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小儿小圆蓝细胞瘤是一个有趣且具有挑战性的肿瘤集合。因此,透射电子显微镜 (TEM) 和儿科肿瘤的专业知识在外科病理学中极具价值。在这里,我们提出了一种进行 TEM 以诊断神经母细胞瘤的方案,神经母细胞瘤是儿童期最常见的实体瘤之一。
小儿小圆蓝细胞瘤 (PSRBCT) 是一个有趣且具有挑战性的肿瘤集合。小圆形蓝色细胞肿瘤的光学显微镜检查可识别小圆形细胞。它们通常具有深染性细胞核和相对较少的嗜碱性细胞质。小儿小圆蓝细胞瘤包括多种实体。通常,它们包括肾母细胞瘤、神经母细胞瘤、横纹肌肉瘤、尤文肉瘤、视网膜母细胞瘤、淋巴瘤和小细胞骨肉瘤等。即使使用免疫组化,这些肿瘤的鉴别诊断在光学显微镜下也可能存在争议。微弱的染色或模糊的背景会阻止病理学家做出正确的诊断决定。此外,分子生物学可能提供大量难以区分它们的数据,并且一些易位可能出现在不止一个类别中。因此,透射电子显微镜 (TEM) 可能非常有价值。在这里,我们强调神经母细胞瘤 TEM 数据的现代方案。肿瘤细胞与含有神经分泌颗粒的细胞质过程缠结可以诊断神经母细胞瘤。
病理学家的工作在临床诊断和研究领域都可能非常具有挑战性。光学显微镜在 18世纪和 19世纪的发展是显着的。电子显微镜的功率主要取决于电子的波长,它比光短 1,2,3。在多克隆和单克隆抗体出现及其在免疫组化中的应用之前,TEM 在诊断小圆蓝细胞肿瘤方面发挥了重要作用。
从上世纪 90 年代开始,免疫组织化学方法已经取代了诊断学中的形态学工具4。目前,有数千种针对小圆蓝细胞肿瘤组 4,6,7,8 抗原的新型多克隆和单克隆抗体。在高产的 20世纪的最后十年和 21世纪初的第一个十年中,分子生物学,包括从基因组探针到下一代测序的荧光原位杂交,似乎已经取代了免疫组织化学在几个实验室中的重要应用作用4.美国食品药品监督管理局 (FDA)、加拿大食品检验局 (CFIA)、环境保护署 (EPA) 或其他国家/地区的类似政府机构并不总是批准分子生物学方案9。似乎有很多信息很难插入到可用于治疗目的的病理报告中,并且选择资金充足且运行良好的实验室信息系统至关重要10。与此同时,免疫组化揭示了许多缺陷,上皮肿瘤显示间充质标志物,反之亦然11。上皮-间充质转化混淆了病理组12,13 中的一些边界。在过去的几年里,很明显,电子显微镜在全球多个实验室中蓬勃发展14。特别是,使用几种使用单克隆或多克隆抗体进行染色的方案,组织标本的周转时间已从数周缩短到仅 3 天甚至更短 4,10。
此外,将电子相机与电子显微镜耦合有助于为病理学家提供快速图像,该图像在不同的作系统中具有通用性。最后,一些抗体,即使在抗原修复后,也很难在某些坏死或自噬/缺血相关变化的区域显示。同时,安全的电子显微镜仍然可以为未知病理肿瘤的正确分类提供出色的结果和提示15。
小儿小圆蓝细胞瘤组包括几种肿瘤,主要为神经母细胞瘤、肾母细胞瘤或肾母细胞瘤、横纹肌肉瘤和尤文肉瘤。由于应用了技术,相对于儿科小圆蓝细胞肿瘤组的分子生物学数据可能是压倒性的。小的圆形蓝色细胞在常规染色(苏木精和伊红染色)上可能没有太大差异,一些肿瘤可能具有异常的免疫表型特征。自从 TEM 被发现以来,分子生物学取得了巨大的进步。在小圆蓝细胞肿瘤组中,一些肿瘤可能比其他肿瘤更频繁地出现,但需要考虑它们。虽然状肾细胞癌本质上不是小的圆形蓝细胞肿瘤,但主要以为特征,但它可能会显示一些圆形细胞区域,可能需要使用几种辅助技术与其他众所周知的小圆形蓝细胞肿瘤(例如肾母细胞瘤)区分开来16。最终,后肾基质瘤也可能需要纳入鉴别诊断17。横纹肌样瘤是一种特别恶性的儿科肿瘤,在肾和肾外亚型18 中有所不同。
神经母细胞瘤是婴儿和儿童期最常见的实体恶性肿瘤之一。神经母细胞瘤细胞是这种实体瘤的恶性细胞,它从原始神经嵴的衍生物中隐匿地产生。其诊断和鉴别诊断可能很困难。在过去的几十年里,它的自然生物学取得了显着的进步。转录因子的叉头家族具有独特的“叉头”结构域 (FOXO3/FKHRL1)。这些转录因子通过表达细胞死亡所需的基因来触发细胞凋亡(程序性细胞死亡)。FOXO3/FKHRL1 被 5-氮杂-2-脱氧胞苷激活并诱导沉默的 caspase-8,该复合物在神经母细胞瘤中起着至关重要的作用。核 FOXO3 可预测神经母细胞瘤的不良临床结果并促进肿瘤血管生成 7,19。尽管分子病理学取得了进步,但 Shimada 分类仍然是任何病理学家和儿科肿瘤学家的实践标准。它对于区分有利和不利的组织学至关重要 20,21,22,23。
为疑似神经母细胞瘤的肿瘤进行电子显微镜检查制定简单方案的基本原理与组织标本超微结构检查的可行性和稳定性有关。它很少因使用免疫组化通常遇到的问题而改变。基本原理和方案已成为几本教科书的基础,以及对儿科病理学和电子显微镜的科学贡献 4,24,25。该协议跨越了作者三十年的经验,并将侧重于一些 PSRBCT,强调个人经历和文献综述。
在涉及人类参与者的研究中执行的所有程序均符合机构和/或国家研究委员会的道德标准以及 1964 年赫尔辛基宣言及其后来的修正案或类似的道德标准。电子显微镜研究是对收到的用于诊断目的的样本进行显微镜检查的正常常规程序的一部分,不需要生物伦理委员会的批准。这项研究是回顾性的,并尊重样本的完全匿名性。
1. 用于 FFPE(福尔马林固定和石蜡包埋)修复和戊二醛固定组织标本的 TEM 方案
2. 用于扫描和拍摄标本的 TEM 方案
此处显示了神经母细胞瘤的独特 TEM 特征。在这里,我们将说明神经母细胞瘤的独特 TEM 特征。
神经母细胞瘤是婴儿和儿童期最常见的实体恶性肿瘤之一。神经母细胞瘤细胞是这种实体瘤的恶性细胞,它从原始神经嵴的衍生物中隐匿地产生。这种组织发生机制解释了这种蓝色肿瘤的一些生化和形态学特征。然而,神经母细胞瘤的确定性细胞和组织病理学特征可以根据不同的分化程度而特别波动。因此,其诊断和鉴别诊断可能很困难。神经母细胞瘤与神经节细胞样元件的区别在于,随着细胞质过程的发展和核图像的改变,细胞质数量的增加(图 1A-D)。核增大和可见核仁是神经母细胞瘤分化的特征。也可能注意到向雪旺细胞样元件的分化。电子显微镜检查显示神经分泌颗粒(平均直径 100 nm)持续存在,伴有或不伴有包含微管和细中间丝的神经突样细胞质突起26。缺乏糖原是神经母细胞瘤的特征,如果很少见,它永远不会形成聚集体。分化程度区分神经母细胞瘤的超微结构。神经分泌或儿茶酚胺颗粒是这种肿瘤的特征,直径约为 150 nm。神经分泌颗粒需要与桥粒样结构区分开来。神经分泌颗粒可以在胞浆内细丝(神经丝)附近看到。细胞突通常丰满且圆柱形,通常被称为神经突(轴突和树突)。一些细胞过程包含线粒体,线粒体对肿瘤细胞的运动至关重要。神经突包含微管,但也可能具有肿胀的线粒体。在低分化神经母细胞瘤的情况下,更常发现一些特征。它们包括核形态的更显着不规则性、大量有丝分裂和凋亡象、微管和细胞过程的缺乏,与神经丝几乎持续存在形成鲜明对比,神经突的稀缺性,神经突起通常包含线粒体而不是微管,没有或很少突触连接,没有糖原,许多多核糖体的区域,以及神经分泌颗粒的缺乏。神经分泌颗粒对于区分神经母细胞瘤与其他 PSRBCT 至关重要,包括胚胎性横纹肌肉瘤、嗜酸性肉芽肿、小细胞骨肉瘤和网状细胞肉瘤,由于存在细胞质颗粒,这些细胞瘤可能会引起诊断挑战。
图 1:神经母细胞瘤的 TEM。(A-C) 低分化类型的神经母细胞瘤细胞,具有高核与细胞质比和少量细胞器。染色质分散在细胞核中,但也集中在靠近核膜的外围。在右上角的细胞核中可以看到核仁(比例尺:2 μm)。(D) 神经分泌颗粒表现出特征性双膜的神经母细胞瘤细胞(比例尺:200 nm)。红色箭头指向核仁,蓝色箭头显示异染色质,橙色箭头检测常染色质,绿色箭头指向线粒体,黄色箭头指向类似于正常突触前末端的囊泡。然而,神经母细胞瘤中的囊泡比经典的突触前末梢更大且更不规则。最后,黑色箭头显示许多致密的核心神经分泌颗粒。请单击此处查看此图的较大版本。
在这篇带有相关协议的叙述性综述中,我们强调了神经母细胞瘤独特的超微结构特征。最后,我们认为电子显微镜远非“死”或古老的技术,假设如果与单细胞组学技术相结合,将发现新作用。这一贡献旨在强调电子显微镜在儿科病理学中从未古老的作用 4,27。下面详细介绍了关键步骤、技术的修改和故障排除以及限制。
该协议有几个关键步骤。首先,必须切割所需的电子显微镜区域。必须调整菱形的边缘,使其尽可能靠近块的表面。这需要一手非常稳定的手。在拿起带有铜栅的浮动部分时应小心。
该技术的修改和故障排除包括需要考虑的几个方面。每个样品的品质(例如密度和性质)都是不同的。考虑到材料的性质和密度,并非所有组织标本都以相同的方式切割。例如,一些神经母细胞瘤标本可能未分化或分化不良,而另一些标本可能显示高度分化和不同程度的钙化。有时,必须切割多个部分才能得到一些好的部分进行进一步加工。避免任何类型的振动至关重要:呼吸、桌子、电磁镜的压缩机。如果截面碎裂,拧紧 UCM 螺钉可能是关键。如果在切片上看到划痕,请更换用于切割的金刚石刀。有时,切割伪影仅在最后一步看到。如果在电子显微镜下检测到切割伪影,则必须在确定伪影的原因后重新切割超薄切片。
TEM 具有明显的局限性,观察窗口甚至比使用传统光学显微镜捕获的视图还要小。电子显微镜的所需面积不能大于 1 mm 的正方形。有时,更大的区域有利于筛查,但不可能切割。它不会适合铜网格,会损坏金刚石刀,断面质量肯定会差。必须做出一些选择,并且必须选择筛选时最重要的结构或区域。切割速度不能提高;它会导致截面上的切割伪影。1 毫米/秒仍然很关键。
除了上面列出的经典特征(例如,神经分泌颗粒)外,通过 TEM 检查的神经母细胞瘤细胞中线粒体的超微结构通常显示显着水平的线粒体自噬,这是一种线粒体质量控制选择性细胞机制,能够降解线粒体,细胞认为线粒体是受损和/或多余的28,29.结果,线粒体港肿胀,嵴破裂,嵴消失。事实上,Radogna 等人发现有效的线粒体自噬是导致程序化细胞死亡途径激活失败的关键机制,这增加了 SK-N-AS 的耐药性,SK-N-AS 是一种神经母细胞瘤细胞系,增强了胰岛素样生长因子 II (IFG-II) 和 IGF-II RNA 的合成,并携带对 UNBS1450 的 I 型 IGF 受体,是一种属于心脏类固醇糖苷家族的半合成红豆素内酯, 以稍高的剂量触发坏死性凋亡30.
与鉴别诊断特别相关的是 TEM 对尤文肉瘤的作用。尤文肉瘤被认为等同于周围神经外胚层细胞瘤,尽管在过去 31,32,33 中进行了一些争论。实际上,在尤文肉瘤原始细胞中,丰富的细胞质糖原、发育不良的细胞连接和无神经特征是主要特征。周围神经外胚层肿瘤与电子显微镜下的尤文肉瘤有惊人的相似之处。事实上,这两种肿瘤被认为是同一实体,并且在 SIOP(国际儿科肿瘤学会)和 COG(儿童肿瘤学组)以及 UKCCSG(英国儿童癌症研究组)中使用相同的治疗方案进行治疗,因为它们具有相同的染色体易位。然而,在 PNET 中,存在一些神经特征,包括尤文肉瘤中几乎不存在的神经分泌颗粒。该规范还反映了免疫组织化学表型。至少有一个或两个神经标志物呈阳性,例如神经元特异性烯醇化酶、S-100、突触素或神经丝。Franchi 等人研究了 ES-PNET31。在大多数情况下,肿瘤细胞具有典型的超微结构,包括紧密堆积、分化不良的细胞,椭圆形至多边形。这些细胞包含一个圆形或椭圆形的细胞核,染色质精细分散,有一个或两个核仁。在细胞质中,微小的细胞器反映了这些肿瘤细胞分化不良。然而,对细节的密切关注可能会揭示线粒体、一些粗糙的内质网结构(所谓的脑池)、散发的溶酶体和游离核糖体的存在。糖原积累可能很容易检测到。糖原可以看作是分散的或混合的。在肿瘤细胞的细胞质和细胞质过程中经常观察到中间丝。看不到微管。在大约一半的关于细胞连接的病例中可以检测到基本连接。这些结构由发育良好的桥粒组成,如果确定了连接,则带有耳纤维。可以识别细胞外基质中基底膜样物质和胶原纤维的一些积累。可以观察到直径与神经母细胞瘤中观察到的颗粒相似的致密核心颗粒。与前述作者的免疫组织化学研究31 一样,分化良好的肿瘤往往发生在骨骼之外,而低分化的肿瘤更常出现在骨骼中而不是在软组织中。
总之,TEM 是一项出色的技术,在未来可能具有巨大的潜力,并且在医学上远未消亡。分子生物学技术的引入以及新一代测序的最新进展凸显了诊断连续体的不一致,但却是袋鼠式的进步浪潮。引入新方法不应阻止病理学家始终如一地使用电子显微镜,因为免疫组化和分子技术都可能是错误的。一些免疫组织化学模式和遗传异常不是肿瘤特异性的,可能与组织学相关性差。据我们所知,TEM 在病理学和医学领域仍然是一种稳健、有效且可重复的方法。TEM 是研究小圆蓝细胞肿瘤的辅助工具,是免疫组织化学结果的可靠证明。在现代设施中持续应用 TEM 可以提供高个位数一致性评分、高有效性和高效的可靠性。在不久的将来,分子生物学家可能会寻找有能力和有效的电子显微镜实验室,这些实验室可能会回答超微结构水平的特定问题。特别是,我们看到了 TEM 在分子生物学中的新视角和应用,例如 TEM 与旨在了解当前一些单细胞研究的实验的耦合。
第一作者从以下出版商那里获得版税:施普林格 (https://link-springer-com.bdigitaluss.remotexs.co/book/10.1007/978-3-662-59169-7;ISBN:978-3-662-59169-7)和 Nova (https://novapublishers.com/shop/science-culture-and-politics-despair-and-hopes-in-the-time-of-a-pandemic/;ISBN:978-1-53619-816-4)。所有版税都捐给儿科慈善机构。
我们感谢 Richard Vriend 博士(前阿尔伯塔省卫生服务部员工)和 Steven Joy (1972-2019) 的专业知识和慷慨支持,Steven Joy (1972-2019) 也曾是阿尔伯塔大学医院的阿尔伯塔省卫生服务员工。我们将这项工作献给 Joy 先生,他是一位超微结构研究方面的高级技术专家,几年前不幸过早地去世了。Joy 先生是加拿大阿尔伯塔省大多数电子显微镜研究的支柱。我们为他和他的家人表示哀悼和祈祷。我们还要感谢 Lesley Burnet 女士的帮助和建议。C. Sergi 博士的研究得到了安大略省渥太华东安大略省儿童医院、斯托勒里儿童医院基金会以及 Lois Hole 妇女医院支持者的慷慨资助,通过妇女和儿童健康研究所(WCHRI,资助 ID #:2096),湖北省自然科学基金为湖北工业大学提供(外国专家招聘计划的 100 名人才资助 总资金: 基于数字 PCR 和基于 NGS 的感染和肿瘤学诊断,2017-2022 年)、Österreichische Krebshilfe Tyrol(蒂罗尔州癌症研究所,2007 年和 2009 年 - “DMBTI 和胆管细胞癌”和“胰腺癌中的 Hsp70 和 HSPBP1”)、奥地利研究基金(Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung,FWF,拨款 ID L313-B13)、加拿大妇女健康基金会(“早期胎儿心脏RES0000928”), 癌症研究协会(癌细胞中的血管性血友病因子基因表达)、加拿大卫生研究院(用于治疗肠衰竭相关肝病的 omega-3 脂肪酸:一项转化研究,2011-2014 年,CIHR 232514)和沙特文化局,加拿大渥太华。资助者在研究设计、数据收集和分析、发表决定或手稿准备方面没有任何作用。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetone, ACS Reagent | Electron Microscopy Sciences | 10014 | Reagent as established by the American Chemical Society (ACS Reagent). |
Automated tissue processor | Electron Microscopy Sciences | L12600 | LYNX II Automated Tissue Processor for Histology and Microscopy. |
Digital camera software | Gatan | L12600 | Digital Micrograph |
Spurr's resin | Electron Microscopy Sciences | 14300 | Embedding resin. It provides excellent penetration for embedding tissues and rapid infiltration. The blocks have excellent trimming and sectioning qualities, while thin sections reveal tough qualities under the electron beam. |
Ethyl Alcohol | Electron Microscopy Sciences | 15058 | 100% Ethyl alcohol with molecular sieve, 50% and 70%. |
Glutaraldehyde, 25% EM Grade Aqueous in Serum Vial | Electron Microscopy Sciences | 16214 | 2.5% gluteraldehyde in 0.1 M cacodylate buffer, pH 7.2-7.4 made from 25% gluteraldehyde, primary fixative for TEM tissue specimens. |
Osmium tetroxide | Electron Microscopy Sciences | 19110 | Second fixative during TEM tissue processing used as OsO4 in distilled water |
Polyethylene capsules | Electron Microscopy Sciences | 70021 | Flat Bottom Embedding Capsules, Size 00 |
Scintillator | Electron Microscopy Sciences | 82010 | Phillip Quad Detector |
Single Edge Razor Blade | Electron Microscopy Sciences | 71952-10 | Blade for Clean Rm., 10/Disp. . |
Sodium Cacodylate Buffer | Electron Microscopy Sciences | 11655 | Sodium Cacodylate Buffer, 0.4M, pH 7.2, prepared from Sodium Cacodylate Trihydrate |
Tannic Acid, Reagent, A.C.S., EM Grade | Electron Microscopy Sciences | 21700 | Reagent as established by the American Chemical Society (ACS Reagent). |
Transmission Electron Microscope (1) | Hitachi | Hitachi 7100 | We use it at the HV 75 setting |
Transmission Electron Microscope (2) | JEOL | JEM-1010 | We use it at the HV 38 setting |
Toluene | Electron Microscopy Sciences | 22030 | Reagent as established by the American Chemical Society (ACS Reagent) |
Ultracut microtome | Leica | 11865766 | Ultramicrotome |
Uranyl acetate | Electron Microscopy Sciences | 22400 | Uranyless, substitute for uranyl acetate |
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