在使用定量免疫肿瘤的异质性蛋白表达的映射

Medicine
 

Summary

在这里,我们描述了一种方法来量化分子异质性肿瘤的材料组织部分采用定量免疫荧光图像分析,和一个异质性的统计措施。该方法用于临床生物标志物的开发和分析。

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Faratian, D., Christiansen, J., Gustavson, M., Jones, C., Scott, C., Um, I., Harrison, D. J. Heterogeneity Mapping of Protein Expression in Tumors using Quantitative Immunofluorescence. J. Vis. Exp. (56), e3334, doi:10.3791/3334 (2011).

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Abstract

在个别肿瘤的形态学异质性,在外科实习histopathologists公认。虽然这往​​往需要形成鲜明的差异化领域,为公认的组织学亚型或不同的病理分级,往往存在表型更细微的差别,无法准确的分类(图1)。最终,由于形态是由潜在的分子表型决定的,明显的差别的地区可能会在协调细胞的功能和行为的蛋白表达的差异,因此,外观陪同。有形及无形(分子)预后的异质性的意义是未知的,但最近的证据表明,至少在基因水平,异质性的存在在发肿瘤1,2,和一些这些子克隆引起转移性(因此致命)的疾病。

此外,一些蛋白质作为生物标志物的测量,因为它们是治疗的目标(例如ER和HER2的他莫昔芬和曲妥珠单抗(赫赛汀),分别)。如果这些蛋白质显示变量的表达式,然后在肿瘤治疗的反应也可能是变量。广泛用于免疫组化病理组织学评分计划,要么忽略,或数字均质蛋白表达的定量。同样,在破坏性的技术,均质肿瘤样本(如基因表达分析),定量信息可以澄清,但空间信息丢失。胰腺癌的遗传异质性的映射方法都依赖一个单细胞悬液 3代,或macrodissection 4 。最近的一项研究量子点,以图在前列腺癌组织5中的形态学和分子异质性,提供证据原则,形态学和分子映射是可行的,但下降小号园艺量化的异质性。由于免疫组化,充其量只是半定量和内和观察者间的偏见,更敏感和定量方法是需要以准确的地图和量化组织在原地的异质性。

我们已经开发和应用实验和统计方法,以系统量化的基础上的自动定量分析系统(水族)6,在整个肿瘤组织切片中的蛋白表达的异质性。组织切片是针对角蛋白和利益目标的特异性抗体,再加荧光标记的二抗标记。使用整个幻灯片的荧光扫描仪成像幻灯片。图片分为几百到成千上万的瓷砖,每个tile,然后分配一个AQUA的得分,这是一种蛋白浓度的措施,组织内的上皮细胞(肿瘤)组件。 HEAtmaps产生代表组织表达的蛋白质和分配异质性得分,使用的统计异质性措施最初用于在生态学,基于辛普森多样性指数7。

到目前为止,一直没有尝试系统地图和量化这种变化与蛋白表达的同时,在组织学的准备。在这里,我们首先使用说明ER和HER2基因在卵巢癌的生物标志物表达方法。使用这种方法铺平了道路,分析异质性翻译研究的生物标志物表达的研究作为一个独立的变量的方式,以建立异质性的预后和对治疗的反应预测的意义。

Protocol

1。组织编制

  1. 超薄切片
    1. 第福尔马林固定石蜡包埋的肿瘤在4微米厚的块,用旋转切片。
    2. 放置到带正电的微观幻灯片的部分。
    3. 在37 ° C烘箱过夜孵育的幻灯片。
  2. 存储
    1. 存储部分在-18 ° C至-25 ° C冰箱,以防止损失的抗原性。

2。免疫荧光组织切片

  1. 脱蜡和补液
    1. 脱蜡二甲苯两次5分钟的幻灯片。
    2. 补充水分在99%,99%,80%,50%的乙醇和运行每2分钟,以自来水的幻灯片。
  2. 抗原修复
    1. 执行热诱导抗原检索,使用压力锅在MI 5分钟0.15 mM柠檬酸钠,pH 6.0的缓冲微波。
    2. 降温20分钟的幻灯片。
    3. 摇杆5分钟的0.05%PBST冲洗的幻灯片。
  3. 阻止程序
    1. 在10分钟的3%的过氧化氢治疗部分。
    2. 摇杆5分钟的0.05%PBST冲洗的幻灯片。
    3. 新增部分Sequenza免疫染色架。
    4. 在血清蛋白块10分钟的免费治疗部分。
  4. 初级抗体孵育
    1. 孵育一抗稀释Dako公司抗体稀释液最佳稀释,在室温下1小时。
    2. 在0.05%PBST冲洗3次,每次5分钟。
  5. 上皮面具(角蛋白)孵化
    1. 孵育小鼠抗-泛角蛋白,Dako公司抗体稀释液1:50稀释,4℃过夜° C。
  6. 上皮面具可视化
    1. 准备1:25稀释的羊抗鼠Alexa555小号在预稀释econdary抗体设想山羊兔HRP抗体溶液。在室温下为1.5小时孵育在黑暗中的幻灯片。
    2. 0.05%PBST冲洗3次各为5min。
  7. 目标可视化
    1. 将幻灯片Sequenza湿度试验箱。
    2. 结合目标信号放大的稀释剂(HistoRx浴缸五)在1:50的浓度和Cy5的酪胺(HistoRx管F)的。涡旋调匀。在室温下10分钟的黑暗中孵育的幻灯片。
    3. 在0.05%PBST冲洗3次,每次5分钟。
    4. 在1分80%乙醇脱水幻灯片。
    5. 在黑暗中的空气干燥的幻灯片。
  8. Counterstaining和coverslipping
    1. 申请上盖玻片的DAPI安装介质和地方在组织切片中的盖玻片。
    2. 在黑暗中通宵干幻灯片。
    3. 幻灯片后晾干,用指甲油安全EN确保长期保存,并保持在4℃冰箱。

3。采用全断面扫描的图像捕捉

  1. 负载五个幻灯片在幻灯片卡带Aperio ScanScope FL幻灯片扫描仪。
  2. 对于每一个幻灯片,选择图像在ScanScope控制台中使用的接口一般地区。选择该地区的所有组织,无论染色样品的图案或观察到的其他方面,包括在幻灯片上。
  3. 使用ScanScope控制台,为每个通道(DAPI,Cy3和Cy5)确定最佳曝光如下:
    1. 选择一个区域组织询问 - 理想情况下,这方面应该在肿瘤区域组织提供最佳的代表性。
    2. 使用ScanScope控制台的自动曝光功能,评估每个通道的建议的曝光时间,随着图像的焦点。
    3. 重复以上3-5每个样品的地区合作并将通过稳定的价值。
  4. 选择一个额外的地区(如由蓝色钻石ScanScope控制台形象所示),远离组织,但仍然在幻灯片coverslipped地区,定义每一个过滤器,平场校正的图像将被收购的背景区域。
  5. 图像采集前审查这些图像。如果图像出现高背景或其他图像伪影,图像区域应移动和收购新的图像。
  6. 收购的数字幻灯片图像自动上传到Aperio频谱数据库。

4。 AQUA的自动图像分析

  1. 频谱数据库中的数字整个幻灯片图像和注释肿瘤领域的兴趣,在整个组织和染色模式(S)的范围内。
  2. 选择的幻灯片,从频谱数据库中的数字幻灯片列表分析双击拇指AQUAnalysis钉形象(或者,选择图片旁边的复选框,然后选择“查看图片”,在列表的顶部菜单)。这会自动打开ImageScope软件和合并后的图像色彩的组织样本。
  3. 用这个软件使用的工具提供导航图像。
  4. 使用随附的H&E(物理滑动或注明的形象),标注的荧光图像的利息区域。多个地区的利益,个别地区上空盘旋,可以选择单个样品。还有一个“负面”的工具,它是用来排除选定区域内的地区(即受损的组织,穷人组织学等领域,非肿瘤区,泥石流等)。
  5. 保存在图像上标注层(S)。
  6. 返回到主菜单频谱和选择的形象,只是注明旁边的复选框。选择“分析”从整个列表的顶部的菜单条。
  7. 在Analysis窗口上来了,塞莱CT“HistoRx AQUA的分析”,从下拉菜单。
  8. 如果有多个层次的注解,使用复选框以选择适当的层(S)进行分析。
  9. 按下“分析”按钮,当准备开始。
  10. 此时,一个最小化的控制台窗口将出现在Windows任务栏上。这将显示从频谱数据库的图像传输到本地PC(“拉”操作)的进展。
  11. 一旦数据传输,将推出AQUAnalysis。然后,用户可以使用该软件的内部功能来查看,浏览和分析图像。
  12. 注明地区的形象从波谱数据库被分解成512x512像素的图像砖 - 每个单独取得。
  13. 在这项研究中,基于聚类的无监督的Aqua得分算法用于8。在这个算法中,AQUA的分数产生如下:
    1. 泛角蛋白形象SI上述背景及gnal是阈值的像素是用来定义一个“面具”,然后用于后续计算肿瘤。泛高表达细胞角蛋白像素定义的肿瘤细胞的细胞质/无核武器地区。
    2. 在DAPI通道的高信号,肿瘤内面具的像素确定为核的性质。
    3. 聚类算法还考察要么DAPI染色或角蛋白的表达,并尝试部分归咎于他们要么核或细胞质车厢,或背景进行低强度的像素。
    4. 一旦所有像素被分配到肿瘤的车厢或背景,从靶蛋白(ER或HER2)的信号强度,然后计算每个车厢内车厢的大小和规范化,从而产生AQUA的分数。
    5. 没有足够的肿瘤代表性的图片,没有进球(定义同乐SS代表肿瘤的像素超过5%)。这些地区也产生了“最终结果”的价值,所谓“不及格”,并因此可以在随后的统计分析中删除。
    6. 此外,如果经审查,确定运营商领域,不适合进行打分,由于样品或成像构件(如折叠的组织,碎片),这些领域的节录得分,并制作了“最终结果”所谓“不及格”。
  14. AQUA的评分结果,是与每个地区的利益在整个组织切片样本中的512x512像素的瓷砖的分数表。 。csv格式,这些文件,然后可以被用来为后续的统计分析。

5。统计分析:所有在SPSS进行统计分析(IBM公司)

  1. 在可能的情况下,大作业,生成SPSS语法代码文件(SPS)进行数据处理和分析步骤。例如语法的代码是提供补充文件。
  2. 凡地区有一个“最终结果”,“不及格”(见上文),标记SYSMIS,从而消除他们从数值分析这些值。
  3. 每到一个单一的主SPSS格式的数据集标记(ER或HER2)的所有幻灯片总的所有数据。使用这个主文件为所有随后的计算。
  4. 使用SPSS语法文件(每个标记:ER或HER2(见补充语法文件)的数据进一步验证和辛普森多样性指数的计算方法如下:
    1. 产生主文件的分析,以防止修改先前生成的数据集的主。
    2. 验证对产生的原始数据和图像数据集的主。
    3. 生产AQUA的分数,每个样品(计数字段,汇总统计数据的平均得分,平均得分,minimu米的得分,最高得分,和几十个样本的标准偏差)。
    4. 随机抽样检查,对原始数据输出文件和结果,对原始图像数据得分。
  5. 要产生的热图图像(图2和图3所示):
    1. “斌”的AQUA的得分数据(使用的“视觉分级”功能在SPSS)到8个人层面。对于急诊室,被用于核分数,为HER2基因,细胞质分数。
    2. 推导每个斌代表可用的情况下从整个数据集等百分比,垃圾箱等。
    3. 使用SPSS功能“分割文件”,使所有后续的输出将是一个“每张幻灯片/样本”的水平上。
    4. 每个区域(​​对应到512 × 512瓦)画出其x,y坐标和对应的值分配它的垃圾桶的颜色(见图2和图3)。
  6. 要生成的异质性分数,写代码生成一个辛普森的使用AQUA的分数多样性指数。
    1. Simpson指数的多样性,这里所用,被定义为:
      公式1
      其中N是用于一个给定的样本,n是分数/领域的标准化分数(如下所述产生)的分数/领域的总数。
  7. 使用上述分析的主文件中描述的数据源。在所示的例子中,所有的ER计算中使用的核AQUA的得分和HER2的计算使用细胞质的Aqua得分。执行下面的计算,每个样品/幻灯片。
  8. 由于荧光数据方差不稳定,这样,误差的大小与强度传播,所有旱厕成绩申请数(基数为2)正常化。
  9. 进一步转变归一化数据(日志转​​换)到Z(标准)分数。
    1. Z - score模型转换计算的小号如下:Z =(AQUA的得分 - 所有样品平均分数)/分数为样本的标准偏差。这转换成分数的分布,围绕中央的零偏差值分布的偏差。
  10. 斌这些Z评分值分为六组(<-2,-2 - -1,-1 - 0,0 - 1,1 - 2> 2)。
  11. 计算分配到每个容器和每个容器的总和值。使用此值,随着总数的领域,计算值用于索引的6箱。
  12. 这些值相加,并减去从一个生产多样性指数。
  13. 多样性指数的围绕一个特定的样本平均得分的传播提供了一个指标。因此,较高的指数显示的分数更广泛的传播,或表达的异质性增加。相反,较低的指数,表明表达测量和样品均质表达的变化。这说明在FigurES 2和3。

6。代表性的成果:

有针对性的治疗与毒性相对较低的药物如他莫昔芬和曲妥珠单抗,是不是卵巢癌患者的护理的标准。有足够的证据,铂,紫杉类一线化疗优于其他化疗方案卵巢癌的9-13,而70-80%的患者初步回应,大部分会复发,死于他们的疾病。预测替代疗法的生物标志物的测量,这可能会选择为每一个病人的个体化治疗,因为在肿瘤化疗施加选择压力,幸存的肿瘤细胞可能具有不同的特点,代表了肿瘤治疗前的亚群;量化这变化可能是有用的。我们应用我们的异质性映射方法ER和HER2的表达在卵巢癌化疗前后标本,在奥德r来衡量中表达量的变化,并评估治疗前后之间的生物标志物的表达的关系。 ER和HER2表现出明显的异质性,在个别肿瘤和某些肿瘤,治疗后的Simpson指数从异质性比较高低异质性的变化,通过减少Simpson指数得分(参见图2和3)代表。这支持克隆选择发生在细胞毒性化疗的概念,更重要的是,这可能是利用对剩余人口有针对性的治疗,为了更好的个性化癌症患者的治疗。

图1
图1。苏木精和曙红染色显微照片显示变量形态相同的卵巢癌的不同领域。 (一)X40显微照片显示了两种不同形态的肿瘤邻近地区。高功率的意见(X200)揭示细胞的细胞质结算和固体肿瘤的上部(二)增长格局,而下部(三)组织更均匀的嗜酸性胞浆和乳头状生长模式。然而,这种肿瘤,浆液性乳头状为进一步管理的目的组织学亚型进行分类。

图2
图2角蛋白阳性的卵巢癌组织中ER蛋白表达的异质性heatmaps前(上图)(下半部分)治疗后。

图3
图3角蛋白阳性的卵巢癌组织中的表达,HER2的蛋白质前(上图)后(下图)治疗的异质性heatmaps。

Discussion

本网站所描述的方法允许量化标准福尔马林固定,石蜡包埋肿瘤材料的组织切片的分子异质性。该方法允许一个被分配到的异质性程度在组织部分,所以这可能是考虑到在生物标志物的开发和分析的变量的值。虽然在一般情况下最好是组织的生物标志物来表达,都是同质化,使检测不容易受到抽样误差或偏见,在某些情况下,它可能是有用的量化参数的异质性。例如,在ER和HER2的例证表明,常见的生物标志物显示相当大的异质性表达,目前尚不清楚这是否代表一个独立的预后预测因子与临床结果或对治疗的反应,分别。同样,作为说明,治疗本身可能动态改变细胞组成的人群,因此,测量目标富集可能是有用的指导治疗决定。

然而,技术的限制传统的病理组织学或生物标志物(如免疫组化)分析同样的因素是有限的。结果是依赖于分析组织的类型,大小和质量,并因此,一个单一的组织部分,可能无法代表整个肿瘤。事实上,Simpson指数可能过分偏袒组织的大小(帧捕获和测量AQUA的分数)。被测量表位的免疫原性,可能会受到无法控制的分析前因素artifactually改变整个组织切片(如冷缺血时间,或固定的长度,和边缘神器)的表达。这是特别为磷酸化表位,这是出了名的不稳定14,15的问题。因此,该技术可能更适合切除标本,而不是小的活组织切片检查,以及对多个部分而不仅仅是一个进行。最终,三维成像技术,可以提供一个机会,以更好地量化这个参数。

所提交的技术也可能是由生物因素,如变性的角蛋白掩蔽抗原表位的表达,有限的。特别关注,这可能是这些癌症,包括卵巢癌和乳腺癌,接受上皮间质转化(EMT),或丰富的非上皮成分或细胞16,最近被证明在发生化疗在体外培养 17和乳腺癌患者在治疗18的治疗卵巢癌。使用替代掩蔽抗体(或抗体鸡尾酒),如角蛋白加波形,这是在EMT 16上调,可以克服这个限制。此外,由于该组织的其他组件(麦克风roenvironment),如成纤维细胞或血管内皮细胞也越来越多地被生物疗法的目标,该技术可能也将扩大到得分这些组件,使用车厢的利益,如PECAM / CD31,血管内皮细胞染色具体口罩。

虽然已适应Simpson指数作为衡量异质性,在目前的协议由于其简单,可用于异质性的其他措施,如简单的测量集中趋势,(平均值,方差,中位数,等)。此外,Simpson指数计算可以修改,以更好地满足特定的测试人群。允许使用的Z - score模型转换的得分,以更适用多个标记,由于异质性是围绕一个数据集的平均值的偏差的基础上。然而,整体得分范围可以限制在这种类型的转换。有些设计可能更适合简单bin中的一个特定的标记集所有样品的实际AQUA的分数。箱和截止的选择也是一个范围值,这可能会导致的限制,可用于替代实验设计优化。

我们使用ER和HER2在目前的候选生物标志物研究,因为它们已经在临床上使用,帮助回答与靶向治疗的疗效有关的临床问题,并表现出相当大的异质性和变化,在小学和遥远疾病19。然而,异质性的最佳指标仍有待确定。其他的可能性包括克隆的细胞遗传学标记,如以前在间期FISH 研究 20 。这种方法需要在大,以及注明的临床同伙或临床试验的进一步验证,以进一步建立此参数在癌症生物学相关。

Disclosures

JC,MG名,终审法院首席法官,和CS HistoRx,公司的员工。

Acknowledgments

这项工作是支持的,一部分由苏 ​​格兰拨款委员会(项目编号HR07005; http://www.sfc.ac.uk/ ),医学研究苏格兰( http://www.medicalresearchscotland.org.uk/ ),癌症英国的实验研究癌症医学中心( http://www.cancerresearchuk.org/ ),并突破乳腺癌( http://breakthrough.org.uk/ )。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
ScanScope FL Aperio Technologies ScanScope FL Used as equipped from vendor
Spectrum Aperio Technologies Spectrum Configuration and catalog numbers will vary on how local institutions set up their database and IT structure.
AQUAnalysis, in conjunction with AQUAjustment HistoRx V2.3 The AQUAjustment package allows AQUAnalysis to use images stored in Spectrum.
HER2 Dako A0485 1 in 400 dilution
mouse anti-pan cytokeratin Dako M3515 1 in 50 dilution
Antibody diluent Dako S0809
Envision goat-rabbit HRP Dako K4003
Protein block Dako X0909
Goat anti-mouse Alexa555 Invitrogen A21422
DAPI mounting medium Invitrogen P36931
Cy5 Tyramide HistoRx AQ-EMR1-00001
Sequenza Immunostaining Center Thermo Fisher Scientific, Inc. 73300001 Used here for bench-top immunofluorescence staining

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