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弄懂免疫荧光,看这一篇就够了

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在文献中,我们经常看到由蓝色、绿色和红色信号组成的组织或细胞图片,不仅可以告诉我们目标蛋白在哪里表达、表达量如何变化,还可以看到不同蛋白或细胞是否存在空间上的邻近关系。这项技术就是免疫荧光。

免疫荧光常常有背景过高、信号过弱或假阳性的问题。本篇将从实验原理出发,系统介绍免疫荧光的操作流程、关键注意事项、结果分析方法及其在科研课题中的应用。

什么是免疫荧光?

免疫荧光,英文为 immunofluorescence,简称 IF,是利用抗原与抗体特异性结合,并通过荧光基团显示目标分子位置和表达情况的一种实验技术。

可以概括为:目标蛋白作为抗原→ 一抗特异性识别目标蛋白→ 荧光标记显示抗体结合位置→ 显微镜采集荧光信号→ 判断目标蛋白的表达与空间分布。

免疫荧光既可以用于培养细胞,也可以用于石蜡切片、冰冻切片、类器官和部分三维组织。与 Western blot 相比,免疫荧光不仅能判断蛋白是否表达,还能观察蛋白位于细胞核、细胞质、细胞膜还是细胞器中。与传统免疫组化相比,免疫荧光更适合同时检测多个指标,并进行共定位和空间关系分析。


图 1:https://www.muhn.edu.cn/ecmd/info/1502/14885.htm

免疫荧光的直接法与间接法

1、直接免疫荧光

直接法使用带有荧光标记的一抗识别目标蛋白:目标蛋白+荧光标记一抗。

它的优点是步骤少、时间短,能够减少二抗引起的非特异性背景;不足是信号放大能力较弱,而且每一种一抗都需要单独进行荧光标记。直接法常用于抗体已经完成荧光偶联,或者实验步骤需要尽量简化的情况。

2、间接免疫荧光

间接法先使用未标记的一抗识别目标蛋白,再使用带有荧光标记的二抗识别一抗:目标蛋白+一抗+荧光标记二抗。

由于多个二抗可以结合到同一个一抗上,因此间接法具有一定的信号放大作用,大多数常规免疫荧光实验采用这种方法。

但使用间接法时必须注意:

  • 二抗应与一抗的宿主来源相匹配;

  • 二抗不能与样本组织产生明显交叉反应;

  • 多重染色时,不同一抗应尽量来自不同物种。

例如,一抗是兔源抗体,则应选择抗兔 IgG 荧光二抗;如果一抗是小鼠源抗体,则应选择抗小鼠 IgG 荧光二抗。


图 2:https://zhuanlan.zhihu.com/p/21857847022

免疫荧光可以检测什么?

免疫荧光常见的检测内容包括以下几类。

1、蛋白表达水平

比较不同处理组中目标蛋白荧光强度或阳性细胞比例的变化。

例如:药物处理后目标蛋白是否降低;基因敲低后蛋白表达是否减少;肿瘤组织中的蛋白是否高于癌旁组织。


图 3:https://zhuanlan.zhihu.com/p/2002845702775148720

2、亚细胞定位

判断目标蛋白位于细胞核、细胞质、细胞膜或某类细胞器。

例如:转录因子是否由细胞质进入细胞核;受体是否位于细胞膜;蛋白是否定位于线粒体或溶酶体;药物处理是否改变蛋白的亚细胞分布。


图 4:https://www.sohu.com/a/141405600_749000

3、蛋白共定位

同时检测两个或多个蛋白,观察其荧光信号是否在空间上重叠。

例如:目标蛋白是否与线粒体标志物共定位;某受体与配体是否位于相同区域;两种蛋白是否可能存在空间上的接近。

需要注意,荧光共定位只能说明两个信号在显微镜分辨率范围内发生重叠,不能单独证明两个蛋白直接结合。蛋白相互作用仍需结合 Co-IP、PLA、FRET 或其他实验验证。


图 5:https://zhuanlan.zhihu.com/p/58194789

4、细胞类型鉴定

在组织切片中,可以将目标蛋白与细胞类型标志物共同染色,判断其主要由哪类细胞表达。

例如:CD68、CD163 或 F4/80 标记巨噬细胞;CD3 标记 T 细胞;CD8 标记细胞毒性 T 细胞;FOXP3 标记调节性 T 细胞;α-SMA 或 FAP 标记活化成纤维细胞;CD31 或 EMCN 标记血管内皮细胞;LYVE1、PDPN 或 PROX1 标记淋巴内皮细胞。

标志物的选择必须结合物种、组织类型和研究问题,不能仅依赖单个标志物就对复杂细胞亚群作出绝对判断。


图 6:https://zhuanlan.zhihu.com/p/598586689

实验开始前需要准备什么?

1、明确样本类型

常见样本包括:细胞爬片;石蜡组织切片;冰冻组织切片;细胞涂片;类器官;三维培养样本。不同样本的固定、抗原修复和通透条件不同,不能使用完全相同的实验流程。

2、确认抗体是否适用于免疫荧光

购买一抗时,应查看抗体说明书是否标注可用于 IF、ICC 或 IHC-F。同一个抗体可能适用于 Western blot,却不一定适用于免疫荧光。因为 Western blot 检测的是变性后的蛋白,而免疫荧光识别的是固定样本中的空间表位。

实验前应确认:抗体适用物种;抗体适用实验类型;一抗宿主来源;推荐稀释比例;目标蛋白的理论定位;是否有公开文献或验证图片支持。

3、设计必要的对照

一套可靠的免疫荧光实验至少应考虑:阳性对照;阴性组织或阴性细胞对照;不加一抗的二抗对照;基因敲低或敲除对照;单染对照;多色实验中的串色对照;自发荧光对照。其中,基因敲低或敲除样本通常是评价抗体特异性最有说服力的对照之一。

细胞免疫荧光的基本流程

细胞免疫荧光通常包括以下步骤:细胞爬片→ 固定→ 通透→ 封闭→ 一抗孵育→ 二抗孵育→ 核染色→ 封片→ 显微镜观察。


图 7:AI 做图

第一步:细胞接种与爬片

将无菌盖玻片放入培养板中,再接种细胞。待细胞贴壁并达到合适密度后进行处理和染色。细胞密度不宜过高。一般应保证细胞分布均匀,并能清晰分辨单个细胞。

常见问题:如果细胞过度融合:单个细胞边界难以辨认;细胞重叠会影响荧光定量;蛋白定位可能发生改变;高背景更难排查。

第二步:固定

固定的目的是保持细胞结构,并将蛋白稳定在原有位置。常用固定方法包括:4%多聚甲醛固定,4%多聚甲醛适用于多数细胞结构和蛋白定位实验;甲醇既能固定又具有通透作用,但可能破坏部分膜结构和构象表位。

常见问题:固定并非时间越长越好。过度固定可能导致:抗原表位被遮蔽;抗体难以结合;背景升高;荧光信号减弱。应根据目标蛋白定位和抗体说明书选择条件。

第三步:通透

如果目标蛋白位于细胞质、细胞核或细胞器内部,需要使用通透剂使抗体进入细胞。常见通透剂包括:TritonX-100;Tween-20;Saponin;低浓度 NP-40。TritonX-100 通透能力较强,常用于核蛋白和胞内蛋白;Saponin 作用相对温和,适用于需要较好保留细胞膜结构的实验。

如果目标蛋白位于细胞膜表面,并希望观察其天然膜定位,通透步骤应谨慎,必要时可以不通透。

常见问题:通透过强可能造成膜蛋白流失、细胞结构破坏或可溶性蛋白被洗脱。

第四步:封闭

封闭的目的是减少抗体与样本中非目标位点的非特异性结合。

常用封闭液包括:正常山羊血清;正常驴血清;牛血清白蛋白;与二抗宿主相匹配的正常血清。封闭液的选择通常与二抗来源有关。例如,使用驴抗兔二抗时,可考虑使用正常驴血清封闭。

常见问题:封闭时间和封闭液浓度并不是越高越好。某些封闭成分可能干扰特定抗原,应结合抗体说明书进行优化。

第五步:一抗孵育

按照预实验确定的稀释比例配制一抗,覆盖样本并进行孵育。常见做法是在 4℃条件下孵育过夜。

常见问题:一抗浓度过高容易造成:背景荧光升高;非特异性染色;细胞轮廓模糊。

一抗浓度过低则可能造成:信号过弱;阳性细胞漏检;组间差异难以观察。

因此,正式实验前最好设置梯度,例如在说明书推荐范围内比较多个稀释比例,并同时观察特异信号与背景。

第六步:清洗

一抗孵育完成后,使用 PBS 或含少量 Tween-20 的缓冲液清洗。

清洗不足是高背景的常见原因之一;清洗过于剧烈,则可能导致细胞脱落或组织结构损伤。

整个过程中应避免样本干片。一旦样本局部干燥,往往会产生强烈而不均匀的背景荧光。

第七步:二抗孵育

选择与一抗宿主匹配的荧光二抗,并在避光条件下孵育。

例如:兔源一抗对应抗兔二抗;小鼠源一抗对应抗小鼠二抗;山羊源一抗对应抗山羊二抗。

二抗孵育开始后,应尽量全程避光。二抗浓度过高同样可能造成背景升高,因此需要进行适当稀释。

第八步:细胞核染色

DAPI 或 Hoechst 常用于细胞核染色。DAPI 与 DNA 结合后发出蓝色荧光,可用于显示细胞核的位置和数量。

常见问题:核染时间不宜过长、浓度不宜过高,否则蓝色信号过强,可能干扰相邻通道的观察。

DAPI 只用于显示细胞核,并不能区分正常细胞核、凋亡细胞核或不同类型的细胞,除非结合形态和其他指标分析。

第九步:封片与拍照

滴加抗荧光淬灭封片剂后,将盖玻片固定于载玻片上,并避免产生气泡。

封片后应尽快观察,或在避光、低温条件下妥善保存。不同荧光染料的稳定性不同,长时间放置可能导致信号衰减。


图 8:AI 做图

显微镜拍照有哪些要点?

免疫荧光结果不仅取决于染色,还取决于图像采集。

1、同一实验采用相同参数。

如果每张图片都单独调整亮度和曝光,组间荧光强度就失去了直接可比性。

2、避免信号饱和

当荧光信号达到检测上限后,即使真实表达进一步升高,图片中的亮度也不会继续增加。因此,拍照时应检查是否存在过曝或饱和像素。用于定量的图片尤其不能大面积过曝。

3、不要只选择「最好看」的视野

应提前制定取景规则,例如:

• 每张切片随机选择若干视野;

• 按照肿瘤核心区和浸润边缘分别取景;

• 避开折叠、坏死和严重破损区域;

• 由不知道分组信息的人员完成拍摄或分析;

• 以患者或动物,而不是视野数量作为统计单位。

一名患者拍摄 10 个视野,并不等于获得了 10 个独立样本。

免疫荧光结果如何定量?

免疫荧光不能只放代表性图片,还应进行客观定量。

常见指标包括:平均荧光强度;积分光密度;阳性面积比例;阳性细胞比例;单细胞荧光强度;核质荧光比;单位面积阳性细胞数;两类细胞之间的距离;共定位系数。

1、平均荧光强度

• 用途:评估不同组别间目标蛋白的整体表达水平。

要求:严格统一感兴趣区域界定、背景扣除、曝光参数、阈值及图像处理全流程。

2、阳性细胞比例

• 用途:量化表达目标蛋白的细胞占比(目标蛋白阳性细胞数 / 总细胞数)。

• 要点:常用 DAPI 计数总细胞,遇细胞密集或重叠时需借助分割算法识别。

3、核质比

用途:反映存在核转位蛋白(如 NF-κB、STAT、YAP、β-catenin 等)入核的程度。

• 方法:分别测定胞核与胞质的荧光强度并计算比值。

4、共定位分析

• 指标:常用 Pearson 相关系数和 Manders 重叠系数。

• 干扰因素:易受背景荧光、通道串色、阈值设置及图像分辨率的影响。


图 9:AI 做图

实验中常见问题及解决思路

1、无荧光信号

核心诱因:抗体不匹配/失效/浓度低、抗原修复或固定不当、蛋白低表达、染料淬灭、滤光通道选错。

排查策略:首选已知阳性样本验证抗体及显色系统有效性。

2、背景过高

核心诱因:抗体过浓、封闭不足、清洗不净、实验干片、非特异结合、自发荧光、曝光过度。

排查策略:降低抗体浓度、强化清洗与封闭、做无一抗阴性对照、淬灭自发荧光。

3、信号弥漫无特异定位

核心诱因:固定不足、通透过度(导致蛋白游离)、抗体特异性差、过曝、散焦。

排查策略:定位与预期严重不符时,优先重检抗体特异性并优化固定/透化条件。

4、细胞或组织脱落

核心诱因:贴壁/烤片不充分、玻片未做防脱处理、抗原修复过度、清洗用力过猛。

排查策略:改用包被/防脱载玻片,温和洗涤,优化烤片时长与修复条件。

5、多色荧光串色

核心诱因:发射光谱重叠、二抗交叉反应、通道荧光过强、滤光及拍摄参数不当、缺单染补偿。

排查策略:从源头严选抗体宿主与染料组合,规范设置单染对照与通道拆分,切勿仅依赖后期处理。

编辑:小 z

题图:自制

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