Summary

Die Quantifizierung der Proteinexpression und Co-Lokalisation Mit Multiplexed immunhistochemischen Anfärbung und Multispektraltechnik

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

Immunhistochemie (IHC) ist eine Standardlaborverfahren zum Nachweis von Protein in Gewebe und IHC ist immer noch weit verbreitet in Forschung und Diagnose der Pathologie verwendet. Die Auswertung der IHC-Färbung ist oft semi-quantitative, Potentialvorspannung in die Interpretation der Ergebnisse einzuführen. Viele semi-quantitative Ansätze wurden die 1-4 sowohl Färbeintensität und Färbung Ausmaß in die endgültige Diagnose integrieren entwickelt. Andere Systeme sind Scoring – Intensität und subzellulären Ort, um eine bessere Ausdruck 5 lokalisieren. Der Einbau von Durchschnittswerte von mehreren Zuschauern wird häufig genutzt , um die Auswirkungen der einzelnen Betrachter Bias 6 zu minimieren. Trotz dieser Bemühungen bei der Analyse, Subjektivität noch bleibt, vor allem bei der Bewertung des Ausmaßes der 7 – Färbung. Protokoll Standardisierung und zur Minimierung der Subjektivität von menschlichen Input ist von größter Bedeutung genaue, reproduzierbare IHC Ergebnisse zu schaffen.

Inhalt "> Es gibt andere Optionen neben IHC für die Proteinexpression in Geweben zu bestimmen. Im Rahmen des Forschungs Einstellung hat Immunhistochemie traditionell als Mittel angesehen Proteinlokalisierung 8, während andere Techniken wie Immunoblotting angesehen werden als Goldstandard für die Untersuchung von Protein – Expression zu untersuchen , . Bestimmung Gewebe oder Zellkompartiment spezifische Expression ist schwierig , ohne fortgeschrittene Techniken wie Zell Fraktionierung oder Laser Mikrodissektion 9,10 enthält. Die Verwendung von fluoreszierenden Antikörpern auf Gewebeschnitten einen vernünftigen Kompromiß bietet, aber aufgrund NADPH Hintergrund – Autofluoreszenz, Lipofuscine, retikuläre Fasern, Kollagen und Elastin kann 11 genaue Quantifizierung erschweren.

Automatisierte Rechen Pathologie Plattformen sind eine vielversprechende Richtung für mehr objektive Quantifizierung der Pathologie Färbung 12-15. Die Kombination von multispektrale Bild mit Gewebe-Mikroarrayserleichtert Hochdurchsatz-Analyse der Proteinexpression in großen Stichprobengrößen. Mit diesen Techniken Analyse von Protein – Co-Lokalisation, Färbungs Heterogenität und Gewebe und subzelluläre Lokalisierung ist möglich , während im Wesentlichen sowohl inhärent vorspannt und die Zeit , die zur Analyse zu reduzieren, während die Daten in einem kontinuierlichen und nicht kategorische Format 16 zurückkehrt. Daher war das Ziel dieser Studie zur Durchführung einer Multiplex-Immunhistochemie mit Analyse die Nützlichkeit und die Methodik zu veranschaulichen, multispektrale Abbildungssoftware.

Dieses Protokoll wird für die manuelle, multiplex immunhistochemische Färbung eines einzigen Gewebeschnitt Schlitten mit vier optimierte monoklonalen Antikörpern geschrieben. Als ein repräsentatives Experiment werden Kern anti-Kaninchen-Östrogenrezeptor alpha (ER & agr;) und Androgen-Rezeptor (AR) gemultiplext mit membrangebundenen anti-Maus-CD147 und membrangebundenen anti-Maus-E-Cadherin. Jeder Antikörper der Wahl kann Substituted für die aufgeführten Antikörper hier, aber jede Kombination von Antikörpern erfordert getrennte Optimierung. Vorbehandlung für alle Antikörper müssen identisch sein. Die AR und CD147-Antikörper sollten einzeln und dann als Cocktail optimiert werden. Jeder Antikörper erkannt wird ein Biotin freie Polymersystems und eines von 4 einzigartigen Chromogene verwendet wird.

Protocol

HINWEIS: Das Protokoll beschreibt hierin Färbung und Analyse eines Gewebemikroarray (TMA), die zuvor 12,17,18 beschrieben. Das 4 um dicke TMA Abschnitt wurde aus einem Paraffinblock mit einem Standard-Mikrotom erhalten. HINWEIS: Eine spektrale Bibliothek für die 4 Chromogene und counterstain sollte für die Bild Quantifizierung erstellt werden. Um dies zu tun, sollte das optimierte Protokoll für jeden einzelnen Antikörper mit einem Antikörper pro Folie ausgeführt werden, abzüglich der letzten counterstain. Eine fü…

Representative Results

In Figur 1 ist die Ausbildung auf Prostatagewebe zu segmentieren Bilder in Epithel- und Stroma – Abschnitte durchgeführt, zusammen mit dem nicht-Kompartiment. Unter Verwendung der epithelialen Membranmarker E-Cadherin, Zellsegmentierung durchgeführt , den Zellkern, Zytoplasma und Membranabschnitte zu trennen, die in 2 gezeigt. In einem Experiment haben wir gemultiplexten IHC verwendet , um d…

Discussion

Die Verwendung von traditionellen Immunhistochemie zur Bewertung der Proteinexpression durch subjektive, semi-quantitative Methoden der Analyse 22,23 begrenzt. Advance-Plattformen sind für Hochdurchsatz-Analyse von Biomarkern Expression und Lokalisation erstellt. Detaillierte Segmentierung der beiden Gewebe und subzellulärer Kompartimente ermöglicht es Benutzern, Biomarker Ausdruck zu studieren, Lokalisierung und Co-Lokalisation mit anderen Markern von Interesse. In früheren Studien haben wir die Brauchba…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren danken der University of Wisconsin Translational Forschungsinitiativen in der Pathologie Labor, teilweise durch die UW Abteilung für Pathologie und Labormedizin und UWCCC Zuschuss P30 CA014520 unterstützt, für die Benutzung ihrer Einrichtungen und Dienstleistungen.

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

Referências

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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).

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