Dans cet article, un protocole d’immunofluorescence multiplex (mIF) manuelle d’amplification du signal tyramide (TSA) combiné à l’analyse d’images et à l’analyse spatiale est décrit. Ce protocole peut être utilisé avec des coupes de paraffine fixées au formol (FFPE) pour la coloration de deux à six antigènes par lame selon le scanner de lames disponible en laboratoire.
Le microenvironnement tumoral (TME) est composé d’une pléthore de différents types de cellules, telles que les cellules immunitaires cytotoxiques et les cellules immunomodulatrices. Selon sa composition et les interactions entre les cellules cancéreuses et les cellules péritumorales, le TME peut affecter la progression du cancer. La caractérisation des tumeurs et de leur microenvironnement complexe pourrait améliorer la compréhension des maladies cancéreuses et pourrait aider les scientifiques et les cliniciens à découvrir de nouveaux biomarqueurs.
Nous avons récemment développé plusieurs panels d’immunofluorescence multiplex (mIF) basés sur l’amplification du signal tyramide (TSA) pour la caractérisation du TME dans le cancer colorectal, le carcinome épidermoïde de la tête et du cou, le mélanome et le cancer du poumon. Une fois la coloration et le balayage des panneaux correspondants terminés, les échantillons sont analysés sur un logiciel d’analyse d’images. La position spatiale et la coloration de chaque cellule sont ensuite exportées de ce logiciel de quantification vers R. Nous avons développé des scripts R qui nous permettent non seulement d’analyser la densité de chaque type de cellule dans plusieurs compartiments tumoraux (par exemple, le centre de la tumeur, la marge de la tumeur et le stroma), mais aussi d’effectuer des analyses à distance entre différents types de cellules.
Ce flux de travail particulier ajoute une dimension spatiale à l’analyse de densité classique déjà effectuée régulièrement pour plusieurs marqueurs. L’analyse mIF pourrait permettre aux scientifiques de mieux comprendre l’interaction complexe entre les cellules cancéreuses et le TME et de découvrir de nouveaux biomarqueurs prédictifs de la réponse aux traitements, tels que les inhibiteurs du point de contrôle immunitaire et les thérapies ciblées.
Avec le développement de thérapies ciblées et d’inhibiteurs de points de contrôle immunitaires, il est devenu de la plus haute importance de mieux caractériser les interactions entre les cellules cancéreuses et leur microenvironnement tumoral, et c’est actuellement un domaine important de la recherche translationnelle. Le TME est composé d’une pléthore de différents types cellulaires, avec un équilibre de cellules cytotoxiques immunitaires ciblant les cellules cancéreuses et de cellules immunomodulatrices qui pourraient favoriser la croissance tumorale et le caractère invasif 1,2,3,4. La caractérisation de cet environnement complexe pourrait améliorer la compréhension des maladies cancéreuses et pourrait aider les scientifiques et les cliniciens à découvrir de nouveaux biomarqueurs prédictifs et pronostiques afin de mieux sélectionner les patients pour un traitement futur 5,6. Par exemple, Galon et son équipe ont développé l’Immunoscore, qui est une méthode de notation reproductible qui peut être utilisée comme biomarqueur prédictif. L’Immunoscore est calculé en utilisant la densité des lymphocytes T CD3+ et CD8+ dans la marge invasive et au centre de la tumeur 7,8.
Au cours des dernières décennies, des solutions commerciales pour mIF ont été développées, mais celles-ci sont souvent coûteuses et conçues pour des panels spécifiques d’antigènes. Pour surmonter le besoin de panels spécifiques d’antigènes dans la recherche universitaire et translationnelle, nous avons développé une méthode rentable pour effectuer mIF sur des coupes tumorales FFPE, permettant la coloration de deux à six antigènes ajoutés aux noyaux cellulaires contre-coloration sur des échantillons humains et murins.
Une fois que les sections de tissus entiers sont colorées et scannées avec un scanner de lames de fluorescence, les échantillons peuvent être analysés par plusieurs logiciels d’analyse d’images prenant en charge de grands ensembles de données pyramidales. Enfin, les données brutes peuvent être utilisées dans un environnement de calcul statistique et graphique comme le logiciel R (v.4.0.2) afin d’effectuer des analyses de densité et spatiales.
Un protocole optimisé pour la coloration à cinq marqueurs, ainsi que des trucs et astuces pour optimiser les nouveaux panneaux, sont présentés dans ce manuscrit. De plus, les étapes détaillées de l’analyse d’images et les fonctions R utilisées pour l’analyse statistique et spatiale sont expliquées.
Tous les échantillons utilisés dans le présent protocole proviennent d’une étude approuvée par les comités d’éthique locaux et autorisée par l’autorité compétente. Tous les participants à l’étude ont fourni un consentement éclairé écrit. L’essai est enregistré auprès de ClinicalTrials.gov (NCT03608046).
1. Immunofluorescence multiplex
2. Numérisation des diapositives
3. Analyse d’images
4. Bioinformatique utilisant R
REMARQUE: Un script R fournissant plus de détails sur les étapes suivantes est disponible sur GitHub (benidovskaya / Ring: Pipeline pour l’analyse des colorations d’immunofluorescence multiplexe. [github.com])
En suivant ce protocole, plusieurs paramètres doivent être étudiés pour s’assurer que le tissu est correctement coloré. Tout d’abord, la coloration TSA doit afficher une bonne plage dynamique lors de l’utilisation de temps d’exposition faibles (généralement de 2 à 100 ms) pendant le processus de numérisation. Un temps d’exposition faible implique que l’amplification a été effectuée correctement lors de la réaction avec HRP. Pour les antigènes colorés avec l’anticorps secondaire directement couplé au fluorochrome, le temps d’exposition pourrait être beaucoup plus long, ce qui pourrait entraîner un photoblanchiment (une diminution de l’intensité du signal due à un long temps d’exposition). Deuxièmement, il est important de vérifier que chaque coloration affiche un rapport signal/bruit élevé. Un signal de fond élevé avec un signal antigénique faible peut indiquer que l’anticorps primaire n’est pas assez spécifique, que les peroxydases endogènes n’ont pas été inactivées correctement ou qu’une étape du protocole n’a pas été effectuée correctement. Troisièmement, en fonction du scanner de diapositives et des jeux de filtres utilisés pour la numérisation, il est possible de voir des chevauchements entre deux couleurs (par exemple, AF555, AF594 et AF647). Le choix des bons jeux de filtres sur le scanner et la bonne dilution des anticorps primaires sont cruciaux pour éviter d’éventuelles détections croisées. Le contrôle de la qualité consiste à détecter des cellules colorées uniques pour chaque marqueur sur le fichier numérisé. Enfin, il est également important d’ajouter un contrôle positif et négatif pour chaque lot de coloration. Pour les cellules immunitaires, l’amygdale est un bon contrôle positif. Un résultat représentatif de la coloration optimale est présenté à la figure 1.
Figure 1 : Cancer du rectum localement avancé coloré par immunofluorescence multiplexe. Abréviations :-1 = protéine de mort cellulaire programmée 1; -L1 = ligand de mort programmé 1; ROR-γ = récepteur gamma orphelin lié au RAR; CD3 = groupe de différenciation 3; hPanCK = pan-cytokératine humaine. Chaque coloration antigénique est scannée en niveaux de gris, et les couleurs présentées dans la figure sont des pseudo-couleurs. Faible grossissement de la barre d’échelle: 200 μm; Barre d’échelle Grossissement élevé : 100 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Détection des noyaux et des colorations d’un cancer du rectum localement avancé à l’aide d’un logiciel d’analyse d’images. Sans le paramètre de pourcentage d’exhaustivité correctement défini, le logiciel détecte deux cellules CD8+ (cercle vert) parce qu’elles sont proches l’une de l’autre, mais une seule cellule est colorée. L’utilisation d’une exhaustivité de 70 % permet d’éviter cette détection de faux positifs. Vert = hPanCK; Jaune = CD3; Orange = CD8. Barre d’échelle : 100 μm Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Analyse d’images et reconstitution par diagramme de points R d’une métastase du cancer colorectal du foie. Sur la coloration multiplex (à gauche), la pancytokératine humaine est en jaune, CD3 en vert, CD8 en bleu clair et IDO en orange. Sur le diagramme à points (à droite), les cellules pancytokératine+ humaines sont en jaune, les cellules CD3+CD8− en vert, les cellules CD3+CD8+ en bleu et les cellules IDO+ en orange. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Analyse d’une section chirurgicale d’un HNSCC. (A) Section chirurgicale d’un HNSCC. Les cellules cancéreuses sont visibles en vert. Les cellules péri-tumorales sont visualisées autour des îlots tumoraux (CD3 en jaune et CD8 en violet). (B) Le centre de la tumeur (en jaune avec une bordure noire) est calculé bio-informatique par l’algorithme k-plus proche-voisin basé sur la distance entre les îlots tumoraux d’une seule zone. Autour de cette zone, une marge invasive (jaune clair avec une bordure grise) est calculée sur une base arbitraire de 500 μm. (C) Les lymphocytes T invasifs sont mis en évidence par des points noirs au centre de la tumeur et des points gris dans la marge invasive. Les autres lymphocytes T sont surlignés par des points vert clair. Barre d’échelle: 1 mm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : Carte thermique de la densité de différents types cellulaires de biopsies du cancer du rectum localement avancées. La carte thermique a été dessinée à l’aide d’un regroupement non supervisé des densités de différents types de cellules à partir de différents panneaux multiplex avec le package ComplexHeatmap. La mise à l’échelle et le centrage ont été utilisés pour la normalisation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Distances des cellules CD4+ et CD8+ à chaque cellule IDO+ ou cellule tumorale. Les cellules pancytokératines+ humaines sont en jaune, les cellules CD3+CD8− en vert, les cellules CD3+CD8+ en bleu et les cellules IDO+ en orange. (A) La distance la plus proche entre les cellules tumorales et chaque lymphocytes T CD8+. (B) Diagrammes à barres des distances entre les cellules IDO+ et chaque lymphocyte T CD8+ (bleu) ou T CD4+ (vert). (C) Exemple d’échantillon analysé par la fonction G-cross. L’axe des y montre la probabilité qu’une cellule tumorale rencontre un lymphocyte CD3+ dans un rayon allant de 0 à 200 μm autour de la cellule tumorale. Trois courbes sont représentées; la courbe théorique est en pointillé vert (distribution de Poisson), la courbe empirique corrigée avec correction de km est en noir et la courbe empirique corrigée avec correction de bordure est en pointillé rouge. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Illustration d’un quadratcount. Le calcul des frontières et le comptage des quadrats ont été effectués à l’aide du progiciel spatstats. Les carrés les plus infiltrés (hotspots) peuvent être utilisés pour les statistiques en aval. CD4 est en vert, CD8 est en rouge et les cellules tumorales sont en jaune. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Dilution des anticorps et optimisation de l’extraction des antigènes. Détection chromogénique de-1 à l’aide de trois dilutions différentes et de deux solutions différentes de récupération d’antigènes de l’anticorps primaire (Citrate pH 6 et EDTA pH 9). Barre d’échelle: 50 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Anticorps primaire | Dilution | Récupération d’antigènes | Anticorps secondaire | Fluorochrome | Position |
-1 | 1/100 | EDTA (pH 9) | Anti-lapin | AF647 | 1 |
-L1 | 1/1000 | EDTA (pH 9) | Anti-lapin | AF488 | 2 |
ROR-γ | 1/200 | EDTA (pH 9) | Anti-souris | ATT0-425 | 3 |
CD3 | 1/100 | Citrate (pH 6) | Anti-lapin | AF555 | 4 |
hPanCK | 1/50 | Citrate (pH 6) | Anti-souris couplé avec AF750 | 5 |
Tableau 1 : Exemple d’un panneau multiplex optimisé. Abréviations :-1 = protéine de mort cellulaire programmée 1; -L1 = ligand de mort programmé 1; ROR-γ = récepteur gamma orphelin lié au RAR; CD3 = groupe de différenciation 3; hPanCK = pancytokératine humaine; AF = AlexaFluor; EDTA = acide éthylènediaminetétraacétique. CD3 est utilisé pour détecter les lymphocytes T; -1 est utilisé pour détecter les lymphocytes épuisés; ROR-γ est utilisé pour détecter Th-17; et hPanCK est utilisé pour détecter les cellules tumorales. La colonne position indique l’ordre dans lequel le multiplex séquentiel doit être exécuté.
Les paramètres les plus importants à prendre en considération pour optimiser la coloration multiplex sont la dilution, la spécificité et le prélèvement d’antigène utilisé pour chaque anticorps primaire. Avant de commencer un protocole multiplex, la dilution optimale de chaque anticorps primaire et la récupération optimale des épitopes (pH 6 ou pH 9) doivent être testées par coloration chromogène (DAB). Nous conseillons de tester trois dilutions pour chaque tampon de récupération d’antigène : la dilution qui est habituellement spécifiée par la marque commercialisant l’anticorps, la même dilution divisée deux fois et la même dilution multipliée par deux (Figure 8). Le choix de la bonne dilution est une étape très importante pour vérifier la spécificité des anticorps et optimiser le rapport signal sur bruit (SNR) de la coloration. Après avoir choisi la bonne dilution dans le DAB, la même dilution doit être testée pour chaque anticorps primaire à l’aide de TSA uniplex. Une fois que le tampon de dilution et de récupération d’épitopes est sélectionné pour chaque coloration antigénique, il est également important de configurer correctement la séquence du multiplexe; Plus précisément, certains antigènes sont mieux colorés à la première position et d’autres à la dernière position. Nous conseillons de tester le marquage multiplex en utilisant toutes les permutations d’ordre possibles pour choisir quelle coloration antigénique doit venir en premier, en second, etc. C’est aussi une étape très importante car certains antigènes fragiles peuvent être dégradés après plusieurs cycles de récupération d’épitopes, et certains antigènes sont mieux colorés après plusieurs cycles de récupération d’épitopes. Par exemple, le SNR est toujours plus élevé en dernière position pour le CD3 et en première position pour la coloration-1. De plus, la coloration de plusieurs antigènes co-localisés peut être entravée par un effet parapluie (la saturation des sites réactifs au tyramide). Cela peut être atténué en diminuant la concentration de tyramide. Lorsque l’expression d’un antigène est conditionnée par l’expression d’un autre (CD8 uniquement présent sur les lymphocytes T exprimant CD3), nous conseillons de colorer l’antigène avec l’expression la plus large (CD3 dans ce cas) après l’autre. Enfin, choisir le bon fluorochrome pour chaque coloration antigénique en fonction des spécificités du scanner est également une étape importante pour éviter les détections croisées.
Les principaux avantages de cette technique sont l’amplification et le rapport signal sur bruit obtenu. Cependant, cette technique est limitée par le fait que la coloration est séquentielle et que les fluorochromes sont liés de manière covalente au tissu. Néanmoins, après avoir effectué toutes les tournées d’amplification du signal tyramide, il est également possible d’ajouter une dernière coloration avec un anticorps secondaire directement couplé à un fluorochrome (pas de TSA). Dans certains panneaux, nous avons utilisé cette méthode pour ajouter des taches dans le canal 750. Cela était nécessaire car aucun tyramide-AF750 n’était disponible dans le commerce à cette époque. Il est à noter que le temps d’exposition (pendant l’analyse) de l’antigène coloré avec AF750 sera beaucoup plus long que pour les autres antigènes colorés avec TSA. Dans ce cas, nous conseillons de colorer une protéine fortement exprimée telle que la cytokératine ou d’augmenter la concentration de l’anticorps primaire. Ce faisant, il est possible de colorer un maximum de cinq à six antigènes par lame dans un lot en fonction du scanner à fluorescence.
En revanche, plusieurs techniques disponibles dans le commerce utilisent la coloration en série avec plusieurs cycles de coloration, de balayage et de décapage ou de photoblanchiment pour améliorer le nombre d’antigènes pouvant être colorés sur une seule section de tissu. Cependant, ces techniques sont souvent longues, coûteuses, n’ont pas d’amplification du signal, nécessitent des étapes de calcul avancées pour fusionner correctement les scans série et, selon notre expérience, peuvent induire des lésions tissulaires irréversibles en raison des nombreuses étapes de la procédure. Néanmoins, il a été rapporté que jusqu’à 30 antigènes pouvaient être colorés sur un seul tissu en utilisant cette méthode14.
En conclusion, notre méthode est une technique d’immunohistofluorescence robuste, reproductible, facile à utiliser et rentable qui peut être utilisée dans n’importe quel laboratoire possédant un scanner de lames de fluorescence. Tout anticorps primaire commercialisé adapté à l’IHC peut être utilisé, et les panels ne sont pas spécifiques à des kits commerciaux. L’analyse d’image peut être effectuée sur plusieurs programmes différents, y compris des programmes open-source tels que QuPath et R. Cependant, nous pensons que cette méthode pourrait même être améliorée à l’avenir pour les grands panneaux d’antigènes, permettant d’effectuer une coloration / balayage en série de la même lame avec différents panneaux d’antigènes et avec l’avantage de l’amplification du signal.
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à déclarer.
Les auteurs tiennent à remercier la Dre Derouane F pour son aide et son soutien. Nicolas Huyghe est chercheur soutenu par une bourse du Fonds national de la recherche scientifique (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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