T311 |
| anty-XCR1 | Cell Signaling Technologies za pośrednictwem Bioké | 44665S | sekcja 3, klon |
| rozcieńczalnika przeciwciał | Akoya BioSciences | SKU ARD1001EA | sekcja 3, z zestawu Opal 7-Color Automation IHC Kit 50 slide (opcjonalnie może być również zastąpiony przez TBST z 10% BSA) |
| Sonda aspiracyjna Bond | Leica Biosciences | S21.0605 | sekcja 3 |
| Czyszczenie sondy zasysającej Bond | Leica Biosciences | CS9100 | sekcja 3 |
| Roztwór do odwoskowywania Bond | Leica Biosciences | AR9222 | sekcja 3 |
| Etykieta Bond Objectglas + kłaczki do druku | Leica Biosciences | S21.4564.A | sekcja 3 |
| System detekcji badań nad Bondem 2 | Leica Biosciences | DS9777 | sekcja 3 |
| Automatyczny stainer Bond RX | Leica Biosciences-sekcja | 3, platforma automatyczna | |
| Bond TM Epitope Retrieval 1 - 1 L | Leica Biosciences | AR9961 | sekcja 3 |
| Bond TM Epitope Retrieval 2 - 1 L | Leica Biosciences | AR9640 | sekcja 3 |
| Bond TM Wash Solution 10x - 1 L | Leica Biosciences | AR9590 | sekcja 3 |
| BOND Uniwersalna osłona | Leica Biosciences | S21.4611 | sekcja 3 |
| Zestaw do miareczkowania Bond™ | Leica Biosciences | OPT9049 | sekcja 3 |
| Szkiełko nakrywkowe 24 x 32 mm #1 (0,13-0,16 mm) | Fisher Scientific 15717592 | sekcja 2 | |
| szkiełko nakrywkowe 24 x 50 mm | VWR | 631-0146 | sekcja 2 |
| DAPI Fluoromount-G | VWR | 0100-20 | sekcja 3, ilekroć szkiełka monoplex muszą być szybko sprawdzone, a nie do oficjalnej analizy, DAPI jest barwiony oddzielnie w celu uzyskania lepszych wyników |
| Eozyna | sekcja 2, domowej roboty | ||
| Etanol 99,5% | VWR | 4099.9005 | sekcja 2 |
| Fluoromount-G | VWR | 0100-01 | sekcja 3 |
| hematoksylina | - | sekcja 2, domowy | |
| rurociąg wykrywania i fenotypowania komórek immunologicznych | ImmuNet | ||
| w oprogramowaniu inForm 2.4.10 | Akoya BioSciences-sekcja | 4 i 6 | |
| Pakiet odczynników OPAL 480 | Akoya BioSciences | FP1500001KT | sekcja 3 |
| Pakiet odczynników OPAL 520 | Akoya BioSciences | FP1487001KT | sekcja 3 |
| Pakiet odczynników OPAL 570 | Akoya BioSciences | FP1488001KT | sekcja 3 |
| Pakiet odczynników OPAL 620 | Akoya BioSciences | FP1495001KT | sekcja 3 |
| Pakiet odczynników OPAL 690 | Akoya BioSciences | FP1497001KT | sekcja 3 |
| Pakiet odczynników OPAL 780 | Akoya BioSciences | FP1501001KT | sekcja 3 |
| Opal 7-Color Automation IHC Kit 50 slajd | Akoya BioSciences | NEL821001KT | sekcja 3 |
| PhenoChart 1.1.0 | Akoya BioSciences-sekcja | 5 | |
| PhenoImagerHT | Akoya BioSciences | CLS143455 | sekcja 4, cyfrowy imager patologiczny z przeglądarką slajdów i oprogramowaniem do obrazowania (wcześniej znany jako Vectra Polaris) |
| Nośnik montażowy Quick-D | Klinipath | 7280 | sekcja 2 |
| QuPath 0.3.2 | platforma oprogramowania do analizy obrazu całego slajdu | ||
| R 4.1.1 | |||
| Skrzynki przesuwne | VWR | 631-0737 | sekcja 1 |
| SuperFrost Plus | Thermo Scientific przez VWR | 631-9483 | sekcja 1 |
| Oprogramowanie Vectra Polaris 1.0.13 | Akoya BioSciences-sekcja | 4 | |
| Ksylen | VWR | 4055-9005 | SEKCJA 2 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission