通过分子和信息学协议描述使用基于RNA的方法确定固体肿瘤组织的定量免疫特征,并利用临床队列进行免疫肿瘤学生物标志物发现。
免疫疗法在肿瘤患者的治疗中显示出希望,但肿瘤微环境的复杂异质性使得预测治疗反应具有挑战性。解决肿瘤组织内和周围免疫细胞的相对群体的能力已被证明与理解反应在临床上相关,但受到流式细胞学和免疫组织化学等传统技术的限制(IHC),由于需要大量的组织,缺乏准确的细胞类型标记,以及许多技术和后勤障碍。一种测定(例如,免疫Prism免疫分析分析)通过容纳少量RNA和高降解RNA(从临床存档的固体肿瘤组织中提取的RNA的常见特征)克服了这些挑战。该测定通过试剂盒和基于云的信息学进行访问,为Illumina测序平台提供端到端定量、高通量免疫分析解决方案。研究人员从只有两个部分的形式固定石蜡嵌入(FFPE)组织或总RNA的20-40 ng(取决于样品质量),该协议生成免疫配置文件报告量化8个免疫细胞类型和10个免疫逃生基因,捕捉肿瘤微环境的完整视图。无需额外的生物信息分析即可利用所得数据。使用适当的样本队列,该协议还可用于识别患者感兴趣群体中具有统计意义的生物标志物。
肿瘤渗透淋巴细胞(TILs)和其他免疫相关分子在形式固定和石蜡嵌入(FFPE)固体肿瘤人体组织样本的定量在临床研究1、2、3中已显示出价值。流动细胞学和单细胞核糖核酸(RNA)测序等常用技术对新鲜组织和血液4有用,但由于无法产生可行的细胞悬浮液,因此不适合分析FFPE材料。目前用于量化FFPE组织中这些细胞的方法面临重大挑战。免疫组织化学(IHC)和其他类似的成像工作流程需要特定的抗体来检测细胞表面蛋白,这在实验室中很难标准化,以实现可重复的定量5。诸如nCounter系统等平台依靠单一基因的表达来定义关键的免疫细胞6,限制了检测的敏感性和特异性。更通用的RNA测序方法,加上独立的软件工具,是可用的,但在使用7,8,9,10,11,12之前需要显著的优化和验证。激光捕获微分体(LCM)与FFPE组织RNA测序相结合的最新进展已显示出希望;然而,一个更高的通量,交钥匙的解决方案是需要的翻译研究,旨在识别强大的生物标志物13,14。在精密医学和免疫治疗时代,能够定义患者队列(包括治疗反应者、癌症亚型或具有高预测准确性和统计意义的生存结果)的多维生物标志物的方法变得越来越重要。
为了满足这一需求,开发了一种免疫分析测定,利用标准化的RNA测序试剂和基于云的信息学,使固体肿瘤FFPE组织中免疫细胞的敏感和特异性定量。除了容纳来自FFPE组织的降解RNA外,该协议还能够容纳从限制组织样本(如核心针头活检、针吸气和微或宏观解剖组织)衍生的RNA。将每个样本的RNA数据与免疫细胞的基因表达模型数据库进行比较,该数据库称为免疫健康表达模型,以量化免疫细胞占样本中总细胞的百分比。简单地说,这些模型是使用机器学习方法构建的,从纯化免疫细胞群(使用规范细胞表面标记分离的分离)生成全转录组数据中识别独特的多基因表达模式(使用规范细胞表面标记)17、18。该技术基础的多维健康表达模型使测定能够将每个免疫细胞量化为异质混合物中总细胞的百分比。这使得研究人员能够生成样本间和样本内免疫细胞的比较,这已被证明具有临床价值19,20。其他应用包括免疫反应治疗前和治疗后定量,如代表性结果所述。测定报告肿瘤和肿瘤微环境免疫结合的多种特征,包括八种免疫细胞类型的绝对百分比(来自基因表达模型):CD4+ T细胞、CD8+ T细胞、CD56=自然杀伤细胞、CD19+ B细胞、CD14+单核细胞、Tregs、M1巨噬细胞和M2巨噬细胞。此外,测定报告10个免疫逃逸基因的表达(以千万分之一转录或TPM计算):PD-1、PD-L1、CTLA4、OX40、TIM-3、BTLA、ICOS、CD47、IDO1和ARG1。
试剂试剂盒用于根据基于混合捕获的库制备方法,在Illumina平台上建立高质量的库,以便进行测序,如图1所示。如果研究人员在实验室中没有Illumina测序平台,他们可以将样品提交核心实验室进行测序。生成后,测序数据将上载到棱镜门户进行自动分析,并将以免疫报告(图 2A)的形式为每个样本返回一个全面的定量配置文件。用户还可以在棱镜门户中定义样本分组以生成生物标志物报告(图2B),突出显示区分两个患者群组的统计显著性生物标记。重要的是,试剂盒生成的数据仅供研究使用,不得用于诊断目的。
图 1:工作流概述。在此协议中,RNA首先转换为cDNA。测序适配器被连带,适配器连带的cDNA被PCR放大和条形码,以创建预捕获库。然后,生物素化探针杂交到特定的cDNA靶点,然后用链球菌珠捕获。未绑定、非靶向的 cDNA 通过洗涤去除。最终的 PCR 扩充产生一个后捕获库,可以进行测序。*总RNA必须来自人体样本;可能是完整或降解 (FFPE) RNA。请点击此处查看此图的较大版本。
图2:代表性免疫报告。工作流生成两个报告, 每个处理的样本的单个免疫报告 (A), 和生物标记报告 (B) 为定义的患者队列.请点击此处查看此图的较大版本。
该协议需要大约16小时的制备时间(从总RNA到准备测序的库);但是,正如协议中所述,有许多可选的停止点。该测定利用转录组学的丰富、动态特性,从传统的单分析物生物标记物转向多维基因表达模型,从而实现具有标准化的组织样本的全面生物特征试剂和易于使用的软件工具。它使研究人员能够利用机器学习和健康表达模型数据库,在自己的实验室中利用当代技术,从而获得更准确、定量的珍贵临床样本免疫配置文件,并发现具有全面统计分析的多维RNA生物标志物。
该协议需要20纳克完整或40纳克高降解(FFPE)RNA。RNA样品应不含DNA、盐(如Mg2+或二元盐)、二价阳合剂(如EDTA、EGTA、锡酸盐)或有机物(如酚和乙醇)。不建议继续进行具有 DV200 <20% 的 RNA 样本。强烈建议使用试剂盒内控制RNA,因为这些控件提供了一种评估整个协议性能的方法,从库制备到分析。
该协议设计为使用 0.2 mL PCR 带管执行。如果愿意,也可以使用96孔PCR板中的井执行该协议。只需使用 96 孔 PCR 板的孔代替 PCR 管或带管的所有参考。仅使用带有透明孔的 PCR 板,因为在珠子净化和洗涤步骤期间,目视确认珠子完全重新悬浮至关重要。
在整个协议中,除非另有说明,否则将试剂冷冻或放在冰上。在试剂完全解冻之前,请勿使用试剂。使用前,请务必彻底混合所有试剂。
将酶保持在-20°C,直到准备好使用,使用后迅速返回到-20°C。仅使用分子级无核酸酶水;不建议使用DEPC处理的水。移液混合时,轻轻吸气并分配至少总体积的50%,直到溶液充分混合。移液器混合所有含有酶的主混合物。使用涡旋混合酶可能导致变性,并损害其性能。在珠子纯化过程中,使用分子级乙醇中新鲜制成的80%乙醇溶液。使用不新鲜的乙醇溶液可能会导致产量降低。避免过度干燥珠子,因为这样会降低洗脱效率(如果珠子干燥,看起来会裂开)。
如步骤 10 中所述,每个反应中都会添加唯一的索引引出。根据这些索引的顺序,对于低级多路复用,某些索引组合是最佳的。这些索引的序列是数据后排序的解数化所必需的。补充表3提供了序列和推荐的多路复用组合。在同一步骤中,必须注意,推荐的PCR周期数量因使用的RNA质量而异,并且可能需要一些优化来防止PCR过度扩增。对于免疫Prism控制RNA和其他高质量RNA,开始优化与10PCR周期。对于免疫Prism FFPE控制RNA和其他高降解/FFPERNA,开始优化与15PCR周期。建议使用要分析的材料的RNA代表生成测试库,以优化PCR周期。应使用一致产生足够预捕获库产量(>200 ng)的最小 PCR 周期数。生物分析仪追踪图上约1000 bp的二次峰值表示过度放大(图4)。应尽量减少过度放大,但小次峰的存在不会干扰检测结果。
为了尽量减少样品损失和避免开关管,步骤13可以在PCR管、带状管或96孔PCR板中执行,而不是1.5 mL微管,如果您的真空集中器允许的话。转子可以在许多集中器上拆下。这使得带材管或板能够安装在真空中。然后,可以使用无离心的水干燥设置运行真空浓度。有关您的真空集中器的说明,请参阅手册。如果样品在带状管或96孔板中干燥,杂交步骤可以在同一容器中执行。
在步骤 17 期间,确保每 10-12 分钟涡旋一次,以提高珠子捕获效率。混合时,小心地握住暖带管的盖,以防止管打开。
步骤 18 中描述的清污对于避免高非特定污染至关重要,必须密切遵循。确保每次清洗时完全重新悬浮珠子,完全去除洗涤缓冲液,在洗涤缓冲液 2 洗涤过程中,将样品转移到新鲜的带管中(步骤 18.6.5)。确保链球菌珠在整个孵育过程中完全重新悬浮并保持悬浮状态。溅到管盖上不会对捕获产生负面影响。在室温下液中,微板涡旋混合器可用于在两分钟的孵育期内涡旋样品,以便更容易再悬浮。不要让链球菌珠干涸。如果需要,在缓冲液中延长孵育,以避免珠子干燥。如果使用多个带状管,则每次清洗时使用一条管,而另一个带管则位于热循环器中。这可以帮助避免过度干燥珠子或冲,导致不良的重新悬浮或其他次优技术。对于首次用户,不建议一次处理超过 8 个库反应。
当前的免疫分析技术提供了一系列信息 – 从数千个需要重要解释(RNA测序)的数据点到单个离散数据点(单丛IHC)。此处描述的协议表示一种位于中间位置的方法,其集中范围可实现高灵敏度,但仅捕获临床相关转录组数据的子集。由于散装RNA提取的性质,该协议不提供有关免疫细胞和肿瘤微环境之间的空间关系的信息,但是,结果可以补充成像技术来添加这些信息。该协议生成的数据有无数的应用,因为关于癌症作为一种疾病的生物学和正在开发的治疗它的疗法,有许多值得学习的知识。如代表性结果所示,个人免疫报告有助于了解患者的免疫状况如何因疾病进展或治疗等事件而发生变化。虽然这里提供的结果提供了一些示例用例,但其他应用,包括调查治疗的作用机制和识别临床结果的假定生物标志物,如无进展和整体生存也实际。在生物标志物发现应用中使用该协议时,必须实践良好的研究设计,以确保分析同质种群,包括足够的样本,用于统计能力,并考虑偏置源。由于测定的集中性、流线型,因此,一旦发现这些生物标志物,就有可能实现临床验证和下游应用。
The authors have nothing to disclose.
作者希望感谢三星科技集团为具有代表性的结果提供生物标本,以及共同因素基因组学的整个分子、分析、产品和商业团队,以表彰他们的技术专长和支持。
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 |