En este artículo, se describe un protocolo para la inmunofluorescencia múltiple (mIF) de amplificación manual de señal de tiramida (TSA) combinada con análisis de imágenes y análisis espacial. Este protocolo se puede utilizar con secciones fijadas en parafina con formalina (FFPE) para la tinción de dos a seis antígenos por portaobjetos, dependiendo del escáner de portaobjetos disponible en el laboratorio.
El microambiente tumoral (TME) se compone de una gran cantidad de diferentes tipos de células, como las células inmunes citotóxicas y las células inmunomoduladoras. Dependiendo de su composición y de las interacciones entre las células cancerosas y las células peritumorales, el TME puede afectar la progresión del cáncer. La caracterización de los tumores y su complejo microambiente podría mejorar la comprensión de las enfermedades del cáncer y puede ayudar a los científicos y médicos a descubrir nuevos biomarcadores.
Recientemente desarrollamos varios paneles de inmunofluorescencia multiplex (mIF) basados en la amplificación de señal de tiramida (TSA) para la caracterización del TME en cáncer colorrectal, carcinoma de células escamosas de cabeza y cuello, melanoma y cáncer de pulmón. Una vez finalizada la tinción y el escaneo de los paneles correspondientes, las muestras se analizan en un software de análisis de imágenes. La posición espacial y la tinción de cada célula se exportan desde este software de cuantificación a R. Desarrollamos scripts R que nos permiten no solo analizar la densidad de cada tipo de célula en varios compartimentos tumorales (por ejemplo, el centro del tumor, el margen del tumor y el estroma), sino también realizar análisis basados en la distancia entre diferentes tipos de células.
Este flujo de trabajo en particular agrega una dimensión espacial al análisis de densidad clásico que ya se realiza rutinariamente para varios marcadores. El análisis de mIF podría permitir a los científicos tener una mejor comprensión de la compleja interacción entre las células cancerosas y el TME y descubrir nuevos biomarcadores predictivos de respuesta a los tratamientos, como los inhibidores del punto de control inmunitario y las terapias dirigidas.
Con el desarrollo de terapias dirigidas e inhibidores de puntos de control inmunitario, se ha vuelto de suma importancia caracterizar mejor las interacciones entre las células cancerosas y su microambiente tumoral, y este es actualmente un campo importante de investigación traslacional. El TME está compuesto por una plétora de diferentes tipos de células, con un equilibrio de células citotóxicas inmunes dirigidas a las células cancerosas y células inmunomoduladoras que podrían favorecer el crecimiento tumoral y la invasividad 1,2,3,4. La caracterización de este entorno complejo podría mejorar la comprensión de las enfermedades oncológicas y puede ayudar a los científicos y clínicos a descubrir nuevos biomarcadores predictivos y pronósticos para seleccionar mejor a los pacientes para el tratamiento futuro 5,6. Por ejemplo, Galon y su equipo desarrollaron el Immunoscore, que es un método de puntuación reproducible que se puede utilizar como un biomarcador predictivo. El Immunoscore se calcula utilizando la densidad de linfocitos T CD3+ y CD8+ en el margen invasivo y en el centro del tumor 7,8.
En las últimas décadas, se han desarrollado soluciones comerciales para mIF, pero a menudo son costosas y están diseñadas para paneles específicos de antígenos. Para superar la necesidad de paneles específicos de antígenos en la investigación académica y traslacional, desarrollamos un método rentable para realizar mIF en secciones tumorales FFPE, permitiendo la tinción de dos a seis antígenos agregados a la contratinción de núcleos celulares en muestras humanas y de ratón.
Una vez que todas las secciones de tejido se tiñen y escanean con un escáner de portaobjetos de fluorescencia, las muestras pueden ser analizadas por varios programas de análisis de imágenes que admiten grandes conjuntos de datos piramidales. Finalmente, los datos sin procesar se pueden utilizar en un entorno para computación estadística y gráficos como el software R (v.4.0.2) para realizar análisis de densidad y espaciales.
En este manuscrito se presenta un protocolo optimizado para la tinción de cinco marcadores, así como trucos y consejos para optimizar nuevos paneles. Además, se explican los pasos detallados del análisis de imágenes y las funciones R utilizadas para el análisis estadístico y espacial.
Todas las muestras utilizadas en el presente protocolo provienen de un estudio aprobado por los comités de ética locales y autorizado por la autoridad competente. Todos los participantes en el estudio dieron su consentimiento informado por escrito. El ensayo está registrado con ClinicalTrials.gov (NCT03608046).
1. Inmunofluorescencia múltiple
2. Escaneo de diapositivas
3. Análisis de imágenes
4. Bioinformática usando R
NOTA: Un script R que proporciona más detalles sobre los siguientes pasos está disponible en GitHub (benidovskaya/Ring: Pipeline for the analysis of multiplex immunofluorescence stainings. [github.com])
Siguiendo este protocolo, se deben investigar varios parámetros para garantizar que el tejido se tiñe correctamente. En primer lugar, la tinción TSA debe mostrar un buen rango dinámico cuando se utilizan tiempos de exposición bajos (generalmente 2-100 ms) durante el proceso de escaneo. Un tiempo de exposición bajo implica que la amplificación se ha realizado correctamente durante la reacción con HRP. Para los antígenos teñidos con el anticuerpo secundario directamente acoplado con el fluorocromo, el tiempo de exposición podría ser mucho más largo, lo que podría conducir a un fotoblanqueo (una disminución en la intensidad de la señal debido a un largo tiempo de exposición). En segundo lugar, es importante verificar que cada tinción muestre una SNR alta. Una señal de fondo alta con una señal de antígeno baja puede ser una indicación de que el anticuerpo primario no es lo suficientemente específico, que las peroxidasas endógenas no se inactivaron correctamente o que un paso del protocolo no se realizó adecuadamente. En tercer lugar, dependiendo del escáner de diapositivas y los conjuntos de filtros utilizados para el escaneo, es posible ver superposiciones entre dos colores (por ejemplo, AF555, AF594 y AF647). La elección de los conjuntos de filtros correctos en el escáner y la dilución de anticuerpos primarios correctos son cruciales para evitar posibles detecciones cruzadas. El control de calidad consiste en la detección de células teñidas individuales para cada marcador en el archivo escaneado. Por último, también es importante añadir un control positivo y negativo para cada lote de tinción. Para las células inmunes, la amígdala es un buen control positivo. Un resultado representativo de la tinción óptima se muestra en la Figura 1.
Figura 1: Cáncer rectal localmente avanzado teñido por inmunofluorescencia múltiple. Abreviaturas: PD-1 = proteína de muerte celular programada 1; PD-L1 = ligando de muerte programada 1; ROR-γ = receptor huérfano gamma relacionado con RAR; CD3 = grupo de diferenciación 3; hPanCK = pancitoqueratina humana. Cada tinción de antígeno se escanea en escala de grises, y los colores presentados en la figura son pseudocolores. Barra de escala de bajo aumento: 200 μm; Barra de escala de gran aumento: 100 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Detección de núcleos y tinción de un cáncer rectal localmente avanzado utilizando un software de análisis de imágenes. Sin el parámetro de porcentaje de completitud configurado correctamente, el software detecta dos células CD8 + (círculo verde) porque están cerca una de la otra, pero solo una celda está teñida. El uso de un 70% de integridad ayuda a evitar esta detección de falsos positivos. Verde = hPanCK; amarillo = CD3; Naranja = CD8. Barra de escala: 100 μm Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Análisis de imagen y reconstitución del diagrama de puntos R de una metástasis de cáncer colorrectal de hígado. En la tinción múltiple (izquierda), la pancitoqueratina humana está en amarillo, CD3 está en verde, CD8 está en azul claro y IDO está en naranja. En el diagrama de puntos (derecha), las células pancitoqueratina + humanas están en amarillo, las células CD3 + CD8 − están en verde, las células CD3 + CD8 + están en azul y las células IDO + están en naranja. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Análisis de una sección quirúrgica de un HNSCC. (A) Una sección quirúrgica de un HNSCC. Las células cancerosas son visibles en verde. Las células peritumorales se visualizan alrededor de los islotes tumorales (CD3 en amarillo y CD8 en púrpura). (B) El centro del tumor (en amarillo con un borde negro) se calcula bioinformáticamente mediante el algoritmo k-nearest-neighbor basado en la distancia entre las islas tumorales de una sola área. Alrededor de esta área, se calcula un margen invasivo (amarillo claro con un borde gris) sobre una base arbitraria de 500 μm. (C) Las células T invasivas se resaltan con puntos negros en el centro del tumor y puntos grises en el margen invasivo. Otras células T se resaltan en puntos verdes claros. Barra de escala: 1 mm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Mapa de calor de la densidad de diferentes tipos de células de biopsias de cáncer de recto localmente avanzadas. El mapa de calor se dibujó utilizando la agrupación no supervisada de las densidades de diferentes tipos de células de diferentes paneles multiplex con el paquete ComplexHeatmap. El escalado y el centrado se utilizaron para la normalización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 6: Distancias de las células CD4+ y CD8+ a cada célula IDO+ o tumoral. Las células pancitoqueratina + humanas están en amarillo, las células CD3 + CD8 − están en verde, las células CD3 + CD8 + están en azul y las células IDO + están en naranja. (A) La distancia más cercana entre las células tumorales y cada célula T CD8 +. (B) Gráficos de barras de las distancias entre las células IDO+ y cada célula T CD8+ (azul) o linfocitos T CD4+ (verde). (C) Ejemplo de una muestra analizada por la función G-cross. El eje y muestra la probabilidad de que una célula tumoral encuentre un linfocito CD3+ en un radio que oscila entre 0 y 200 μm alrededor de la célula tumoral. Se muestran tres curvas; la curva teórica está en verde punteado (distribución de Poisson), la curva empírica corregida con corrección km está en negro y la curva empírica corregida con corrección de borde está en rojo punteado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 7: Ilustración de un cuadrado. El cálculo del borde y el recuento de cuadrantes se realizaron utilizando el paquete spatstats. Los cuadrados más infiltrados (hotspots) se pueden usar para estadísticas posteriores. CD4 está en verde, CD8 está en rojo y las células tumorales están en amarillo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 8: Dilución de anticuerpos y optimización de la recuperación de antígenos. Detección cromogénica de PD-1 utilizando tres diluciones diferentes y dos soluciones diferentes de recuperación de antígenos del anticuerpo primario (Citrato pH 6 y EDTA pH 9). Barra de escala: 50 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Anticuerpo primario | Dilución | Recuperación de antígenos | Anticuerpo secundario | Fluorocromo | Posición |
PD-1 | 1/100 | EDTA (pH 9) | Anti-conejo | AF647 | 1 |
PD-L1 | 1/1000 | EDTA (pH 9) | Anti-conejo | AF488 | 2 |
ROR-γ | 1/200 | EDTA (pH 9) | Anti-ratón | ATT0-425 | 3 |
CD3 | 1/100 | Citrato (pH 6) | Anti-conejo | AF555 | 4 |
hPanCK | 1/50 | Citrato (pH 6) | Anti-ratón acoplado con AF750 | 5 |
Tabla 1: Ejemplo de un panel multiplex optimizado. Abreviaturas: PD-1 = proteína de muerte celular programada 1; PD-L1 = ligando de muerte programada 1; ROR-γ = receptor huérfano gamma relacionado con RAR; CD3 = grupo de diferenciación 3; hPanCK = pancitoqueratina humana; AF = AlexaFluor; EDTA = ácido etilendiaminotetraacético. CD3 se utiliza para detectar linfocitos T; PD-1 se utiliza para detectar linfocitos agotados; ROR- γ se utiliza para detectar Th-17; y hPanCK se utiliza para detectar células tumorales. La columna de posición indica el orden en que se debe realizar el múltiplex secuencial.
Los parámetros más importantes a tener en cuenta para optimizar la tinción múltiple son la dilución, la especificidad y la recuperación de antígenos utilizados para cada anticuerpo primario. Antes de comenzar un protocolo multiplex, la dilución óptima de cada anticuerpo primario y la recuperación óptima del epítopo (pH 6 o pH 9) deben probarse mediante tinción cromogénica (DAB). Aconsejamos probar tres diluciones para cada tampón de recuperación de antígeno: la dilución que generalmente especifica la marca que comercializa el anticuerpo, la misma dilución dividida dos veces y la misma dilución multiplicada por dos (Figura 8). Elegir la dilución correcta es un paso muy importante para verificar la especificidad del anticuerpo y optimizar la relación señal-ruido (SNR) de la tinción. Después de elegir la dilución correcta en el DAB, se debe probar la misma dilución para cada anticuerpo primario utilizando TSA uniplex. Una vez que se seleccionan el tampón de dilución y recuperación de epítopos para cada tinción de antígeno, también es importante configurar correctamente la secuencia del múltiplex; Específicamente, algunos antígenos se tiñen mejor en la primera posición y otros en la última posición. Aconsejamos probar el etiquetado múltiplex utilizando todas las permutaciones de orden posibles para elegir qué tinción de antígenos debe venir primero, segundo, etc. Este es también un paso muy importante porque algunos antígenos frágiles pueden degradarse después de varias rondas de recuperación de epítopos, y algunos antígenos se tiñen mejor después de varias rondas de recuperación de epítopos. Por ejemplo, la SNR siempre es más alta en la última posición para CD3 y en la primera posición para la tinción de PD-1. Además, la tinción de varios antígenos colocalizados puede verse obstaculizada por un efecto paraguas (la saturación de los sitios reactivos de tiramida). Esto puede atenuarse disminuyendo la concentración de tiramida. Cuando la expresión de un antígeno está condicionada por la expresión de otro (CD8 solo presente en células T que expresan CD3), aconsejamos teñir el antígeno con la expresión más amplia (CD3 en este caso) después del otro. Finalmente, elegir el fluorocromo correcto para cada tinción de antígeno de acuerdo con las especificidades del escáner también es un paso importante para evitar la detección cruzada.
Las principales ventajas de esta técnica son la amplificación y la relación señal-ruido obtenida. Sin embargo, esta técnica viene con una limitación, que es que la tinción es secuencial, y los fluorocromos están unidos covalentemente al tejido. Sin embargo, después de realizar todas las rondas de amplificación de la señal de tiramida, también es posible agregar una última tinción con un anticuerpo secundario directamente acoplado con un fluorocromo (sin TSA). En algunos paneles, utilizamos este método para agregar tinción en el canal 750. Esto era necesario porque no había tiramida-AF750 disponible comercialmente en ese momento. Cabe destacar que el tiempo de exposición (durante la exploración) del antígeno teñido con AF750 será mucho más largo que para los otros antígenos teñidos con TSA. En ese caso, aconsejamos teñir una proteína altamente expresada como la citoqueratina o aumentar la concentración del anticuerpo primario. Al hacer eso, es posible teñir un máximo de cinco a seis antígenos por portaobjetos en un lote dependiendo del escáner de fluorescencia.
En oposición, varias técnicas disponibles comercialmente utilizan la tinción en serie con varias rondas de tinción, escaneo y extracción o fotoblanqueo para mejorar el número de antígenos que se pueden teñir en una sola sección de tejido. Sin embargo, estas técnicas a menudo consumen mucho tiempo, son costosas, no tienen amplificación de señal, requieren pasos computacionales avanzados para fusionar los escaneos en serie correctamente y, en nuestra experiencia, pueden inducir daños irreversibles en los tejidos debido a los numerosos pasos del procedimiento. Sin embargo, se ha descrito que hasta 30 antígenos podrían ser teñidos en un solo tejido utilizando este método14.
En conclusión, nuestro método es una técnica de inmunohistofluorescencia robusta, reproducible, fácil de usar y rentable que se puede usar en cualquier laboratorio que posea un escáner de diapositivas de fluorescencia. Se puede usar cualquier anticuerpo primario comercializado adecuado para IHQ, y los paneles no son específicos para ningún kit comercial. El análisis de imágenes se puede realizar en varios programas diferentes, incluidos programas de código abierto como QuPath y R. Sin embargo, creemos que este método podría incluso mejorarse en el futuro para paneles de antígenos grandes, permitiendo realizar tinción / escaneo en serie de la misma diapositiva con diferentes paneles de antígenos y con la ventaja de la amplificación de la señal.
Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.
Los autores desean agradecer a la Dra. Derouane F por su ayuda y apoyo. Nicolas Huyghe es investigador apoyado por una beca del Fondo Nacional Belga para la Investigación Científica (Télévie/FNRS 7460918F).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
anti-CD3 primary antibody | Abcam | ab16669 | rabbit monocolonal |
anti-CD8 primary antibody | DAKO | M710301 | mouse monoclonal |
anti-hPanCK primary antibody | DAKO | M3515 | mouse monoclonal |
anti-PD-1 primary antibody | Cell Signalling | D4W2J | rabbit monocolonal |
anti-PD-L1 primary antibody | Cell Signalling | 13684 | rabbit monocolonal |
anti-RORC primary antibody | Sigma | MABF81 | mouse monoclonal |
ATTO-425 | ATTOtec | ||
Axioscan Z1 | Zeiss | Light source: Colibri 7 (385, 430, 475, 555, 590, 630, 735 nm) Filtersets: Excitation 379/34 – beam splitter 409 – emission 440/40; Excitation 438/24 – beam splitter 458 – emission 483/32; Excitation 490/20 – beam splitter 505 – emission 525/20; Excitation 546/10 – beam splitter 556 – emission 572/23; Excitation 592/21 – beam splitter 610 – emission 630/30; Excitation 635/18 – beam splitter 652 – emission 680/42; Excitation 735/40 – beam splitter QBS 405 + 493 + 611 + 762 - emission QBP 425/30 + 524/51 + 634/38 + 785/38; Objective: Plan-Apochromat 20x/0.8; Camera : Orca Flash 4.0 V3 | |
Borosilicate Cover Glass | VWR | 631-0146 | |
Envision+ anti-mouse | DAKO | K4001 | |
Envision+ anti-rabbit | DAKO | K4003 | |
Fluorescence mounting medium | DAKO | S3023 | |
Goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 750 | ThermoFischer | A-21037 | |
HALO software | Indicalabs | ||
Hoescht | Sigma | 14533 | |
Superfrost plus microscope slides | Fisherscientific/Epredia | 10149870 | |
Tyramide-AF488 | ThermoFischer | B40953 | |
Tyramide-AF555 | ThermoFischer | B04955 | |
Tyramide-AF647 | ThermoFischer | B04958 |
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