In questo articolo viene descritto un protocollo per l'immunofluorescenza multipla (mIF) manuale di amplificazione del segnale di tiramido (TSA) combinato con l'analisi delle immagini e l'analisi spaziale. Questo protocollo può essere utilizzato con sezioni FFPE (paraffina-embedded fissate in formalina) per la colorazione di due o sei antigeni per vetrino a seconda dello scanner di vetrini disponibile in laboratorio.
Il microambiente tumorale (TME) è composto da una pletora di diversi tipi di cellule, come le cellule immunitarie citotossiche e le cellule immunomodulatorie. A seconda della sua composizione e delle interazioni tra cellule tumorali e cellule peritumorali, la TME può influenzare la progressione del cancro. La caratterizzazione dei tumori e del loro complesso microambiente potrebbe migliorare la comprensione delle malattie tumorali e potrebbe aiutare scienziati e medici a scoprire nuovi biomarcatori.
Recentemente abbiamo sviluppato diversi pannelli di immunofluorescenza multiplex (mIF) basati sull'amplificazione del segnale del tiramido (TSA) per la caratterizzazione della TME nel cancro del colon-retto, nel carcinoma a cellule squamose della testa e del collo, nel melanoma e nel cancro del polmone. Una volta completata la colorazione e la scansione dei pannelli corrispondenti, i campioni vengono analizzati su un software di analisi delle immagini. La posizione spaziale e la colorazione di ogni cella vengono quindi esportate da questo software di quantificazione in R. Abbiamo sviluppato script R che ci permettono non solo di analizzare la densità di ciascun tipo di cellula in diversi compartimenti tumorali (ad esempio il centro del tumore, il margine del tumore e lo stroma), ma anche di eseguire analisi basate sulla distanza tra diversi tipi di cellule.
Questo particolare flusso di lavoro aggiunge una dimensione spaziale alla classica analisi della densità già eseguita di routine per diversi marcatori. L'analisi mIF potrebbe consentire agli scienziati di avere una migliore comprensione della complessa interazione tra le cellule tumorali e la TME e di scoprire nuovi biomarcatori predittivi di risposta ai trattamenti, come gli inibitori del checkpoint immunitario e terapie mirate.
Con lo sviluppo di terapie mirate e inibitori del checkpoint immunitario, è diventato della massima importanza caratterizzare meglio le interazioni tra le cellule tumorali e il loro microambiente tumorale, e questo è attualmente un importante campo di ricerca traslazionale. La TME è composta da una pletora di diversi tipi cellulari, con un equilibrio di cellule immunocitotossiche che colpiscono le cellule tumorali e cellule immunomodulatrici che potrebbero favorire la crescita e l'invasività tumorale 1,2,3,4. La caratterizzazione di questo ambiente complesso potrebbe migliorare la comprensione delle malattie tumorali e potrebbe aiutare scienziati e clinici a scoprire nuovi biomarcatori predittivi e prognostici al fine di selezionare meglio i pazienti per il trattamento futuro 5,6. Ad esempio, Galon e il suo team hanno sviluppato l'Immunoscore, che è un metodo di punteggio riproducibile che può essere utilizzato come biomarcatore predittivo. L'Immunoscore viene calcolato utilizzando la densità delle cellule T CD3+ e CD8+ nel margine invasivo e al centro del tumore 7,8.
Negli ultimi decenni sono state sviluppate soluzioni commerciali per mIF, ma queste sono spesso costose e progettate per specifici pannelli di antigeni. Per superare la necessità di pannelli specifici di antigeni nella ricerca accademica e traslazionale, abbiamo sviluppato un metodo economico per eseguire mIF su sezioni tumorali FFPE, consentendo la colorazione di due o sei antigeni aggiunti alla controcolorazione dei nuclei cellulari su campioni umani e murini.
Una volta che le intere sezioni di tessuto sono state colorate e scansionate con uno scanner a vetrini a fluorescenza, i campioni possono essere analizzati da diversi software di analisi delle immagini che supportano grandi set di dati piramidali. Infine, i dati grezzi possono essere utilizzati in un ambiente per il calcolo statistico e grafico come il software R (v.4.0.2) al fine di eseguire analisi di densità e spaziali.
Un protocollo ottimizzato per la colorazione a cinque marcatori, nonché trucchi e suggerimenti per ottimizzare i nuovi pannelli, è presentato in questo manoscritto. Inoltre, vengono spiegati i passaggi dettagliati dell'analisi dell'immagine e le funzioni R utilizzate per l'analisi statistica e spaziale.
Tutti i campioni utilizzati nel presente protocollo provengono da uno studio approvato dai comitati etici locali e autorizzato dall'autorità competente. Tutti i partecipanti allo studio hanno fornito il consenso informato scritto. Lo studio è registrato presso ClinicalTrials.gov (NCT03608046).
1. Immunofluorescenza multiplex
2. Scansione dei vetrini
3. Analisi delle immagini
4. Bioinformatica con R
NOTA: uno script R che fornisce maggiori dettagli sui seguenti passaggi è disponibile su GitHub (benidovskaya/Ring: Pipeline for the analysis of multiplex immunofluorescence stainings. [github.com])
Seguendo questo protocollo, è necessario studiare diversi parametri per garantire che il tessuto sia colorato correttamente. In primo luogo, la colorazione TSA dovrebbe mostrare una buona gamma dinamica quando si utilizzano tempi di esposizione ridotti (in genere 2-100 ms) durante il processo di scansione. Un basso tempo di esposizione implica che l'amplificazione sia stata eseguita correttamente durante la reazione con HRP. Per gli antigeni colorati con l'anticorpo secondario direttamente accoppiato con il fluorocromo, il tempo di esposizione potrebbe essere molto più lungo, il che potrebbe portare al fotosbiancamento (una diminuzione dell'intensità del segnale dovuta a un lungo tempo di esposizione). In secondo luogo, è importante verificare che ogni colorazione mostri un SNR elevato. Un segnale di fondo alto con un segnale di antigene basso può essere un'indicazione che l'anticorpo primario non è abbastanza specifico, che le perossidasi endogene non sono state inattivate correttamente o che un passaggio del protocollo non è stato eseguito adeguatamente. In terzo luogo, a seconda dello scanner di vetrini e dei set di filtri utilizzati per la scansione, è possibile vedere sovrapposizioni tra due colori (ad esempio, AF555, AF594 e AF647). La scelta dei giusti set di filtri sullo scanner e la giusta diluizione degli anticorpi primari sono fondamentali per evitare possibili rilevamenti incrociati. Il controllo di qualità consiste nel rilevamento di singole celle colorate per ciascun marcatore sul file scansionato. Infine, è anche importante aggiungere un controllo positivo e negativo per ogni lotto di colorazione. Per le cellule immunitarie, la tonsilla è un buon controllo positivo. Un risultato rappresentativo della colorazione ottimale è mostrato nella Figura 1.
Figura 1: Carcinoma rettale localmente avanzato colorato mediante immunofluorescenza multiplex. Abbreviazioni: PD-1 = programmed cell death protein 1; PD-L1 = Programmed death-ligand 1; ROR-γ = recettore orfano gamma correlato a RAR; CD3 = cluster di differenziazione 3; hPanCK = pan-citocheratina umana. Ogni colorazione dell'antigene viene scansionata in scala di grigi e i colori presentati nella figura sono pseudocolori. Basso ingrandimento della barra della scala: 200 μm; Barra di scala ad alto ingrandimento: 100 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Rilevamento di nuclei e colorazione di un carcinoma rettale localmente avanzato utilizzando un software di analisi delle immagini. Senza il parametro percentuale di completezza impostato correttamente, il software rileva due cellule CD8+ (cerchio verde) perché sono vicine l'una all'altra, ma solo una cella è macchiata. L'utilizzo del 70% di completezza consente di evitare questo rilevamento di falsi positivi. Verde = hPanCK; Giallo = CD3; Arancione = CD8. Barra scala: 100 μm Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: Analisi delle immagini e ricostituzione R dot-plot di una metastasi del cancro del colon-retto del fegato. Sulla colorazione multiplex (a sinistra), la pan-citocheratina umana è in giallo, CD3 è in verde, CD8 è in azzurro e IDO è in arancione. Sul dot-plot (a destra), le cellule pan-citocheratine + umane sono in giallo, le cellule CD3 + CD8 sono in verde, le cellule CD3 + CD8 + sono in blu e le cellule IDO + sono in arancione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: Analisi di una sezione chirurgica di un HNSCC. (A) Una sezione chirurgica di un HNSCC. Le cellule tumorali sono visibili in verde. Le cellule peritumorali sono visualizzate intorno alle isole tumorali (CD3 in giallo e CD8 in viola). (B) Il centro del tumore (in giallo con un bordo nero) è calcolato bioinformaticamente dall'algoritmo k-nearest-neighbor basato sulla distanza tra le isole tumorali da una singola area. Intorno a quest'area, un margine invasivo (giallo chiaro con un bordo grigio) viene calcolato su una base arbitraria di 500 μm. (C) Le cellule T invasive sono evidenziate con punti neri al centro del tumore e punti grigi nel margine invasivo. Altre cellule T sono evidenziate in punti verde chiaro. Barra scala: 1 mm. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: Mappa termica della densità di diversi tipi cellulari di biopsie localmente avanzate del cancro del retto. La mappa di calore è stata disegnata utilizzando il clustering non supervisionato delle densità di diversi tipi di celle da diversi pannelli multiplex con il pacchetto ComplexHeatmap. Il ridimensionamento e la centratura sono stati utilizzati per la normalizzazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 6: Distanze delle cellule CD4+ e CD8+ da ciascuna cellula IDO+ o tumorale. Le cellule umane pan-citocheratina+ sono in giallo, le cellule CD3 + CD8 sono in verde, le cellule CD3 + CD8 + sono in blu e le cellule IDO + sono in arancione. (A) La distanza minima tra le cellule tumorali e ciascuna cellula T CD8 +. (B) Grafici a barre delle distanze tra le cellule IDO+ e ciascuna cellula T CD8+ (blu) o cellula T CD4+ (verde). (C) Esempio di un campione analizzato dalla funzione G-cross. L'asse y mostra la probabilità che una cellula tumorale incontri un linfocita CD3+ in un raggio compreso tra 0 e 200 μm attorno alla cellula tumorale. Vengono mostrate tre curve; la curva teorica è in verde punteggiato (distribuzione di Poisson), la curva empirica corretta con correzione km è in nero e la curva empirica corretta con correzione del bordo è in rosso punteggiato. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 7: Illustrazione di un Quadratcount. Il calcolo del bordo e il quadratcount sono stati eseguiti utilizzando il pacchetto spatstats. I quadrati più infiltrati (hotspot) possono essere utilizzati per le statistiche a valle. CD4 è in verde, CD8 è in rosso e le cellule tumorali sono in giallo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 8: Diluizione degli anticorpi e ottimizzazione del recupero dell'antigene. Rilevazione cromogenica di PD-1 utilizzando tre diverse diluizioni e due diverse soluzioni di recupero dell'antigene dell'anticorpo primario (citrato pH 6 e EDTA pH 9). Barra scala: 50 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Anticorpo primario | Diluizione | Recupero dell'antigene | Anticorpo secondario | Fluorocromo | Posizione |
PD-1 · | 1/100 | EDTA (pH 9) | Anti-coniglio | AF647 · | 1 |
PD-L1 | 1/1000 | EDTA (pH 9) | Anti-coniglio | AF488 · | 2 |
ROR-γ | 1/200 | EDTA (pH 9) | Anti-mouse | ATT0-425 | 3 |
CD3 | 1/100 | Citrato (pH 6) | Anti-coniglio | AF555 | 4 |
hPanCK | 1/50 | Citrato (pH 6) | Anti-mouse accoppiato con AF750 | 5 |
Tabella 1: Esempio di pannello multiplex ottimizzato. Abbreviazioni: PD-1 = programmed cell death protein 1; PD-L1 = Programmed death-ligand 1; ROR-γ = recettore orfano gamma correlato a RAR; CD3 = cluster di differenziazione 3; hPanCK = pan-citocheratina umana; AF = AlexaFluor; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico. CD3 è usato per rilevare i linfociti T; PD-1 è usato per rilevare i linfociti esausti; ROR- γ viene utilizzato per rilevare Th-17; e hPanCK viene utilizzato per rilevare le cellule tumorali. La colonna posizione indica l'ordine in cui deve essere eseguito il multiplex sequenziale.
I parametri più importanti da prendere in considerazione per ottimizzare la colorazione multiplex sono la diluizione, la specificità e il recupero dell'antigene utilizzato per ciascun anticorpo primario. Prima di iniziare un protocollo multiplex, la diluizione ottimale di ciascun anticorpo primario e il recupero ottimale dell'epitopo (pH 6 o pH 9) devono essere testati utilizzando la colorazione cromogenica (DAB). Si consiglia di testare tre diluizioni per ciascun tampone di recupero dell'antigene: la diluizione che di solito è specificata dal marchio che commercializza l'anticorpo, la stessa diluizione divisa due volte e la stessa diluizione moltiplicata due volte (Figura 8). La scelta della giusta diluizione è un passo molto importante per verificare la specificità anticorpale e ottimizzare il rapporto segnale-rumore (SNR) della colorazione. Dopo aver scelto la giusta diluizione nel DAB, la stessa diluizione deve essere testata per ciascun anticorpo primario utilizzando uniplex TSA. Una volta selezionato il tampone di diluizione e di recupero dell'epitopo per ogni colorazione dell'antigene, è anche importante impostare correttamente la sequenza del multiplex; In particolare, alcuni antigeni sono meglio colorati nella prima posizione e altri nell'ultima posizione. Consigliamo di testare l'etichettatura multiplex utilizzando tutte le possibili permutazioni dell'ordine per scegliere quale colorazione dell'antigene dovrebbe venire prima, seconda, ecc. Questo è anche un passo molto importante perché alcuni antigeni fragili possono essere degradati dopo diversi cicli di recupero dell'epitopo e alcuni antigeni sono meglio colorati dopo diversi cicli di recupero dell'epitopo. Ad esempio, l'SNR è sempre più alto nell'ultima posizione per CD3 e nella prima posizione per la colorazione PD-1. Inoltre, la colorazione di diversi antigeni co-localizzati può essere ostacolata da un effetto ombrello (la saturazione dei siti reattivi della tiramide). Questo può essere attenuato diminuendo la concentrazione di tiramide. Quando l'espressione di un antigene è condizionata dall'espressione di un altro (CD8 presente solo sulle cellule T che esprimono CD3), si consiglia di colorare l'antigene con l'espressione più ampia (CD3 in questo caso) dopo l'altro. Infine, la scelta del fluorocromo giusto per ogni colorazione dell'antigene in base alle specificità dello scanner è anche un passo importante per evitare il rilevamento incrociato.
I maggiori vantaggi di questa tecnica sono l'amplificazione e il rapporto segnale-rumore ottenuto. Tuttavia, questa tecnica ha una limitazione, ovvero che la colorazione è sequenziale e i fluorocromi sono legati covalentemente al tessuto. Tuttavia, dopo aver eseguito tutti i cicli di amplificazione del segnale della tiramide, è anche possibile aggiungere un'ultima colorazione con un anticorpo secondario direttamente accoppiato con un fluorocromo (senza TSA). In alcuni pannelli, abbiamo usato questo metodo per aggiungere colorazione nel canale 750. Ciò era necessario perché nessun tyramide-AF750 era disponibile in commercio in quel momento. Da notare, il tempo di esposizione (durante la scansione) dell'antigene colorato con AF750 sarà molto più lungo rispetto agli altri antigeni colorati con TSA. In tal caso, si consiglia di colorare una proteina altamente espressa come la citocheratina o di aumentare la concentrazione dell'anticorpo primario. In questo modo, è possibile colorare un massimo di cinque o sei antigeni per vetrino in un lotto a seconda dello scanner a fluorescenza.
In opposizione, diverse tecniche disponibili in commercio utilizzano la colorazione seriale con diversi cicli di colorazione, scansione e stripping o fotosbiancamento per migliorare il numero di antigeni che possono essere colorati su una singola sezione di tessuto. Tuttavia, queste tecniche sono spesso dispendiose in termini di tempo, costose, non hanno amplificazione del segnale, richiedono passaggi computazionali avanzati per unire correttamente le scansioni seriali e, nella nostra esperienza, possono indurre danni irreversibili ai tessuti a causa delle numerose fasi della procedura. Tuttavia, è stato riportato che fino a 30 antigeni potrebbero essere colorati su un singolo tessuto utilizzando questo metodo14.
In conclusione, il nostro metodo è una tecnica di immunoistofluorescenza robusta, riproducibile, facile da usare ed economica che può essere utilizzata in qualsiasi laboratorio dotato di uno scanner a vetrini a fluorescenza. È possibile utilizzare qualsiasi anticorpo primario commercializzato adatto per IHC e i pannelli non sono specifici per nessun kit commerciale. L'analisi delle immagini può essere eseguita su diversi programmi, inclusi programmi open source come QuPath e R. Tuttavia, pensiamo che questo metodo potrebbe anche essere migliorato in futuro per pannelli di antigene di grandi dimensioni, consentendo di eseguire la colorazione / scansione seriale dello stesso vetrino con diversi pannelli di antigeni e con il vantaggio dell'amplificazione del segnale.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Gli autori desiderano ringraziare la dottoressa Derouane F per il suo aiuto e supporto. Nicolas Huyghe è un ricercatore sostenuto da una sovvenzione del Fondo nazionale belga per la ricerca scientifica (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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