Het gebruik van een RNA-gebaseerde benadering om kwantitatieve immuunprofielen van vaste tumorweefsels te bepalen en klinische cohorten te benutten voor immuun-oncologische biomarkerontdekking wordt beschreven door middel van een moleculaire en informaticaprotocollen.
Immunotherapieën tonen belofte bij de behandeling van oncologische patiënten, maar complexe heterogeniteit van de tumormicroomgeving maakt het voorspellen van de respons op de behandeling uitdagend. Het vermogen om de relatieve populaties van immuuncellen in en rond het tumorweefsel op te lossen, is aangetoond dat het klinisch relevant is voor het begrijpen van de respons, maar wordt beperkt door traditionele technieken zoals flow cytometrie en immunohistochemie ( IHC), vanwege de grote hoeveelheid weefsel die nodig is, gebrek aan nauwkeurige cel type markers, en vele technische en logistieke hindernissen. Een test (bijvoorbeeld de ImmunoPrism Immune Profiling Assay) overwint deze uitdagingen door het opvangen van zowel kleine hoeveelheden RNA en sterk gedegradeerd RNA, gemeenschappelijke kenmerken van RNA geëxtraheerd uit klinisch gearchiveerd solide tumorweefsel. De test wordt geopend via een reagent kit en cloud-based informatica die een end-to-end kwantitatieve, high-throughput immuno-profiling oplossing biedt voor Illumina sequencing platforms. Onderzoekers beginnen met zo weinig als twee secties van formaline-vaste paraffine-embedded (FFPE) weefsel of 20-40 ng van de totale RNA (afhankelijk van de kwaliteit van het monster), en het protocol genereert een immuunprofiel rapport kwantificeren acht immuunceltypes en tien immuun ontsnappen genen, het vastleggen van een compleet beeld van de tumor micro-omgeving. Er is geen aanvullende bio-informaticaanalyse nodig om gebruik te maken van de resulterende gegevens. Met de juiste steekproefcohorten kan het protocol ook worden gebruikt om statistisch significante biomarkers te identificeren binnen een patiëntenpopulatie van belang.
Kwantificering van tumor-infiltrerende lymfocyten (IL’s) en andere immuungerelateerde moleculen in formaline-fixed en paraffine embedded (FFPE) solid tumor human tissue samples has demonstrateed value in clinical research1,2,3. Gemeenschappelijke technieken zoals flow cytometrie en eencellige ribonucleic acid (RNA) sequencing zijn nuttig voor vers weefsel en bloed4,maar zijn ongeschikt voor analyse van FFPE materialen als gevolg van het onvermogen om levensvatbare celsuspenss te creëren. De huidige methoden die zijn gebruikt om deze cellen in FFPE-weefsel te kwantificeren, lijden aan grote uitdagingen. Immunohistochemie (IHC) en andere soortgelijke imaging workflows vereisen specifieke antilichamen om cel-oppervlakte eiwitten te detecteren, die moeilijk te standaardiseren kunnen zijn tussen laboratoria om reproduceerbare kwantificering mogelijk te maken5. Platforms zoals het nCounter-systeem vertrouwen op de expressie van afzonderlijke genen om belangrijke immuuncellen te definiëren6,waardoor de gevoeligheid en specificiteit van detectie worden beperkt. Meer generieke RNA sequencing methoden, in combinatie met standalone software tools, zijn beschikbaar, maar vereisen aanzienlijke optimalisatie en validatie voorafgaand aan het gebruik7,8,9,10,11,12. Recente vooruitgang in het combineren van laser capture microdissectie (LCM) met RNA sequencing voor FFPE weefsel heeft aangetoond belofte; er is echter een meer krachtige, turnkey-oplossing nodig voor translationele studies die gericht zijn op het identificeren van robuuste biomarkers13,14. Methoden om multidimensionale biomarkers te genereren, zoals Predictive Immune Modeling, die patiëntencohorten definiëren, waaronder therapieresponders, subtypen van kanker of overlevingsresultaten met een hoge voorspellende nauwkeurigheid en statistische significantie, worden steeds belangrijker in het tijdperk van precisiegeneeskunde en immunotherapie15,16.
Om aan deze behoefte tegemoet te komen, werd een immuunprofileringstest ontwikkeld om gevoelige en specifieke kwantificering van immuuncellen in vast tumor FFPE-weefsel mogelijk te maken met behulp van gestandaardiseerde RNA-sequencing reagentia en cloudgebaseerde informatica. Naast de opvang van gedegradeerd RNA uit FFPE-weefsel, is het protocol in staat om RNA te huisvesten dat is afgeleid van het beperken van weefselmonsters zoals kernnaaldbiopten, naaldpiraten en micro- of macro-ontleed weefsel. RNA-gegevens van elk monster worden vergeleken met een database van genexpressiemodellen van immuuncellen, genaamd immune Health Expression Models, om immuuncellen te kwantificeren als een percentage van de totale cellen die in het monster aanwezig zijn. Kortom, deze modellen werden gebouwd met behulp van machine-learning methoden om unieke multigene expressie patronen te identificeren uit whole-transcriptome gegevens gegenereerd uit gezuiverde immuuncelpopulaties (geïsoleerd met behulp van canonieke cel-oppervlak markers)17,18. De multidimensionale Health Expression Modellen die aan de technologie ten grondslag liggen, stelt de test in staat om elke immuuncel te kwantificeren als een procent van de totale cellen die aanwezig zijn in het heterogene mengsel. Dit stelt de onderzoeker in staat om inter- en intra-sample immuuncelvergelijkingen te genereren, waarvan is aangetoond dat ze klinische waardehebben 19,20. Andere toepassingen zijn kwantificering van de immuunrespons voor en na de behandeling, zoals beschreven in de representatieve resultaten. De test rapporten over meerdere kenmerken van immuun contexture van de tumor en tumor micro-omgeving met inbegrip van de absolute percentages van acht immuunceltypes (afgeleid van genexpressie modellen): CD4+ T cellen, CD8+ T cellen, CD56+ Natural Killer cellen, CD19+ B cellen, CD14+ monocyten, Tregs, M1 macrofagen, en M2 macrofagen. Bovendien rapporteert de test de uitdrukking (in transcripties per miljoen, of TPM) van tien immuunvluchtgenen: PD-1, PD-L1, CTLA4, OX40, TIM-3, BTLA, ICOS, CD47, IDO1 en ARG1.
De reagent kit wordt gebruikt om bibliotheken van hoge kwaliteit klaar te maken voor sequencing op een Illumina-platform volgens een hybride op capture gebaseerde bibliotheekbereidingsmethode, zoals weergegeven in figuur 1. Als een onderzoeker geen Illumina sequencing-platform in zijn laboratorium heeft, kunnen hij zijn monsters voor sequencing indienen bij een kernlaboratorium. Eenmaal gegenereerd, sequencing gegevens wordt geüpload naar de Prism Portal voor geautomatiseerde analyse, en een uitgebreid, kwantitatief profiel voor elk individueel monster, in de vorm van het Immune Report(Figuur 2A), wordt teruggestuurd naar de gebruiker. Gebruikers kunnen ook voorbeeldgroepen definiëren in de Prism Portal om een Biomarker Report(figuur 2B)te genereren, waarbij statistisch significante biomarkers worden gemarkeerd die twee patiëntcohorten onderscheiden. Belangrijk is dat de gegevens die door de reagentkit worden gegenereerd, alleen voor onderzoek zijn gebruikt en mogelijk niet voor diagnostische doeleinden worden gebruikt.
Figuur 1: Overzicht van de workflow. In dit protocol wordt RNA eerst omgezet in cDNA. Sequencing adapters zijn geligated, en adapter-ligated cDNA wordt versterkt en gebarcoded door PCR om een pre-capture bibliotheek te creëren. Biotinylated sondes worden vervolgens gehybridiseerd naar specifieke cDNA-doelen die vervolgens worden vastgelegd met behulp van streptavidin kralen. Niet-gebonden, niet-gerichte cDNA wordt verwijderd door wassen. Een definitieve PCR-verrijking levert een post-capture bibliotheek op die klaar is voor sequencing. *Totaal RNA moet afkomstig zijn van menselijke monsters; kan intact of gedegradeerd (FFPE) RNA. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Figuur 2: Representatieve immuunrapporten. De workflow genereert twee rapporten, een individueel immuunrapport(A)voor elk verwerkt monster en een biomarkerrapport(B)voor gedefinieerde patiëntcohorten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.
Het protocol vereist ongeveer 16 uur voorbereidingstijd (van totaal RNA tot bibliotheken die klaar zijn voor sequencing); Er zijn echter een aantal optionele stoppunten, zoals vermeld in het protocol. De test maakt gebruik van de rijke, dynamische aard van transcriptomics om verder te gaan dan legacy single-analyte biomarkers naar multidimensionale genexpressiemodellen, waardoor uitgebreide biologische karakterisering van weefselmonsters met gestandaardiseerde reagentia en gebruiksvriendelijke softwaretools. Het stelt onderzoekers in staat om een hedendaagse technologie te gebruiken in hun eigen laboratorium, door gebruik te maken van machine learning en een database van Health Expression Models om nauwkeurigere, kwantitatieve immuunprofielen van kostbare klinische monsters af te leiden en te ontdekken multidimensionale RNA biomarkers met volledige statistische analyse.
Het protocol vereist 20 ng intact of 40 ng hoogst gedegradeerd (FFPE) RNA. Het RNA-monster moet vrij zijn van DNA, zouten (bijvoorbeeld Mg2+of guanidiniumzouten), divalente kationchechedelende stoffen (bijvoorbeeld EDTA, EGTA, citraat) of organische stoffen (bijvoorbeeld fenol en ethanol). Het wordt niet aanbevolen om verder te gaan met RNA-monsters die een DV200 <20% hebben. Het gebruik van het rna in-kitcontrole wordt sterk aanbevolen, omdat deze besturingselementen een middel bieden om de prestaties gedurende het hele protocol te evalueren, van bibliotheekvoorbereiding tot analyse.
Het protocol is ontworpen om te worden uitgevoerd met behulp van 0,2 mL PCR stripbuizen. Indien gewenst kan het protocol ook worden uitgevoerd met behulp van de putten in een 96-well PCR-plaat. Gebruik gewoon de putten van een 96-well PCR plaat in plaats van alle verwijzingen naar PCR buizen of stripbuizen. Gebruik PCR platen met duidelijke putten alleen, want het is van cruciaal belang om visueel te bevestigen volledige resuspension van kralen tijdens kraal zuiveringen en wassen stappen.
Houd reagentia gedurende het protocol bevroren of op ijs, tenzij anders aangegeven. Gebruik geen reagentia totdat ze volledig ontdooid zijn. Zorg ervoor dat u alle reagentia grondig mengt voor gebruik.
Houd enzymen op -20 °C tot ze na gebruik klaar zijn voor gebruik en keer na gebruik terug naar -20 °C. Gebruik alleen nuclease-vrij water van moleculaire kwaliteit; het wordt afgeraden om met DEPC behandeld water te gebruiken. Bij het beaien om te mengen, zachtjes aanzuigen en afzien van ten minste 50% van het totale volume totdat de oplossingen goed gemengd zijn. Pipette meng alle master mixen met enzymen. Het gebruik van vortex om de enzymen te mengen kan leiden tot denaturatie en hun prestaties in gevaar brengen. Gebruik tijdens de kraalzuiveringen vers gemaakte 80% ethanoloplossingen van moleculaire ethanol. Het gebruik van ethanoloplossingen die niet vers zijn, kan leiden tot lagere opbrengsten. Vermijd over het drogen van de kralen, omdat dit kan verminderen elutie efficiëntie (kralen kijken gebarsten als over gedroogd).
Zoals beschreven in stap 10, worden unieke indexprimers toegevoegd aan elke reactie. Op basis van de sequenties van deze indexen, voor laagmultiplexing, zijn bepaalde indexcombinaties optimaal. De sequenties van deze indices zijn nodig voor het demultiplexeren van de gegevens na de sequencing. De sequenties en aanbevolen multiplexing combinaties zijn opgenomen in aanvullende tabel 3. In dezelfde stap is het belangrijk op te merken dat het aantal aanbevolen PCR-cycli varieert afhankelijk van de kwaliteit van het gebruikte RNA en dat enige optimalisatie nodig kan zijn om overversterking van PCR te voorkomen. Voor het ImmunoPrism Intact Control RNA en ander hoogwaardig RNA start optimalisatie met 10 PCR cycli. Voor het ImmunoPrism FFPE Control RNA en andere sterk gedegradeerde/FFPE RNA start optimalisatie met 15 PCR cycli. Het produceren van een testbibliotheek met behulp van RNA representatief voor het materiaal dat moet worden geanalyseerd om PCR-cycli te optimaliseren wordt aanbevolen. Het minimumaantal PCR-cycli dat consistent voldoende pre-capture bibliotheekopbrengsten oplevert (>200 ng) moet worden gebruikt. Een secundaire piek rond 1000 bp op het Bioanalyzer-spoor is indicatief voor overversterking (figuur 4). Overversterking moet worden geminimaliseerd, maar de aanwezigheid van een kleine secundaire piek zal de resultaten van de test niet verstoren.
Om monsterverlies te minimaliseren en te voorkomen dat u van buizen wisselt, kan stap 13 worden uitgevoerd in PCR-buizen, stripbuizen of een 96-well PCR-plaat in plaats van 1,5 mL-microbuisjes, als uw vacuümconcentrator dit toelaat. De rotor kan op veel concentrators worden verwijderd. Hierdoor passen de stripbuizen of platen in het vacuüm. De vacuümconcentratie kan dan worden uitgevoerd met behulp van de waterige uitdroging instelling zonder centrifugering. Raadpleeg de handleiding voor uw vacuümconcentrator voor instructies. Als de monsters worden gedroogd in stripbuizen of een 96-put plaat, kan de hybridisatiestap in hetzelfde vat worden uitgevoerd.
Tijdens stap 17 moet u elke 10-12 min vortexen om de efficiëntie van de kraalafte vast te leggen. Houd de doppen van de warme stripbuizen voorzichtig vast bij het mengen om te voorkomen dat buizen opengaan.
De in stap 18 beschreven wasbeurten zijn van cruciaal belang om hoge niet-specifieke verontreiniging te voorkomen en moeten op de voet worden gevolgd. Zorg ervoor dat u de kralen bij elke wasbeurt volledig opnieuw opschort, de wasbuffers volledig verwijdert en tijdens de wasbuffer 2-wasbuffer 2 de monsters naar een verse stripbuis brengt (stap 18.6.5). Zorg ervoor dat de streptavidin kralen volledig opnieuw worden opgehangen en blijven in suspensie tijdens de gehele incubatie. Spatten op de buisdoppen heeft geen negatieve invloed op de opname. Tijdens de wasbeurten van de kamertemperatuur kan een microplate vortexmixer worden gebruikt om de monsters gedurende het geheel van de incubatietijd van twee minuten te vortexen voor een gemakkelijkere resuspensie. Laat de streptavidin kralen niet uitdrogen. Indien nodig, uitte broedtijd in de buffers om te voorkomen dat het drogen van de kralen. Als u meer dan één stripbuis gebruikt, werkt u met één stripbuis tegelijk voor elke wasbeurt, terwijl de andere stripbuizen in de thermocycler zitten. Dit kan helpen voorkomen dat over het drogen van de kralen of haasten, wat resulteert in een slechte resuspension of andere sub-optimale technieken. Voor gebruikers voor het eerst wordt het niet aanbevolen om meer dan 8 bibliotheekreacties tegelijk te verwerken.
De huidige immuunprofileringstechnieken leveren een continuüm van informatie – van duizenden gegevenspunten die significante interpretatie (RNA-sequencing) vereisen tot een individueel, discreet datapunt (single-plex IHC). Het hier beschreven protocol vertegenwoordigt een benadering die zich ergens in het midden bevindt, met een gerichte reikwijdte die een hoge gevoeligheid mogelijk maakt, maar slechts een subset van klinisch relevante transcriptomische gegevens vastlegt. Vanwege de aard van bulk RNA extractie, dit protocol biedt geen informatie over de ruimtelijke relaties tussen immuuncellen en de tumor micro-omgeving, echter, resultaten kunnen worden aangevuld met imaging technologieën om deze informatie toe te voegen. Er zijn een groot aantal toepassingen voor de gegevens gegenereerd door dit protocol, want er is veel te leren over de biologie van kanker als een ziekte, en de therapieën worden ontwikkeld om het te behandelen. Zoals blijkt uit de representatieve resultaten, is het individuele immuunrapport nuttig om te begrijpen hoe het immuunsysteemprofiel van een patiënt kan veranderen in reactie op gebeurtenissen zoals ziekteprogressie of behandeling. Hoewel de hier gepresenteerde resultaten enkele voorbeelduse cases bieden, zijn ook andere toepassingen, waaronder het onderzoeken van het werkingsmechanisme van een therapie en het identificeren van vermeende biomarkers van klinische resultaten zoals progressievrij en algehele overleving, Praktische. Bij het gebruik van dit protocol voor biomarker detectie toepassingen, is het belangrijk om goede studie ontwerp te oefenen om ervoor te zorgen homogene populaties worden geanalyseerd, voldoende monsters worden opgenomen voor statistische kracht, en bronnen van bias worden overwogen. Vanwege de gerichte, gestroomlijnde aard van de test, is het haalbaar om een pad naar klinische validatie en downstream toepassing van deze biomarkers voorstellen eenmaal ontdekt.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen TriStar Technology Group erkennen voor het leveren van de biologische specimens voor de representatieve resultaten, evenals de gehele moleculaire, analyse-, product- en commerciële teams van Cofactor Genomics voor hun technische expertise en Ondersteuning.
0.2 mL PCR 8 tube strip | USA Scientific | 1402-2700 | USA Scientific 0.2 mL PCR 8-tube strip |
200 Proof Ethanol | MilliporeSigma | EX0276-1 | Prepare 80% by mixing with nuclease-free water on the day of the experiment |
96-well thermal cyclers | BioRad | 1861096 | |
Solid-phase Reversible Immobilization (SPRI) Beads | Beckman-Coulter | A63882 | Agencourt AMPure XP – PCR Purification beads |
Digital electrophoresis chips and kit | Agilent Technologies | 5067-4626 | Agilent High Sensitivity DNA chips and kit |
Digital electrophoresis system | Agilent Technologies | G2939AA | Agilent 2100 Electrophoresis Bioanalyzer |
Streptavidin Beads | ThermoFisher Scientific | 65306 | Dynabeads M-270 Streptavidin |
ImmunoPrism Kit – 24 reaction | Cofactor Genomics | CFGK-302 | Cofactor ImmunoPrism Immune Profiling Kit – 24 reactions |
Human Cot-1 DNA | ThermoFisher Scientific | 15279011 | Invitrogen brand |
Magnetic separation rack | Alpaqua/Invitrogen | A001322/12331D | 96-well Magnetic Ring Stand |
Microcentrifuge | Eppendorf | 22620701 | |
Microcentrifuge tubes | USA Scientific | 1415-2600 | USA Scientific 1.5 mL low-adhesion microcentrifuge tube |
NextSeq550 | Illumina | SY-415-1002 | Any Illumina sequencer may be used for this protocol |
Nuclease-free water | ThermoFisher Scientific | AM9937 | |
Prism Extraction Kit | Cofactor Genomics | CFGK-401 | Cofactor Prism FFPE Extraction Kit – 24 samples |
Purified RNA | – | – | Purified from human tissue samples |
Fluorometer | ThermoFisher Scientific | Q33226 | Qubit 4 System |
Fluorometric Assay Tubes | Axygen | PCR-05-C | 0.5mL Thin Wall PCR Tubes with Flat Caps |
High Sensitivity Fluorometric Reagent Kit | Life Technologies | Q32854 | Qubit dsDNA HS Assay Kit |
Vacuum concentrator | Eppendorf | 22820001 | VacufugePlus |
Vortex mixer | VWR | 10153-838 | |
Water bath or heating block | VWR/USA Scientific | NA/2510-1102 | VWR water bath/USA Scientific heating block |