病理学中组织芯片使用

长期以来,传统的免疫组织化学、原位杂交、各种特殊染色等研究方法,建立在常规病理组织切片基础上,一张玻片上只能载有限的组织作一种测试。若只用于日常临床疾病的诊断尚可胜任,但要用其从事大规模、多样本的科研则显得太费时、费力。由此组织芯片技术应运而生,它的出现给病理学研究开辟了新天地。组织芯片具有体积小、信息含量高、并可根据不同的需要进行组合和设计的特点。从而大大减少了劳动力和劳动强度,缩短研究时间,提高检测效率,更重要的是减少实验误差。从根本上解决了病理学家的难题,是病理学研究技术的一项重大革命。作者就组织芯片技术的原理、应用范围和对医学科学发展的影响及其自身的发展前景做一简要综述。

1组织芯片技术的基本原理

组织芯片又称组织微阵列(tissuemicroarray),1998年由Kononen等在cDNA微阵列的基础上发明的一种特殊的生物芯片,是继基因芯片和蛋白芯片之后生物芯片家族的又一新成员。组织芯片的原理是根据不同需要,利用特殊的仪器,将多个(病例)小组织片高密度地整齐排列固定在某一固相载体上(载玻片、硅片、聚丙烯或尼龙膜等)而制成微缩的组织切片(图1a,西安超英生物公司提供)。然后可以用各种酶、核素或荧光标记的不同基因、寡核苷酸、抗体在微缩组织切片上进行杂交和标记染色,最后在显微镜(包括激光共聚焦显微镜等)下获取图像信息(或通过计算机处理所获的信息),以研究目的基因或基因产物在不同组织之间的表达差异。

该技术的最大潜在作用是将基因、蛋白水平的研究与组织形态学相结合,使应用同一实验指标,同时快速研究大量不同组织样本(高通量、多样本)的设想成为现实,减少了实验误差,几十倍、上百倍地提高组织病理学研究的效率,节约实验材料和试剂,同时使实验结果有更可靠的可比性,对于原始病理资料的保存和大量样本的回顾性研究具有重要的意义。

组织芯片的制备目前主要依靠机械化芯片制备仪来完成。其主要的设备有操作平台、特殊的打孔采样装置和一个定位系统。打孔采样装置对供者组织蜡块进行采样,同时也可对受者蜡块进行打孔,其孔径与采样直径相同,二者均可精确定位。制备仪的定位装置可使穿刺针或受者蜡块线性移动,从而制备出孔径、孔距、孔深完全相同的组织微阵列蜡块。通过切片辅助系统将其转移并固定到硅化和胶化玻片上即成为组织芯片(图1)。

组织芯片制作的专业技术要求很高,组织芯片中的各小组织直径一般在0.6(0.2~2.0)mm左右,为保证其取材的准确性,在组织芯片制作前,要根据常规苏木精-伊红染色,对要取组织的类型、病变性质有一明确的病理诊断结果,以确定取样组织的位置。然后用定位装置的不锈钢针穿刺,一般深度为2~3mm,将取下的组织纵向固定于适当的模具上,每个标本间距0.1cm。用特殊的切片机将其切成0.4μm的薄片,粘附于载玻片或硅片等固相载体上,这便是组织芯片。恶性实体肿瘤组织较均一,一般在2~3mm内组织结构上不会有太大的变化,准确性较高。而正常组织、良性肿瘤、交界性肿瘤则不然,所以每隔一段要重新对其做苏木精-伊红染色观察,以确保穿刺取材部位病变的准确性,这一点十分重要。组织芯片制成后便可进行免疫组化标记;或与已用核素、生物素或荧光染料标记的探针进行杂交,将放射自显影或激光共聚焦显微镜检测到的结果输入计算机,用相应的软件,对实验所得的数据、信息进行分析,最后得出结论。

2组织芯片的用途

组织芯片的应用范围很广,如研究目的基因在不同病变(肿瘤)间的表达差异、寻找疾病新基因〔疾病(肿瘤)中新基因、突变体与基因多态性的检测〕、药物的筛选、疾病的病理诊断及质量控制等。Kononen等将cDNA微阵列发展成组织芯片技术,并将645种肿瘤组织(包括乳腺癌)固定于载体上,同时进行DNA、RNA的原位杂交及蛋白检测,其中包括P53、雌激素受体(ER)、c-myc、ERBB2、MYBL2、CCND1等6种基因产物,研究发现石蜡包埋的标本和新鲜组织标本的结果之间无显著差异,即此项技术可以广泛用于大样本的回顾性研究。

Bubendorf等对264例前列腺病变(其中包括26例良性前列腺增生,208例原发性前列腺癌和30例激素难治性局限性复发性前列腺癌),运用组织芯片、免疫组化技术检测病变组织中特异性基因产物的表达,结果显示100%的激素难治性癌和36%的原发性癌IGFBP2蛋白有高表达,而良性前列腺增生者无一例IGFBP2蛋白高表达;31%的激素难治性癌和5%的原发性癌HSP27蛋白过度表达,同样良性增生者无一例HSP27蛋白过度表达。癌基因扩增在不同种类的肿瘤中普遍存在,检测其扩增情况可指导诊断、治疗和判断预后。

Schrama等为了同时、快速、大量地了解不同恶性肿瘤的基因改变,研制了17组不同组织来源肿瘤的FANA组织芯片,每个载体上397个不同的肿瘤组织,对其分别进行CCND1、c-myc和ERBB2探针的原位杂交,结果显示CCND1的扩增广泛存在于乳腺、肺、头颈、膀胱癌和黑色素瘤中;同时在乳腺、结肠、肾、肺、卵巢、膀胱、头颈及子宫内膜癌中还有c-myc的扩增。该研究提供了大量有重要价值的数据。Moch等把组织芯片与cDNA芯片联合应用于肾细胞癌中CRL-1933基因的表达研究,在5184例肾肿瘤组织中有89例与正常肾组织的基因表达有显著差异,其中以一个基因编码CRL-1933差异最为显著,随后的以CRL-1933探针进行原位杂交,结果显示CRL-1933常见于肾透明细胞癌和乳头状癌中,而在嫌色细胞癌和嗜酸细胞癌中则少见,且CRL-1933高表达提示预后不良。

Richter等为研究膀胱癌中cyclinE的表达,从1842例膀胱癌中采取2317个标本制成组织芯片,用免疫组化技术方法检测cyclin蛋白的表达,用原位杂交技术检测cyclin基因的扩增,结果显示:前法1842例中阳性587例,后法1561例中阳性30例。提示cyclinE特异地表达于膀胱癌的亚型中,特别是早期浸润癌,但其表达与预后无相关性。另外,该研究2周内完成了对1500例膀胱癌CCNE基因的扩增和蛋白表达的研究,充分显示组织芯片在肿瘤研究中快速、高效的价值。