FLOW SİTOMETRİ (AKAN HÜCRE ÖLÇER) Dr.Handan Aksoy Akım Hücre Ölçer (AHÖ) Çeşitli hücrelerin bir süspansiyon halinde bir akış kanalı boyunca tek tek geçmesi ve bu sırada hücre büyüklüğü ve granülaritesine göre sınıflandırılması esasına dayanan bir cihazdır. Tarihçe 1870-Savart- hızla akan sıvının yüksek frekansla vibrasyonu sonrası ayrımını (SORTİNG) geliştirmiş 1934-Moldoven-fotoelektrik alıcıyı geliştirmiş akım boyunca kan hücrelerinin sayımı sağlanmıştır 1949-1956 Coulter kan sayım cihazı geliştirilmiş 1969-Van Dilla- argon lazer sisteme ilave edilmiş 1980- Becton Dickinson ile flow sorter (floresan aktive cell sorter) geliştirilmiştir. 1 milyon hücre bir dakikadan daha kısa bir sürede değerlendirilebilir ve çok parametreli bir değerlendirme yapılabilir Kullanım alanları İmmün fenotipleme DNA analizi Hücre prolifersyonu Hücre ölümü RNA ve protein içerik analizi Membran permeabilite ve potansiyellerinin değerlendirilmesi Drug uptake ölçümü Mikroorganizma tayini Hücre içi kalsiyum iyon teknikleri PH ölçümleri Glutatyon ölçümleri Virüs ve viral ürün tayinleri Transplantasyon…. Çalışma prensibi 3 ana sistemden oluşur – Hidrolik sistem Akış sistemi; partiküllerin lazer önünden geçişi için taşıyıcı sistem – Optik sistem Lazer önünden geçen hücrelerden açığa çıkan floresan saçılımının çapraz ve silindirik filtereler ile toplanarak düzgün bir şekilde fotodedektörlere aktarılmasında görev alır – Elektronik sistem Elde edilen optik sinyalin Photo Multiplier Tubes (PMT) ile amplifiye edilerek elektrik sinyaline çevriminden ve analiz için bilgisayara aktarımından sorumludur. LAZER Vücut sıvıları doğal süspansiyon halindedir Ancak taze ve fikse edilmiş solid dokularla çalışmak için süspansiyon haline getirmek gerekir – Süspanse hale getirilmiş hücrelerin analizi için floresan işaretli monoklonal antikorlarla direkt/indirekt olarak işaretlenmesi gerekir Sistem floresan yoğunluğu ölçümü prensibine bağlı olduğundan işaretli hücrelerden bu floresanı açığa çıkaracak güç kaynağı olarak LAZER kullanılmaktadır – Bu kaynak; Argon, Kripton, Helium-Kadmiyum,Helium-Neon veya daha yüksek yoğunluktaki ışık kaynakları olabilir. – Masa üstü sistemlerde genellikle argon kullanılır ve FITC(fluorescein isothiocyanate), PE(phycoerytrine) gibi floresan boyaları 488nm’de aktive ederek hücre düzeyinde ve/veya içinde floresan yoğunluğu ölçümüne olanak sağlamaktadır. Süspansiyon halindeki hücreler hava basıncı ile sıvı içinden geçirilir, Sıvının çok hızlı akışı yüksek bir hidrostatik basınç oluşturur Bu basınçla hücreler cam ve ya kuartzdan yapılmış (flow cell) akış kabinine gelirler Bu kabinin geometrik şekli ve sıvının laminer akışı hücrelerin tek bir sıra halinde lazer kaynağı önünden geçişini sağlar – Sistemde Forward scatter(FS), Side scatter(SS) ve floresan (FL-1,2,3…) dedektörleri bulunur FS: hücre yüzey alanı ve büyüklüğü SS: granülarite ve iç yapısı •Side scatter dedektörü Forward scatter dedektörü Işık kaynağı Floresan boyama teknikleri İmmünfenotipleme: Hücre yüzeyinde eksprese olan antijen moleküllerine karşı özgül antikorlar kullanılarak hücrelerin tanımlanmasıdır. Hücre yüzeyindeki bu antijenik yapılar CD(cluster of differentiation) molekülleri olarak adlandırılmaktadır AHÖ kullanılarak CD molekülleriyle hücrelerin fenotipik özellikleri tespit edilmekte ve istenilen hücreler saflaştırılabilmektedir Örnek hazırlama için en sık kullanılan yöntem tam kan lizis yöntemidir. (Eklem ve plevra sıvılarından hücre süspansiyonu hazırlarken lizis metoduna gerek yoktur.) Lizis solüsyonu NH4Cl, KHCO3 ve EDTA karışımından oluşmaktadır ve ticari olarak bulunmaktadır. Antikorlar özgül olarak epitopa, Fc reseptörlerine veya nonspesifik olarak bağlanabilir. – İzotipik kontrol antikoru ve – Otofloresan kontrol analizi yapılmalıdır. (bu iki analizin benzer sonuç vermesi gerekir, öyle değilse problem vardır) İsotip kontrol Mouse anti human CD14-FITC –Ig2a Mouse isotip-FITC-Ig2a : nonspesifik kontrol Temel boyama prosedürü 1. Primer mAb ve florokrom işaretli ikinci antikorlar 2. Primer mAb ve biyotinlenmiş veya hapten konjuge antikorlar 3. Hücre süspansiyonu+epitop özgül işaretsiz mAb inkübasyon, santrifüj Florokrom işaretli ikinci antikor ile inkübasyon Yıkama+%2 formaldehitli PBS ANALİZ Epitop özgül işaretsiz biyotinlenmiş veya hapten konjuge mAb inkübasyonu, santrifüj Florokrom işaretli avidin veya anti hapten antikorla inkübasyon Direkt konjuge antikorlar Epitop özgül florokrom konjuge mAb İnkübasyon, yıkama, fiksasyon Çok renkli immünfenotipleme Boyama yöntemleri aynı anda kullanılır Çok farklı lenfosit alt gruplarının fenotipik ve fonksiyonel analizleri yapılmaktadır. Cihazın lazer kompozisyonuna göre aynı anda 20 farklı yüzey antijeni analizi yapılabilmektedir Rutinde 4 renkli boyama kullanışlı olmaktadır Florokromlar FITC (fluorescein isothiocyanate) PE (phycoerytrin) PETR (phycoerytrin-texas red tandem kompleksi) PECy5 (phycoerytrin-cyanin 5 tandem kompleksi) PerCP (perdinin chlorophil-P) Tümü 488nm’de eksite olurlar, çok renkli boyama yapılırken kompensasyon ayarlarına dikkat edilmelidir Önemli noktalar Analiz yapılacak hücre konsantrasyonu önemlidir – – – – Boyama ve yıkama sırasında hücreler kaybedilirler Hücre pelleti 0.3-1ml’de süspanse edilir Cihazdan saniyede 100-1000 hc geçmesi normaldir <1000/hc zaman kaybı, >1000/hc kümeleşmeye sebep olur Önemli noktalar İnkübasyon oda ısısında olmalıdır (22’C) – Prosedür ve kimyasal kitlere bağlı olarak buzdolabı(4’C) veya buzda yapılabilir Minimum 1 saatlik fiksasyon zamanı önerilmektedir – Aldehitle fikse edilmiş hücrelerin FSC/SSC dağılımları ilk 8 saatte değişmektedir – Fiksasyondan granülosit ve monosittler etkilenir (granüllü hücreler boyamadan sonra hemen okutulmaalıdır) – Fikse edilmiş hücre süspansiyonu 3 gün içinde analiz edilmelidir. Veri analizi AHÖ, geniş hc toplulukları hakkındaki verilerin hızlıca toplanmasını ve analizini sağlar Saniyede >70 000 partikül sayar ve her partikül veya hc için 9 farklı renk ve iki yöne saçılan ışık sinyallerini saptar yazılım: – Cihaz kontrolü, veri kazanımı, analiz ve görüntüleme mümkün – System II yazılımları firmalarca sağlanmakta – WinMDI 2.9, FlowJo ücretsiz internetten indirilebilir yazılımlarla analiz yapılabilir Cihaz kontrolü – Lazer ve dedektör kontrolleri, kalibrasyonu boyalı boncuklar kullanılarak elde edilen histogram grafiklerle yapılır – İki farklı histogramın üst üste getirilmesiyle (overlay) çoklu örneklerden alınan elde edilen parametre verilerinin eşzamanlı gösterilmesi mümkün olmaktadır Spesifik protein ekspresyon taranması Anormal gen ekspresyonu gösteren hücre sayılarının belirlenmesi Eksternel faktörlere yanıt olarak popülasyonun gen ekspresyonu ve proliferasyonunun denetlenmesi Verilerin lineer veya logaritmik ölçekle görüntülenmesi – Floresan ve saçılan ışığın yoğunluğunun lineer veya logaritmik olarak ölçmek mümkündür – DNA’nın boyandığı hc siklusu ölçümünde her zaman lineer amplifikasyon seçilmektedir – İmmünfloresan için seçilen logaritmik amplifikasyon hem zayıf hem de kuvvetli sinyallerin aynı skala üzerinde gösterilmesini sağlar Lineerden logaritmik görüntülemeye geçerek ölçek, pozitif olgular için sıkıştırılırken, negatif olgular için genişletilir. Böylece pozitif ve negatif olgular arasındaki farkı daha iyi değerlendirirken sayılar aynı kalır Kompensasyon(telafi) – Çok renkli deneylerde çok yakın veya çakışan emisyon spektrumundaki boya veya florokromların yarattığı floresan interferensi olasılığı – Çok renkli veri yorumlarını basitleştirmek ve ikili parametre histogramlarında popülasyonları ayırt etmek için çakışan floresanı matematiksel olarak uzaklaştıran özgül yazılım veya donanım manipülasyonu kastedilmektedir – Çoğu zaman araştırıcının deneyimine bağlıdır İstatistiksel analiz Total sayım Popülasyon yüzdeleri Ortalama Median Varyasyon katsayısı (CV) Standart sapma(SS) Hücrenin floresan yoğunluğunun nicelendirilmesi – Standart kalibrasyon birimi – Eşdeğer solubl florokrom molekülleri MESF ( molecules of equivalent soluble fluorochrome) MFI (Mean fluoresence intensity) Zaman parametresinin uygulanması – Zamana karşı floresan yoğunluğunun değişiminin takip eden kalsiyum flux gibi kinetik deneyler uygulanabilir – Zaman ve floresan oranı kombine edilerek detaylı fagositoz, kemotaksi veya oksidatif patlama gibi nötrofil fonksiyonları gözlemlenebilir Hücre içi sitokin ölçümü İmmün hücrelerden sitokin salınımı ve üretimi hem protein hem de mRNA seviyesinde çalışılabilir – ELİSA, Bioassay, mRNA+ protein ve hc içi sitokin ölçümü gibi farklı metodlar kullanılmaktadır İşaretli anti sitokin antikorlar kullanılarak yapılmaktadır Sander, paraformaldehit fiksasyonu sonrası saponinle permeabilize hücrelerin İndirekt immünfloresan ile boyanması ile tek hücrede sitokin üretimini göstermiş Jung, hc içi protein transportunu önleyerek sitokinlerin golgi cihazında birikimini sağlayan monensin varlığında uygulanmış ve AHÖ ile gösterilmiş Süspansiyon haldeki hücrelerde sitokin ölçümü için ön bir uyarım ve monensin ve brefeldin A ile amplifikasyon sağlanmalıdır İonomisin ve PMA kan T hücreleri için iyi bir uyarandır BAL T hücreleri için anti-CD2 ve anti-CD28 antikoru iyi uyarandır Sitokin özgül antikorların hc içine penetrasyonu ve sitokin proteinlerine bağlanması için fiksasyon ve permeabilizasyon gereklidir – %4 paraformaldehit ve %1 saponin Thc ve monosit için optimaldir Prensip; – Geçirgenliği sağlanan hedef hücre membranından diffüze olabilen floresan işaretli antikorların ölçülmesi esasına dayanır. yöntem Salgılanan protein boyamaları – Sitokin – Hormon Protein transportu engellenmeli – Brefeldin A ile inkübasyon Golgiden hücreye hareketin engellenmesi – Monensin ile inkübasyon Protein hareketi inhibitörü Hücreler arası hareketi sağlayan metalloproteinazları da etkilediği gösterilmiş 1. Hedef hücre fiksasyonu Formaldehit (paraformaldehit) 2. Metanol Aseton Permeabilizasyon 1. 2. Tween 20 (zayıf membran çözücüleri) Saponin 3. NP-40 (kuvvetli membran çözücüleri, nükleus membranını çözer, nükleer antikor boyaması için uygun) Triton 4. 3. Antikorla boyama 1. 2. 4. Fiksasyonu diğerlerinden daha güçlü Formaldehit ve metanol, protein yapılar arasında bağlantılar yaparak antijenik yapıları bozar Yüzey boyama Hücre içi boyama AHÖ ile ölçüm Hücre içi stokin boyamasını klinik kullanımı Asemptomatik HIV+ hastaların CD4 T hücrelerinde IFNg üretiminin azaldığı, IL-4 üretiminin arttığı saptanmış Semptomatik hastalarda IL2 ve IFNg üreten hücrelerin azaldığı, ileri dönemlerde ise IL-10 üreten hücrelerin sayısında artış olduğu saptanmış Astımda çocuklarda IL5 üreten Thc sayısı fazlayken, erişkin astımlıda daha az sayıda IFNg sekrete eden Thc ve normal IL5 üreten hücre saptanmış.(yaşa bağlı immünolojik değişiklikler) DNA analizi Kanser hücresinde hücrelerin ploidisi ve malign hücrelerin çoğalma kapasitesi saptanabilir – İstenen hücre tipinin biraraya getirilmesi ve istenen bilgiye sahip materyalin boyanması ve görünür hale getirilmesi DNA içeriği ve hücre döngüsü saptanması DNA boyaları DNA’ya 1:1 oranda bağlanma (stoişiyometrik) Okunan boya ile DNA miktarı arasında ilişki kurulması mümkün olmakta DNA aminoasit dizileri arasına girerek DNA boyanmasını sağlar Boyanın ve AHÖ cihazının özellikleri bilinmelidir – 3 grup DNA boyası var Ethidium bromide ve propidium iodide – RNA boyama özelliği Benzimidler – Hoechst 33342 boyası: DNA’da özellikle A-T zengin bölgelere bağlanma gösterir Antibiyotikler – Mitramisin ve Kromamisin A: G-C zengin bölgelere bağlanır Acridine orange – Çift sarmal DNA molekülleri arasına girme özelliğine sahiptir Amaç tek hücre süspansiyonu haline getirmektir Vücut sıvıları – Kan, BAL, asit sıvısı, BOS – Hücre membranının kaldırılması, gerekirse RNaz kullanılarak DNA’nın boyanmaya açık hale getirilmesi gerekir Doku ve parafin bloklar DNA analizi Hücre döngüsü fazlarındaki ortalama DNA içeriği Hücre sayısı Analiz sırasında normal hücrelerin DNA içeriklerinin histogramda düştüğü kanal sayısını doğrulamak amacıyla iç ve dış kontrol materyali kullanılır – Sağlıklı bireyin lenfositleri – Solid tm incelenirken, tm dokusu dışında kalan sağlam dokudan benzer örnekler hazırlanması gibi.. Dış kontrol: DNA örneğinden önce AHÖ cihazından ayrı bir tüpte geçirilen örnekler İç kontrol: DNA analizinin yapıldığı tüpe eklenen ve tek bir defada değerlendirilen konrol DNA ANALİZ TERİMLERİ CV (coefficent variation) – Yapılan DNA analizinin geçerli olması için önemli CV= G0/G1 orta yüksek genişliği/pik kanal sayısıx2.35 – Değerlendirilen hücrelerden elde edilen G0/G1 pikinin ince ve uzun olması olarak ifade edilir Taze dokularda CV<4, parafin bloklarda<6 olması istenir CV değerleri bu düzeyde olmayan DNA örnekleri asla değerlendirilmez DNA ANALİZ TERİMLERİ DNA indeksi (DI) – Çalışılan hücre popülasyonunun G0/G1 fazında bulunan hücrelerin DNA içeriğinin diploidi içeren normal hc popülasyonunun G0/G1 fazındaki DNA içeriğine bölünmesi ile edinilen değer DI = 1 diploidi DI<1 hipodiploidi DI>1 hiperdiploidi Germ hc: haploid (n) Somatik hc: diploid (2n) Mitoz: tetraploid (4n) DNA ANALİZ TERİMLERİ Proliferatif indeks – Araştırılan hücrelerin çoğalma kapasitesi (S+G2+M/G0G1+S+G2+M)X100 Özellikle malignitelerde yapılan çalışmalarda önemli ve malign hc çalışma kapasiteleri hakkında bilgi verir. Klinik kullanımı Malignite varlığının gösterilmesi Tedavi yanıtının değerlendirilmesi Prognoz Sağlıklı kişilerde tarama testi Patolojik olarak malignite (-) örneklerin, DNA analizi+nükleer hacim ölçümü ile malignite saptanmaktadır Cross-Match (CM) teknikleri Transplantasyonda antikorları belirlemek için kullanılan standart teknik komplemana bağlı sitotoksik CM (CDCCM)’dir CM, alıcı serumunda vericinin HLA antijenlerine karşı antikor oluşması esasına dayanır AHÖCM tekniği 1983’de kullanılmaya başlandı Hedef lenfositlere bağlanan insan alloantikorlarını saptamak için indirekt immünfloresan kullanılır – Süspansiyon haldeki hücrelere işaretsiz antikor bağlanır – İkinci olarak işaretli antikor eklenir ve ilk antiikora bağlanır AHÖCM’de 2.antikor önemli – – – – İyi saptanan özgüllüğü olmalı(AHÖ özgül) Arka plan boyamayı azaltmak için Fab2 veya fab fragmenti olmalı Fare ve at IgG’leri ile çapraz reaksiyon vermemeli 2.antikor florokrom seçimi mAb ‘a göre belirlenir Solid organ CM’inde CD3 T hc, CD19 ve CD20 B hücreleri tanınır CD3 PE, CD19 PE/CD20-PE ve IgG-FITC kullanılır (ikili boyama) CD3-PerCP, CD19-PE ve IgG-FITC (üçlü boyama) Kontrol serumları AHÖCM’de negatif ve pozitif kontrol serumları kullanılır – Pozitif serum, yüksek HLA antikoru bulunduran serumların havuzlanması ile oluşturulur – Negatif serum, anti HLA ab içermez Kan transfüzyonu yapılmamış Transplantasyon yapılmamış Kadın ise gebeliği olmayan AB kan grubuna sahip sağlıklı bireylerin serumları olmalıdır Cut off (pozitiflik) değeri – Negatif serum ve en az 20 kişiden alınan serum karışımının, yine 20 kişiden alınan hücrelerle ayrı ayrı testlenmesi ile elde edilir – Çalışmanın negatiflik sınırını her laboratuvar farklı parametrelerle belirleyebilir Median veya yüzde değerler verilebilir T AHÖCM için ortalama 2SS, B için ortalama 3 SS olarak hesaplanır Tranplantasyon kime yapılır? AHÖCM (-), CDCCM(+) nakil yapılmaz – Komplemanı bağlamayan antikorlar nedeniyle Hiperakut rejeksiyon riski yüksek! AHÖCM(+), CDCCM(-) – Öncesinde transplantasyonu olmayan – Gebelik geçirmemiş – Kan transfüzyonu yapılmamış kişilere transplantasyon yapılabilir Apoptoz tayininde AHÖ ölçümleri – Hc büyüklük ve granülaritesindeki değişiklikler Işık saçınımının analizi – Plazma membran geçirgenliğindeki değişiklikler Höechst 33342 ve PI ile boyama – – – – – Hc yüzeyindeki değişiklikler Annexin V bağlanması F actin kaybı Mitokondri ve lizozomlardaki değişiklikler Rhodamine 123 ve PI ile boyama JC-1 ile boyama Lizozom protein pompası DNA fragmentasyonu TUNEL yöntemi Sub G1 pik ve DNA analizi Kaspaz aktivasyonu Hc içi Ca değişikliklerinin ölçümü PI, membran bütünlüğü bozulmuş ölü hücrelerin içine girip, DNA veya çift sarmal RNA’ya bağlanarak kırmızı floresan veren bir boyadır – Membran bütünlüğünü koruyan hücreler PI’i hc içine almazlar ve boyanmazlar – Canlı hücreler aktif olarak HO33342’yi alır ve hücresel DNA’yı mavi floresan şeklinde gösterir Canlı hc--- mavi Nekrotik hc--- kırmızı Apoptotik hc---sönük mavi HO/PI BOYAMASI Erken apoptozisi göstermemesi Deneyin duyarlılığının zamana bağlı oluşu HO boya eksitasyonu için UV kullanımı nedeniyle pratikte sınırlıdır ANNEXİN V bağlanması Annexin V’in FITC ile konjuge edilmesiyle apoptotik hc görülebilir Annexin V-FITC /PI boyaması ölü ve canlı hücrelerin ayrımına olanak verir – Bu teknik solid dokular ve yapışan hücrelerde çalışılmamalıdır – Ayrılma sırasında plazma membran hasarı olduğundan F- actin kaybı – Erken apoptoz sırasında plazma membran yapılarının hızlı kaybı (psödopod ve mikrovillus) – F-actin pödopodunu yapısında – Phallotoxinler ise F-actine bağlanan ve depolimerizasyonu engelleyen toksik peptidlerdir – Floresanla konjuge phallotoxinler, F-aktin probu olarakı kullanılır Apoptoz sırasında f-actin kaybı nedeniyle phallotoxin bağlanmaz Paraformaldehit ile hc fiksasyonu sonrasında factin ve DNA sırasıyla FITC işaretli phalloidin ve PI DNA FRAGMANTASYONU TUNEL yöntemi – Endonüleazların aktivasyonu sonucunda yoğun DNA kırılmaları ile oluşan DNA fragmantasyonu apoptotik hc gösterilmesinde altın standarttır Sarmal kırıklarında açığa çıkan 3’OH uçları ekzojen enzimler kullanılarak kataliz edilip modifiye nükleotidler ile işaretlenir(FITC-dUTP,biotin-dUTP) Ekzojen enzimler olarak tek zincirlerin kırılması TdT, tek zincirli kırılmalar için DNA polimeraz kullanılır Biotinlenebilmesi için sırayla floresanla konjuge avidin, digoksigenin ve Br-dU antikorları kullanılır Yönteme – Terminal deoxynucleotidyl transferasemediated d-UTP Nick End Labeling ‘’TUNEL’’ adı verilir, DNA analizi ile birlikte değerlendirilir Apoptoz sırasında DNA içeriği ve morfolojik değişiklikler olmadan erken dönemde DNA kırıklarının gösterilmesi Tüm hc tiplerine uygulanabilir olması Apoptototik hc siklusunun takibi Kantitatif olması avantajken Pahalı, zor, apoptotik hc hazırlık aşamasında kaybedilmesi, TdT ve DNA polimeraz gibi enzimlerin ısıya çok duyarlı olması gibi dezavantajları vardır Sub G1 pik ve DNA analizi – Subdiploik DNA piki apoptozun özgül belirtecidir – Apoptotik hücreler G0/G1 evresindeki hücrelere göre daha az PI bağlayabilir ve subdiploid floresan yoğunluğu gösterir – DNA degradasyonu için deterjenlar kullanılarak floresan boyaların (PI/DAPİ) hc membranınıdan içeri girmeleri sağlanır İşlem öncesi RNAaz ile muamele edilmelidir Yöntemin avantajı hc DNA içeriği ve apoptoz hakkında bilgi sağlamasıdır Kaspaz aktivasyonu Kazpaz uyarımlı substratlar renklenir ve ya floresan ürünler oluştururlar Kaspaz 1, 3 ve 8 için ticari kitler vardır – Kaspazların ölüm substratlarından olan poly ADP-riboz polimerazın (PARP) tespit edilmesi yöntemleri vardır PARP, DNA hasarına cevap olarak aktive olan DNA tamirinde yer alan bir enzimdir Erken apoptozda , PARP özellikle kaspaz 3ile kesilir, 89 ve 24kDa PARP fragmanları oluşur 89 kDa parçayı tanıyan antikor ve DNA için farklı boyalarla apopyotik hc popülasyonları ve hc siklusu,DNA ploidisini kapsayan ayrıntılı analizler yapılabilir Canlı hücrelerdeki kaspazların değerlendirilmesi – FLİCA (fluorochrome labelled inhibitor of caspase) ile kaspaz aktivasyonu gösterilir Kaspazların aktif enzim merkezlerinin ligandlarına benzer olarak yapılmışlardır Bütünlüğü bozulmamış plazma membranlarından geçebilmesi, aktif kaspazlara kovalan bağlanması nedeniyle canlı hücrede aktif kaspazlar incelenebilr