Summary

Kvantifiering av proteinuttryck och samlokalisering Använda Multiplex Immuno-histokemisk färgning och multispektrala

Published: April 08, 2016
doi:

Summary

Immunohistochemistry is a powerful lab technique for evaluating protein localization and expression within tissues. Current semi-automated methods for quantitation introduce subjectivity and often create irreproducible results. Herein, we describe methods for multiplexed immunohistochemistry and objective quantitation of protein expression and co-localization using multispectral imaging.

Abstract

Immunohistochemistry is a commonly used clinical and research lab detection technique for investigating protein expression and localization within tissues. Many semi-quantitative systems have been developed for scoring expression using immunohistochemistry, but inherent subjectivity limits reproducibility and accuracy of results. Furthermore, the investigation of spatially overlapping biomarkers such as nuclear transcription factors is difficult with current immunohistochemistry techniques. We have developed and optimized a system for simultaneous investigation of multiple proteins using high throughput methods of multiplexed immunohistochemistry and multispectral imaging. Multiplexed immunohistochemistry is performed by sequential application of primary antibodies with secondary antibodies conjugated to horseradish peroxidase or alkaline phosphatase. Different chromogens are used to detect each protein of interest. Stained slides are loaded into an automated slide scanner and a protocol is created for automated image acquisition. A spectral library is created by staining a set of slides with a single chromogen on each. A subset of representative stained images are imported into multispectral imaging software and an algorithm for distinguishing tissue type is created by defining tissue compartments on images. Subcellular compartments are segmented by using hematoxylin counterstain and adjusting the intrinsic algorithm. Thresholding is applied to determine positivity and protein co-localization. The final algorithm is then applied to the entire set of tissues. Resulting data allows the user to evaluate protein expression based on tissue type (ex. epithelia vs. stroma) and subcellular compartment (nucleus vs. cytoplasm vs. plasma membrane). Co-localization analysis allows for investigation of double-positive, double-negative, and single-positive cell types. Combining multispectral imaging with multiplexed immunohistochemistry and automated image acquisition is an objective, high-throughput method for investigation of biomarkers within tissues.

Introduction

Immunohistokemi (IHC) är en standard lab teknik för detektering av protein i vävnad, och IHC fortfarande används i stor utsträckning både forskning och diagnostiska patologi. Utvärderingen av IHC färgning är ofta halvkvantitativ, införa eventuell bias i tolkningen av resultaten. Många halv kvantitativa metoder har utvecklats som innefattar både färgningsintensitet och färgning utsträckning i slutlig diagnos 1-4. Andra system inkluderar poäng intensitet och subcellulär plats för att bättre lokalisera uttryck 5. Inkorporering av den genomsnittliga poängen från flera tittare används ofta för att minimera effekterna av enstaka betraktaren partiskhet 6. Trots dessa ansträngningar, fortfarande subjektivitet i analysen, särskilt vid bedömningen av omfattningen av färgning 7. Protokoll standardisering och minimera subjektivitet från mänsklig ingången är av största vikt att skapa exakta, reproducerbara IHC resultat.

innehåll "> Det finns andra alternativ förutom IHC för att bestämma proteinuttryck i vävnader. Inom forskningsmiljön har immunohistokemi traditionellt setts som ett sätt att undersöka protein lokalisering 8, medan andra tekniker såsom immunoblotting betraktas som gold standard för att undersöka proteinuttryck . Fastställande vävnad eller cellfack specifikt uttryck är svårt utan att införliva avancerade tekniker såsom cellfraktionering eller laser capture microdissection 9,10. användningen av fluorescerande antikroppar på vävnadsglas ger en rimlig kompromiss, men bakgrunden autofluorescens på grund av NADPH, lipofuscins, retikulär fibrer, kollagen och elastin kan göra exakt kvantifiering svårt 11.

Automatiserade beräknings patologi plattformar är en lovande riktning för mer objektiv kvantifiering av patologi färgning 12-15. Kombinera multispektrala avbildning med vävnads microarraysunderlättar hög genomströmning analys av proteinuttryck i stora provstorlekar. Med dessa tekniker är möjlig analys av protein samlokalisering, färgning heterogenitet, och vävnad och subcellulär lokalisering medan avsevärt minska både inneboende fördomar och tid som behövs för analys, medan återvänder data i en kontinuerlig snarare än kategoriska format 16. Därför är syftet med denna studie var att visa nyttan av och metod för att utföra multiplex immunohistokemi med analys, med hjälp av multispektral bildbehandlingsprogram.

Detta protokoll är skriven för manuell, multiplex immunhistokemisk färgning av en enda vävnadssnitt glida med fyra optimerade monoklonala antikroppar. Som ett representativt experiment, är kärnantikanin östrogenreceptor-alfa (ERa) och androgenreceptorn (AR) multiplexeras med membranbundna anti-mus-CD147 och membranbundna anti-mus-E-cadherin. Alla antikropp val kan utbytbarheted för antikropparna som anges häri, men varje kombination av antikroppar kräver separat optimering. Pre-behandling för alla antikropparna måste vara identiska. AR och CD147-antikroppar bör optimeras individuellt och sedan som en cocktail. Varje antikropp detekteras med hjälp av en biotin-fri polymersystemet och en av 4 unika kromogener.

Protocol

OBS: protokollet beskriver häri färgning och analys av ett vävnadsmicroarray (TMA), beskrivits tidigare 12,17,18. Den 4 pm tjock TMA sektion erhölls från en paraffin-block med användning av en standard-mikrotom. OBS: En spektral bibliotek för 4 kromogener och kontrast bör skapas för bild kvantifiering. För att göra detta, bör optimerat protokoll för varje enskild antikropp köras med en antikropp per bild, minus den slutliga kontrast. En femte slide bör färgades med hematoxylin för att generera de 5 bilder…

Representative Results

I figur 1, är utbildning som genomförts på prostatavävnad till bilder segment i epiteliala och stromala delar, tillsammans med den icke-vävnadsrummet. Genom att använda epitelmembranet markör E-cadherin, var cellsegmente utföras för att separera nucleus, cytoplasman och membrandelar, som visas i figur 2. I ett experiment använde vi multiplexerade IHC att undersöka uttrycket och loka…

Discussion

Användning av traditionella immunohistokemi för utvärdering proteinuttryck är begränsat av subjektiva, halv kvantitativa analysmetoder 22,23. Advance plattformar har skapats för hög genomströmning analys av biomarkörer uttryck och lokalisering. Detaljerad segmentering av både vävnad och subcellulära fack tillåter användare att studera biomarkör uttryck, lokalisering, och samlokalisering med andra markörer av intresse. I tidigare studier har vi visat användbarheten av IHC och multispektral avb…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Författarna tackar University of Wisconsin translationell forskning Initiativ i patologi laboratorium, delvis med stöd av UW Institutionen för patologi och laboratoriemedicin och UWCCC bidrag P30 CA014520, för användning av sina anläggningar och tjänster.

Materials

Xylene Fisher Chemical X3F1GAL NFPA rating:Health – 2, Fire – 3 , Reactivity-0
Ethyl Alcohol-200 proof Fisher Scientific 4355223 NFPA rating:Health – 0, Fire – 3 , Reactivity-0
Tris Base Fisher Scientific BP152-500 NFPA rating:Health – 2, Fire – 0 , Reactivity-0
Tris Hydroxymethyl aminomethane HCl Fisher Scientific BP153-1 NFPA rating:Health – 2, Fire – 0 , Reactivity-0
Tween 20 Chem-Impex 1512 NFPA rating:Health – 0, Fire –1 , Reactivity-0
Phosphate-buffered saline Fisher Scientific BP2944-100 NFPA rating:Health – 1, Fire –0 , Reactivity-0
Peroxidazed Biocare Medical PX968 Avoid contact with skin and eyes. May cause skin irritation and eye damage.
Diva Decloaker  Biocare Medical DV2004 This product has been classified as non‐hazardous based on the physical  and/or  chemical nature and/or concentration of ingredients. 
Estrogen Receptor alpha Thermo Fisher Scientific-Labvision RM9101 Not classified as hazardous
Androgen Receptor SCBT sc-816 Not classified as hazardous
CD147 Biodesign P87535M Not classified as hazardous
E-cadherin Dako M3612 Not classified as hazardous
Renoir Red Andibody Diluent Biocare Medical PD904 It is specially designed to work with Tris-based antibodies
DeCloaking Chamber  Biocare Medical Model DC2002 Take normal precautions for using a pressure cooker
Barrier pen-Immuno Edge  Vector Labs H-4000
Denaturing Kit-Elution step Biocare Medical DNS001H Not classified as hazardous
Mach 2 Goat anti-Rabbit HRP Polymer Biocare Medical RHRP520 Not classified as hazardous
Mach 2 Goat anti-Rabbit AP Polymer Biocare Medical RALP525 Not classified as hazardous
Mach 2 Goat anti-Mouse HRP Polymer Biocare Medical M3M530 Not classified as hazardous
Betazoid DAB Chromogen Kit Biocare Medical BDB2004 1. DAB is known to be a suspected carcinogen.
2. Do not expose DAB components to strong light or direct sunlight.
3. Wear appropriate personal protective equipment and clothing.
4. DAB may cause sensitization of skin. Avoid contact with skin and eyes.
5. Observe all federal, state and local environmental regarding disposal
Warp Red Chromogen Kit Biocare Medical WR806 Corrosive. Acid that may cause skin irritation or eye damage. 
Vina Green Chromogen Kit Biocare Medical BRR807 Harmful if swallowed
Bajoran Purple Chromogen Kit Biocare Medical BJP807 Flammable liquid. Keep away from heat, flames and sparks. Harmful by ingestion or absorption. Avoid contact with skin or eyes, and avoid inhalation.
Cat Hematoxylin Biocare Medical CATHE Purple  solution  with  a  mild  acetic  acid  (vinegar)  scent.  May  be
 irritating  to  skin  or  eyes.  Avoid  contact  with  skin  and  eyes.  Avoid  ingestion.
XYL Mounting Media Richard Allen 8312-4 NFPA rating:Health – 2, Fire – 3 , Reactivity-0
1.5 Coverslips Fisher Brand 22266858 Sharp edges
Incubation (Humidity)Chamber obsolete obsolete Multiple vendors available
Convection Oven Stabil- Therm C-4008-Q
Background Punisher Blocking Reagent Biocare Medical BP974 This product is not classified as hazardous. 
inForm software PerkinElmer CLS135781 Primary multispectral imaging software used in manuscript
Nuance software PerkinElmer NUANCEEX Software used for making spectral libraries within manuscript
Vectra microscope and slide scanner PerkinElmer VECTRA Automated slide scanner and microscope for obtaining IM3 image cubes

References

  1. Valdman, A., et al. Expression of redox pathway enzymes in human prostatic tissue. Anal Quant Cytol Histol. 31 (6), 367-374 (2009).
  2. Rimm, D. L., Camp, R. L., Charette, L. A., Olsen, D. A., Provost, E. Amplification of tissue by construction of tissue microarrays. Exp Mol Pathol. 70 (3), 255-264 (2001).
  3. Jonmarker, S., et al. Expression of PDX-1 in prostate cancer, prostatic intraepithelial neoplasia and benign prostatic tissue. APMIS. 116 (6), 491-498 (2008).
  4. McCarty, K. S., Miller, L. S., Cox, E. B., Konrath, J., McCarty, K. S. Estrogen receptor analyses. Correlation of biochemical and immunohistochemical methods using monoclonal antireceptor antibodies. Arch Pathol Lab Med. 109 (8), 716-721 (1985).
  5. Volante, M., et al. Somatostatin receptor type 2A immunohistochemistry in neuroendocrine tumors: a proposal of scoring system correlated with somatostatin receptor scintigraphy. Mod Pathol. 20 (11), 1172-1182 (2007).
  6. Muris, J. J., et al. Immunohistochemical profiling of caspase signaling pathways predicts clinical response to chemotherapy in primary nodal diffuse large B-cell lymphomas. Blood. 105 (7), 2916-2923 (2005).
  7. Jaraj, S. J., et al. Intra- and interobserver reproducibility of interpretation of immunohistochemical stains of prostate cancer. Virchows Arch. 455 (4), 375-381 (2009).
  8. Nakane, P. K., Pierce, G. B. Enzyme-labeled antibodies: preparation and application for the localization of antigens. J Histochem Cytochem. 14 (12), 929-931 (1966).
  9. Peters, T. J. Investigation of tissue organelles by a combination of analytical subcellular fractionation and enzymic microanalysis: a new approach to pathology. J Clin Pathol. 34 (1), 1-12 (1981).
  10. Emmert-Buck, M. R., et al. Laser Capture Microdissection. Science. 274 (5289), 998-1001 (1996).
  11. Waters, J. C. Accuracy and precision in quantitative fluorescence microscopy. J Cell Biol. 185 (7), 1135-1148 (2009).
  12. Huang, W., Hennrick, K., Drew, S. A colorful future of quantitative pathology: validation of Vectra technology using chromogenic multiplexed immunohistochemistry and prostate tissue microarrays. Hum Pathol. 44 (1), 29-38 (2013).
  13. Rimm, D. L. C-Path: A Watson-Like Visit to the Pathology Lab. Science Translational Medicine. 3 (108), (2011).
  14. Fiore, C., et al. Utility of multispectral imaging in automated quantitative scoring of immunohistochemistry. J Clin Pathol. 65 (6), 496-502 (2012).
  15. Stack, E. C., Wang, C., Roman, K. A., Hoyt, C. C. Multiplexed immunohistochemistry, imaging, and quantitation: A review, with an assessment of Tyramide signal amplification, multispectral imaging and multiplex analysis. Methods. 70 (1), 46-58 (2014).
  16. Rizzardi, A. E., et al. Quantitative comparison of immunohistochemical staining measured by digital image analysis versus pathologist visual scoring. Diagn Pathol. 7, 42 (2012).
  17. Bauman, T. M., et al. Characterization of fibrillar collagens and extracellular matrix of glandular benign prostatic hyperplasia nodules. PLoS One. 9 (10), e109102 (2014).
  18. Bauman, T. M., et al. Beta-catenin is elevated in human benign prostatic hyperplasia specimens compared to histologically normal prostate tissue. Am J Clin Exp Urol. 2 (4), 313-322 (2014).
  19. Bauman, T. M., Ewald, J. A., Huang, W., Ricke, W. A. CD147 expression predicts biochemical recurrence after prostatectomy independent of histologic and pathologic features. BMC Cancer. 15 (1), 549 (2015).
  20. Bauman, T. M., et al. Finasteride treatment alters tissue specific androgen receptor expression in prostate tissues. Prostate. 74 (9), 923-932 (2014).
  21. Nicholson, T. M., Sehgal, P. D., Drew, S. A., Huang, W., Ricke, W. A. Sex steroid receptor expression and localization in benign prostatic hyperplasia varies with tissue compartment. Differentiation. 85 (4-5), 140-149 (2013).
  22. Taylor, C. R., Levenson, R. M. Quantification of immunohistochemistry–issues concerning methods, utility and semiquantitative assessment II. Histopathology. 49 (4), 411-424 (2006).
  23. Matos, L. L., Trufelli, D. C., de Matos, M. G., da Silva Pinhal, M. A. Immunohistochemistry as an important tool in biomarkers detection and clinical practice. Biomark Insights. 5, 9-20 (2010).
  24. Kononen, J., et al. Tissue microarrays for high-throughput molecular profiling of tumor specimens. Nat Med. 4 (7), 844-847 (1998).
  25. Ong, C. W., et al. Computer-assisted pathological immunohistochemistry scoring is more time-effective than conventional scoring, but provides no analytical advantage. Histopathology. 56 (4), 523-529 (2010).
check_url/53837?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Bauman, T. M., Ricke, E. A., Drew, S. A., Huang, W., Ricke, W. A. Quantitation of Protein Expression and Co-localization Using Multiplexed Immuno-histochemical Staining and Multispectral Imaging. J. Vis. Exp. (110), e53837, doi:10.3791/53837 (2016).

View Video