本文介绍了一种将迭代蛋白染色技术(IBEX)与RNAscope相结合的实验方案。 原位 用于完整固定冷冻组织深度空间表型分析的杂交技术,适用于高分辨率空间谱型分析应用。
方法文章
本文介绍了一种将迭代蛋白染色技术(IBEX)与RNAscope相结合的实验方案。 原位 用于完整固定冷冻组织深度空间表型分析的杂交技术,适用于高分辨率空间谱型分析应用。
本文介绍一种可在完整组织中以单细胞分辨率同时进行蛋白质和核糖核酸(RNA)标志物空间分析的实验方案。实体瘤癌症研究面临的核心问题之一是无法预测患者对治疗干预的响应。解析这些复杂性需要在完整组织内对细胞行为、相互作用及表型进行定量测量。具体而言,蛋白质组和转录组提供的是部分重叠但非冗余的信息,这些信息对于设计合理的免疫治疗策略至关重要。然而,目前尚无简单且经济高效的方法,能够在保留肿瘤微环境中所有细胞关键空间定位信息的同时,深入分析其转录状态和功能状态。为此,我们成功地将IBEX(迭代漂白扩展多重性)平台与HiPlex RNAscope技术相结合,实现了在单细胞分辨率下对高重蛋白质标志物和高重核糖核酸(RNA)转录本的同步可视化。该方法引入了一步改良的RNA靶标修复步骤,以保持细胞核形态,并实现各循环间准确的图像对齐。“Bex-Plex”技术使我们能够在固定冷冻组织上先执行标准的IBEX流程,随后进行HiPlex RNAscope流程,并在其中采用改良的RNA靶标修复步骤,确保与IBEX各循环在细胞核水平上的精确对齐。本方案针对固定冷冻组织进行了优化,支持对转录状态和功能状态的细胞进行整合性空间分析。在单细胞水平上进行此类分析的能力,不仅为组织本身提供了丰富的信息资源,还有助于预测驱动治疗响应的精细细胞间相互作用,从而为研究肿瘤微环境及相关系统中的空间生物学提供了有力框架。
自2011年问世以来,通过阻断抑制性免疫检查点分子(如PDL-1和CTLA-4)以减轻细胞毒性T细胞受抑制的癌症免疫疗法,已成为实体瘤治疗的金标准1。然而,尽管在患者中广泛应用,这些药物的临床疗效差异显著,因为许多实体瘤本身即具有内在耐药性,或最终会发展出对这些疗法的耐药性2。在许多情况下,这是由于实体瘤具有高度异质性,即使在同一癌症类型中亦如此3。更深入地理解实体瘤中发生的细胞间关系,是开发更优治疗策略的关键。因此,明确介导并维持这种耐药性的具体机制和相互作用,已成为癌症研究的前沿课题。本文旨在建立一种方法,实现对完整组织中蛋白质和RNA表达的整合性空间分析,以更准确地表征这些复杂的细胞相互作用。
肿瘤微环境(TME)由非癌细胞及其结构组分构成,可影响肿瘤生长和免疫应答,其中包括与肿瘤相关的成纤维细胞、浸润性免疫细胞、血管组分以及细胞外基质4。近年来,研究已明确TME的组成与空间结构显著影响肿瘤是否允许或抵抗免疫细胞浸润,这是决定免疫治疗疗效的关键因素之一5。在多种癌症中,存在一种“免疫荒漠”表型,其特征是T细胞数量较少且富含高度免疫抑制性的髓系细胞群体,该表型与对免疫检查点阻断疗法反应不佳密切相关6,7。趋化因子信号通路调控了多种免疫细胞的募集过程。例如,CXCL1和CCL2可吸引具有免疫抑制功能的髓系细胞,而CXCR3-CXCL9/CXCL10轴则介导细胞毒性T细胞和调节性T细胞向肿瘤组织的迁移8。因此,特定微环境中的信号网络可强烈影响细胞的表型与功能。例如,在结直肠癌患者中,CCL5-CCR5轴调控肿瘤相关巨噬细胞(TAMs)的免疫抑制功能,阻断该信号通路可使TAMs向抗肿瘤表型转化,并与更好的临床疗效相关9。此外,免疫细胞、肿瘤相关成纤维细胞和/或肿瘤细胞之间通过ICAM和PDL-1发生的直接相互作用,可诱导免疫耗竭并削弱抗肿瘤免疫应答10。综上所述,这些发现凸显了开展空间分辨分析的重要性,以深入理解TME如何影响治疗效果。
免疫荧光(IF)成像仍是可视化组织中蛋白质表达和细胞间相互作用的基础方法。该领域已从传统的3-4色IF发展为依赖多轮染色与成像的高通量成像工作流程。在这些方法中,通过反复进行抗体标记、成像以及荧光染料的淬灭或去除,从而实现更多标志物的染色与成像,生成大规模数据集11。近期推出的迭代淬灭扩展多重性(Iterative Bleaching Extends Multiplexity, IBEX)是一种用户友好且成本效益高的迭代成像平台12。IBEX可兼容商用抗体和常规显微镜,利用硼氢化锂(LiBH4)淬灭多种常用荧光染料的信号,同时不破坏组织中的抗原表位,从而可在单个组织样本中获取多达75个参数13。通过循环染色获得的图像使用SimpleITK开源软件进行配准,生成适用于高维空间分析的整合数据集。
与蛋白质水平的表型分析相辅相成,空间转录组学方法能够提供细胞在其原生微环境中转录状态的宝贵信息。值得注意的是,原位杂交(in-situ hybridization, ISH)是一种常用技术,可用于鉴定特定组织中DNA或RNA序列的定位11。RNAscope是一种成熟的ISH方法,采用具有独特Z结构的探针,在单分子分辨率下特异性扩增RNA转录本,并适用于多种不同类型的样本14。作为由Advanced Cell Diagnostics(ACD)公司提供的广泛应用且商业化平台,RNAscope提供了针对多种靶标的经验证探针,从而简化了各类应用的实验设计。
通过在同一组织中联合检测蛋白质和RNA,可以获得更全面的细胞身份与功能信息。短寿命的分泌蛋白(如细胞因子和趋化因子)传统上难以通过免疫组化(IHC)实现可靠的抗体染色,但通过定量其mRNA转录本可获取相关表达信息。以往的RNA与蛋白质共检测方法(如传统的显色IHC或TSA-OPAL)受限于非线性的信号放大以及耗时的抗原修复步骤15。与这些方法相比,Bex-Plex技术能够在保持空间背景和细胞核形态以实现精确图像配准的同时,实现高重蛋白质和RNA的同步检测。
本文介绍了“Bex-Plex”技术,该方案整合了IBEX和RNAscope平台,可对天然组织中细胞的转录和翻译状态进行同步、可量化的表征。在Bex-Plex中,固定后包埋于OCT中的组织首先进行标准的IBEX流程,随后采用稍作修改的RNAscope HiPlex工作流程,其中靶点修复步骤在60°C下孵育1小时,而非原始方案中的99°C孵育5分钟。此条件有助于保持细胞核结构的完整性,从而在将免疫荧光(IF)和原位杂交(ISH)循环获得的独立图像整合为一幅图像时,实现定位标记的精确对齐。该方案特别适用于需要在完整组织中同步进行蛋白质与RNA表达空间分析的研究,尤其适用于组织样本有限或空间结构的保存至关重要的研究场景,例如肿瘤微环境分析或免疫谱型研究。
Bex-Plex 实验使用广泛可得的试剂,并且兼容大多数成像平台,任何熟悉荧光成像并可使用常规显微镜的技术熟练科研人员均可开展该实验。本文所展示的方案已针对固定冷冻样本进行了优化。目前,该方案已在固定冷冻组织中得到验证,若应用于其他类型的样本(如福尔马林固定石蜡包埋样本或人类临床标本),可能需要进一步优化。
对于组织样本有限或珍贵的情况(如组织活检或样本量有限的动物实验),以及使用解离技术难以提取的细胞表型分析,该工作流程将具有重要价值。Bex-Plex 能够在保留细胞空间位置信息的同时,提供单个细胞转录组和翻译组的同步、可量化数据,这些数据特别适用于研究细胞在其原始环境中相互关系及信号交流的问题。
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本方案中所述实验程序已获得加州大学圣地亚哥分校机构动物护理和使用委员会(协议编号 S24049)的批准。实验所用小鼠为7至12周龄、C57BL/6遗传背景的雄性和雌性小鼠,饲养于特定病原体阴性条件下。
1. 组织制备
2. 组织切片
注意:本方案所用的所有试剂和实验材料必须为无RNase的。处理载玻片时需注意防止污染。
3. 蛋白质染色
4. 荧光团淬灭与迭代性蛋白质染色
5. RNAscope HiPlex 的载玻片制备
6. RNAscope 试剂准备与探针杂交
7. 探针扩增
注意:将试剂应用于载玻片前,请确保所有试剂均已平衡至室温。
8. 裂解荧光团与迭代RNA杂交
9. 图像处理
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图1: Bex-Plex工作流程概览。
固定后的冷冻组织切片置于铬矾涂层载玻片上,进行最多3轮标准IBEX流程,随后进行最多3轮RNAScope HiPlex流程,其中初始靶标修复步骤在60°C下进行1小时。来自不同循环的图像随后利用定位标记物(例如DAPI)进行图像配准与对齐,以生成用于下游分析的多重数据集。请点击此处查看该图的放大版本。
我们采用上述方案对小鼠胰腺导管腺癌(PDAC)模型的肿瘤微环境(TME)进行表征 (...
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Bex-Plex 工作流程将迭代性蛋白质染色平台 IBEX 与 RNAscope 原位 杂交技术相结合,能够在单细胞分辨率下同时检测蛋白质和RNA转录本。本实验方案的主要目标是提供一种可重复的方法,用于对完整组织内蛋白质和RNA表达进行整合式空间分析。在同一组织中同时检测蛋白质和RNA表达此前面临诸多技术挑战:成本高昂、抗原修复步骤复杂、多重检测能力有限、分辨率不足(非单细胞水平)、信号放大非线性,以及下游分析需要复杂的生物信息学流程17,18,19。与现有的多重免疫荧光、OPAL/TSA染色和空间转录组学平台相比,Bex-Plex 能够在保持空间背景和细胞核形态完整的前提下,实现可重复、定量且高重数的同步检测。此外,Bex-Plex 可在标准实验室环境中完成,生成的数据具有单细胞分辨率,且易于后续处理。利用该方案深入理解多种组织环境中(如肿瘤微环境)的细胞间相互作用,对于开发更有效的免疫疗法并改善不同疾病状态下的患者预后至关重要。
我们的方法在包埋于OCT中的固定组织上进行,遵循标准的IBEX工作流程而不作修改,随后采用稍作调整的RNAsc...
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作者声明不存在竞争性财务利益。在本稿件的撰写过程中未使用任何基于人工智能的工具。
作者贡献:
SK 参与了数据整理、数据分析、研究和撰写。CM 参与了数据整理。PH 参与了数据分析。AV 参与了数据整理。VM 参与了研究构想、数据整理、数据分析、研究监督和撰写。
本工作由加州大学圣地亚哥分校儿科学系过敏、免疫与风湿病学部以及美国国立卫生研究院国家普通医学科学研究所资助 R00GM147841(MOSAIC K99/R00)和国家癌症研究所 U54CA272220(加州大学圣地亚哥分校 FIRST 项目)提供支持。作者还要特别感谢 Andrea Radtke 建立了原始的 IBEX 方法,若无此方法,我们将无法开发出 Bex-Plex。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1.5 ml 微量离心管 | Biopioneer | MCNT-1.5F | |
| 200 证明乙醇(EtOH) | Fisher Scientific | BP28184 | |
| 20X SSC 缓冲液 | Invitrogen | AM9765 | |
| 24 孔板 | |||
| Alexa Fluor 488 抗小鼠 CD11b 抗体 | Biolegend | 101217 | |
| Alexa Fluor 523 抗小鼠 CD3e 抗体 | Invitrogen | 58-0032-82 | |
| Alexa Fluor 647 抗小鼠 Ly6G 抗体 | Biolegend | 127610 | |
| Alexa Fluor 700 抗小鼠 CD68 抗体 | Biolegend | 137025 | |
| BD Cytofix/Cytoperm 固定与通透溶液 | BD | 554722 | |
| 铬明胶 | Fisher | NC1692262 | |
| 共聚焦显微镜(例如 Leica Stellaris) | |||
| 冷冻模具 | VWR | 25608-922 | |
| 冷冻切片机(例如 CryoStar NX50 Cryostat) | Thermofisher Scientific | 957100 | |
| 冷冻切片机刀片(例如 Leica 低剖面一次性刀片 DB80LX) | Leica Biosystems | 14035843496 | |
| DAPI | Thermofisher Scientific | 62248 | |
| 解剖显微镜(例如 Zeiss SteREO Discovery.V8) | |||
| 解剖工具 | |||
| 干冰 | |||
| 载玻片染色浸渍罐(例如 Simport Scientific EasyDip 载玻片染色罐) | Fisher Scientific | 22-038-489 | |
| Fluoromount-G | Fisher | OB10001 | |
| 加热恒温水浴 | |||
| 组织学刷(例如 Ted Pella 驼毛刷) | Fisher Scientific | NC2023341 | |
| 杂交炉(例如 HybEZ II 杂交系统) | ACD | 321710 | |
| 可选图像分析软件 | |||
| ImmEdge 疏水屏障 PAP 笔 | Vector Laboratories | H-4000 | |
| Kimwipes | VWR | 21905-026 | |
| 硼氢化锂 | STREM Chemicals | 93-0397 | |
| 微量移液器(P-10、P-20、P-200、P-1000) | |||
| 小型微量离心机(例如 Corning LSE 小型微量离心机) | Corning | 6770 | |
| 小鼠 BD Fc 封闭剂 | BD | 553142 | |
| 1.5 号盖玻片 | VWR | 48393-241 | |
| 移液器吸头(P-10、P-20、P-200、P-1000) | |||
| RNAscope HiPlex 探针,mm-CD274-T7 | ACD | 420501-T7 | |
| RNAscope HiPlex 探针,mm-IL-10-T6 | ACD | 317261-T6 | |
| RNAscope HiPlex12 试剂盒 v2(包含检测试剂、裂解储备液、蛋白酶试剂、靶点修复试剂和洗涤缓冲液) | ACD | 324409 | |
| RNAscope 蛋白酶 III | ACD | 322337 | |
| RNase ZAP | Millipore Sigma | R2020-250 | |
| Simple ITK 软件:https://github.com/niaid/sitk-ibex | |||
| 载玻片染色托盘/湿室 | |||
| 蔗糖 Bioxtra | Sigma | S7903-1KG | |
| Superfrost Plus 显微载玻片 | VWR | 48311-703 | |
| Tissue-Tek OCT 包埋剂 | VWR | 25608-930 | |
| Tween-20,分子生物学级 | Promega | H5152 | |
| UltraPure 无 DNase/RNase 水 | Fisher Scientific | 10977023 |
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