פרופיל מרחבי דיגיטלי לאפיון המיקרו-סביבה בגליומה מסוג בוגר המסתנן באופן מפוזר

Summary

דיסרגולציה פרוטאומית ממלאת תפקיד חשוב בהתפשטות של גליומות המסתננות באופן מפוזר, אך מספר חלבונים רלוונטיים נותרו בלתי מזוהים. עיבוד מרחבי דיגיטלי (DSP) מציע גישה יעילה בעלת תפוקה גבוהה לאפיון הביטוי הדיפרנציאלי של חלבונים מועמדים שעשויים לתרום לפלישה ולנדידה של גליומות מסתננות.

Abstract

גליומות מסתננות באופן מפוזר קשורות לתחלואה ותמותה גבוהות בשל האופי המסתנן של התפשטות הגידול. הם גידולים מורכבים מבחינה מורפולוגית, עם רמה גבוהה של שונות פרוטאומית הן על פני הגידול עצמו והן על פני המיקרו-סביבה ההטרוגנית שלו. הפוטנציאל הממאיר של גידולים אלה מועצם על ידי דיסרגולציה של חלבונים המעורבים במספר מסלולים מרכזיים, כולל תהליכים השומרים על יציבות התאים ושומרים על השלמות המבנית של המיקרו-סביבה. אף על פי שהיו מספר רב של ניתוחי גליומה בתפזורת וחד-תאית, יש מיעוט יחסי של ריבוד מרחבי של נתונים פרוטאומיים אלה. הבנת ההבדלים בהתפלגות המרחבית של גורמי הגידול ואוכלוסיות תאי מערכת החיסון בין הגידול הפנימי, הקצה הפולשני והמיקרו-סביבה מציעה תובנה רבת ערך לגבי המנגנונים העומדים בבסיס התפשטות והתפשטות הגידול. פרופיל מרחבי דיגיטלי (DSP) מייצג טכנולוגיה רבת-עוצמה שיכולה להוות את הבסיס לניתוחים רב-שכבתיים חשובים אלה.

DSP היא שיטה המכמתת ביעילות ביטוי חלבונים בתוך אזורים מרחביים שצוינו על ידי המשתמש בדגימת רקמה. DSP אידיאלי לחקר הביטוי הדיפרנציאלי של חלבונים מרובים בתוך ובין אזורי הבחנה, ומאפשר רמות מרובות של ניתוח כמותי ואיכותי. פרוטוקול DSP הוא שיטתי וידידותי למשתמש, ומאפשר ניתוח מרחבי מותאם אישית של נתונים פרוטאומיים. בניסוי זה, מיקרו-מערכים של רקמות בנויים מביופסיות ליבה של גליובלסטומה בארכיון. לאחר מכן, נבחר פאנל של נוגדנים, המכוונים לחלבונים בעלי עניין בתוך הדגימה. הנוגדנים, אשר מצומדים מראש לאוליגונוקלאוטידים של דנ”א הניתנים לפוטו-קלאוטידים, מודגרים לאחר מכן עם דגימת הרקמה למשך הלילה. תחת הדמיה מיקרוסקופית פלואורסצנטית של הנוגדנים, אזורי עניין (ROIs) שבתוכם ניתן לכמת את ביטוי החלבון מוגדרים עם הדגימות. לאחר מכן, אור UV מופנה לכל החזר על ההשקעה, ומבקע את האוליגונוקלאוטידים של הדנ”א. האוליגונוקלאוטידים עוברים מיקרו-אספירציה ונספרים בתוך כל החזר השקעה, מה שמכמת את החלבון המתאים על בסיס מרחבי.

Introduction

גליומות מסתננות מפוזרות הן הסוג הנפוץ ביותר של גידול מוח ממאיר במבוגרים והן תמיד קטלניות. הנטייה של תאי גליומה לנדוד באופן נרחב במוח היא אתגר טיפולי גדול. המנגנון שבאמצעותו הם מתפשטים כרוך בהגירה מכוונת ובפלישה לא מבוקרת. תאי גליומה פולשניים הוכחו כמפגינים טרופיזם והגירה לאורך דרכי החומר הלבן¹, כאשר מחקרים אחרונים מצביעים על דה-מיאלינציה של דרכי אלה כתכונה פעילה ופרוטומוריגנית². הפלישה מתווכת על ידי מעבר אפיתליאלי למזנכימלי, שבו תאי גליומה רוכשים תכונות מזנכימליות על ידי הפחתת הביטוי של גנים המקודדים חלבוני מטריצה חוץ-תאית ומולקולות הידבקות תאים, הגברת הנדידה והקלה על התפשטות דרך המיקרו-סביבה של הגידול ^3,4,5.

ברמה המולקולרית, הודגם שיבוש של מספר חלבונים המעניקים יציבות תאית וממשק עם רכיבים אימונוגניים⁶. גליומות מסתננות ידועות כעוברות דיכוי של חלבונים בעלי תכונות אנטי-אפופטוטיות (למשל, PTEN)⁷. הם גם מבטאים יתר על המידה חלבונים המקדמים התחמקות מהתגובה החיסונית של המארח (למשל, PD1/PDL1)⁸. הדיסרגולציה של מסלולים מורכבים אלה משפרת את הגידוליות ומגדילה את הפוטנציאל הממאיר.

בדגימות של גליומה פולשנית, המטרה הייתה להעריך את הביטוי הדיפרנציאלי של חלבונים המפתח לגדילה, הישרדות ושגשוג של תאים, ולשלמות מבנית של מיקרו-סביבה בין מרכיבים פולשניים ולא פולשניים. בנוסף, ביקשנו לחקור את הוויסות הדיפרנציאלי של חלבונים בעלי תפקיד אימונוגני פעיל, ולהציע תובנה לגבי המנגנון שבאמצעותו הגנות חיסוניות של פונדקאי שנפגעות עשויות להגביר את הפוטנציאל השגשוג והפולשני של גליומות. זה רלוונטי במיוחד בהתחשב ברוחב המחקרים האחרונים המדגימים כיצד סמנים חיסוניים ומניעים של חוסר ויסות בממאירות יכולים לשמש כמטרות של אימונותרפיה. זיהוי מטרות טיפוליות ברות קיימא מבין החלבונים הרבים המעורבים במעקב חיסוני ובתגובתיות דורש גישה רגישה ומקיפה ביותר.

בהתחשב במגוון הרחב של חלבונים מועמדים שניתן לחקור, חיפשנו שיטה הדומה לאימונוהיסטוכימיה אך עם יעילות עיבוד נתונים משופרת. בתחום הביולוגיה של הסרטן, DSP התפתחה כטכנולוגיה רבת עוצמה עם יתרונות חשובים על פני כלים חלופיים לניתוח וכימות פרוטאומי. סימן ההיכר של DSP הוא יכולת הריבוב שלו בתפוקה גבוהה, המאפשרת מחקר סימולטני של מספר חלבונים שונים בתוך דגימה, מה שמסמן הבדל חשוב מטכנולוגיות סטנדרטיות אך בעלות פלקס נמוך יותר כגון אימונוהיסטוכימיה (IHC)^9,10. תכונת המולטיפלקס של DSP אינה פוגעת בנאמנותו ככלי כמותי ואנליטי, כפי שמודגם על ידי מחקרים המשווים את DSP ל- IHC. כאשר משתמשים בו לכימות פרוטאומי של דגימות סרטן ריאה של תאים לא קטנים, למשל, הוכח כי DSP משיג תוצאות דומות ל-IHC¹¹. בנוסף, DSP מציעה מפרט אזורי הניתן להתאמה אישית, שבו משתמשים יכולים להגדיר באופן ידני אזורים שבתוכם ניתן לבצע ניתוח פרוטאומי. זה מציג יתרון על פני שיטות מולטיפלקס של מקטע שלם^10,12. בסבב אחד של עיבוד, DSP מציעה אפוא שכבות מרובות של ניתוח על ידי סקר מספר מטרות חלבון על פני אזורי עניין מרובים.

DSP יש יישומים במספר הגדרות פתולוגיות שונות. DSP הוא יתרון במיוחד בניתוח אונקולוגי, שכן שונות מרחבית יכולה להיות בקורלציה עם טרנספורמציה תאית וביטוי חלבונים דיפרנציאליים. לדוגמה, DSP שימש להשוואת הפרופיל הפרוטאומי של סרטן השד למיקרו-סביבה של הגידול הסמוך. לכך השלכות חשובות על הבנת ההיסטוריה הטבעית של גידול זה והתקדמותו, כמו גם על התגובה הפוטנציאלית לטיפול¹³. הקשרים נוספים הממחישים את הרבגוניות של DSP כוללים כימות מרחבי של מגוון החלבונים בסרטן הערמונית¹⁴, קשר של ביטוי סמן תאי חיסון עם התקדמות המחלה בקרצינומה של תאי קשקש בראש ובצוואר¹⁵, והדגמה של שיפוע אפיתל-מזנכימלי של ביטוי חלבונים המבחין בין סרטן שחלות גרורתי לסרטן שחלות ראשוני צלול¹⁶ . על ידי יישום DSP, אנו מאפיינים את הטופוגרפיה המרחבית של חלבונים שיכולים להשפיע על גידולים ופלישה של גליומות.

Protocol

הפרוטוקול המפורט להלן תואם את ההנחיות של ועדת האתיקה למחקר אנושי של דארטמות’-היצ’קוק. הסכמה מדעת התקבלה מהמטופלים שדגימות הרקמה שלהם נכללו במחקר זה. עיין בסעיף טבלת חומרים לקבלת פרטים הקשורים לכל החומרים, הריאגנטים, הציוד והתוכנות המשמשים בפרוטוקול זה. 1. הכנת ש?…

Representative Results

איור 4 מציג את התוצאות המייצגות מניסוי DSP שבוצע על דגימות של גליובלסטומה. מוצגת מפת חום, הממחישה את אחת השיטות שבאמצעותן ניתן ללכוד נתונים באופן חזותי באמצעות תוכנת DSP. שורות מייצגות מטרות חלבון, וכל עמודה מתאימה לאזור עניין. טווח צבעים של כחול עד אדום מציין הבעה נמוכה עד גבו…

Discussion

בהתחשב במגוון החלבונים שעשויים להשפיע על האגרסיביות של גליומות והרעיון שכמה מהחלבונים האלה עדיין לא התגלו, שיטת כימות חלבונים בתפוקה גבוהה היא גישה טכנולוגית אידיאלית. בנוסף, בהתחשב בכך שנתונים מרחביים בדגימות אונקולוגיות מתואמים לעתים קרובות עם ביטוי דיפרנציאלי¹⁸, שילוב פ?…

Materials

BOND Research Detection System	Leica Biosystems, Wetzlar, Germany	DS9455	Open detection system containing open containers in a reagent tray
BOND Wash	Leica Biosystems, Wetzlar, Germany	AR950	10X concentrated buffer solution for washing fixed tissue
Buffer W	NanoString, Seattle, WA	contact company	Blocking reagent
Cy3 conjugation kit	Abcam, Cambridge, UK	AB188287	Cy3 fluorescent antibody conjugation kit
GeoMx Digital Spatial Profiler (DSP)	NanoString, Seattle, WA	contact company	System for imaging and characterizing protein and RNA targets
GeoMx DSP Instrument BufferKit	NanoString, Seattle, WA	100471	Buffer kit for GeoMX DSP (including buffers for sample processing and preparation)
GeoMx Hyb Code Pack_Protein	NanoString, Seattle, WA	121300401	Controls for running GeoMX DSP experiemtns
GeoMx Immune Cell Panel (Imm Cell Pro_Hs)	NanoString, Seattle, WA	121300101	Protein module with targets for human immune cells and immuno-oncologic targets
GeoMx Pan-Tumor Panel (Pan-Tumor_Hs)	NanoString, Seattle, WA	121300105	Protein module with targets for multiple human tumor types and for markers of epithelial-mesenchymal transition
GeoMx Protein Slide Prep FFPE	NanoString, Seattle, WA	121300308	Sample preparation reagents for GeoMX DSP protein analysis
IDH1-R132H antibody	Dianova, Hamburg, Germany	DIA-H09	Monoclonal antibody against human IDH1 R132H
LEICA Bond RX	Leica Biosystems, Wetzlar, Germany	contact company	Fully automated IHC stainer
Master Kit–12 reactions	NanoString, Seattle, WA	100052	Materials and reagents for use with the nCounter Analysis system
nCounter Analysis System	NanoString, Seattle, WA	contact company	Automated system for multiplex target expression quantification (to be used with GeoMx DSP)
TMA Master II	3DHistech Ltd., Budapest, Hungary		To create the tissue microarray block