This manuscript describes clinical protocols for two next-generation sequencing panels. One panel interrogates hematologic malignancies while the other panel targets genes commonly mutated in solid tumors. Molecular classification of driver mutations in human malignancies offers valuable prognostic and predictive information.
As our understanding of the driver mutations necessary for initiation and progression of cancers improves, we gain critical information on how specific molecular profiles of a tumor may predict responsiveness to therapeutic agents or provide knowledge about prognosis. At our institution a tumor genotyping program was established as part of routine clinical care, screening both hematologic and solid tumors for a wide spectrum of mutations using two next-generation sequencing (NGS) panels: a custom, 33 gene hematological malignancies panel for use with peripheral blood and bone marrow, and a commercially produced solid tumor panel for use with formalin-fixed paraffin-embedded tissue that targets 47 genes commonly mutated in cancer. Our workflow includes a pathologist review of the biopsy to ensure there is adequate amount of tumor for the assay followed by customized DNA extraction is performed on the specimen. Quality control of the specimen includes steps for quantity, quality and integrity and only after the extracted DNA passes these metrics an amplicon library is generated and sequenced. The resulting data is analyzed through an in-house bioinformatics pipeline and the variants are reviewed and interpreted for pathogenicity. Here we provide a snapshot of the utility of each panel using two clinical cases to provide insight into how a well-designed NGS workflow can contribute to optimizing clinical outcomes.
Next-generation sequencing (NGS) van de klinische oncologie specimens heeft op grotere schaal beschikbaar in de afgelopen jaren uitgegroeid tot de toenemende wetenschappelijke literatuur wijst op het belang van het identificeren van richtbare genetische veranderingen en predictieve / prognostische moleculaire merkers. Multi-gen panel analyses en exoom sequencing studies in zowel epitheliale 1,2 en 3 hematologische maligniteiten hebben het concept van de tumor heterogeniteit en klonale evolutie gestold als de ziekte vordert en recidieven. Bovendien, anders dan concurrerende technologieën, zoals polymerasekettingreactie (PCR) of Sanger sequentiebepaling, kan NGS detecteren meest genomische veranderingen in alle klinisch relevante kankergenen in een enkele test 4.
Het Center for Personalized Diagnostics in eerste instantie gelanceerd met twee klinische NGS panelen, een aangepaste Hematologisch Panel (Heem-NGS Panel) en een off-the-shelf Cancer Panel voor FFPE specimens (Solid-NGS Panel) (zie <strong> Figuur 1). Deze panelen dekken klinisch relevant of hoge rente regio's van de geselecteerde genen; niet alle genen of exons zijn volledig gedekt. Amplicons gegenereerd door probe hybridisatie gevolgd door verlenging en ligatie. De beoogde gebieden worden verder geamplificeerd met behulp van PCR met een universele dual-geïndexeerde primers, waardoor tot 96 monsters worden samengevoegd voor sequentiebepaling.
Figuur 1:. Lijst van genen Gehuld in de Panels voorbereiding Library wordt uitgevoerd met behulp van de aangepaste Hematological Panel (Heem-NGS panel) van 33 genen of de off-the-shelf Amplicon Cancer Panel (Solid-NGS) van 47 genen. Niet alle van de genen of exons zijn bedekt met volle, zoals sommige amplicons kunnen alleen betrekking hebben op bepaalde hotspots. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te zien. </ A>
De inhoud van het heem-NGS panel is afkomstig uit verschillende bronnen, maar draait om 16 genen gemuteerd in acute myeloïde leukemie (AML) die eerder beschreven als blijk van een hoge mate van klinische bruikbaarheid 5. De Solid-NGS paneel wordt commercieel geproduceerd met de beoogde regio gebaseerd op gezamenlijk gemuteerde genen bij kanker zoals vermeld in de catalogus van somatische mutaties in Cancer (COSMIC) gegevensbank 6.
Een aantal belangrijke stappen te karakteriseren de algehele workflow voor klinische NGS. Nadat de arts bestelt de test, een patholoog bepaalt de toereikendheid van het specimen volgende analyse voor tumor percentage en sample volume. In onze instelling, hebben wij ten minste 10% tumor danken aan de sequencing foutenpercentage ( "ruis") van de techniek en de doelmatigheid van de gerichte benadering. Als het weefsel voldoende te testen, wordt genomisch DNA geëxtraheerd. Dit DNA wordt vervolgens onderworpen aan een combinatie kwaliteitscontrole (QC) stappen. Als het DNA geeft QC wordt een amplicon bibliotheek gegenereerd en gesequentieerd. De resulterende gegevens worden geanalyseerd door een in-house bioinformatica pijpleiding. Naar aanleiding van bioinformatica analyse worden varianten handmatig beoordeeld en geïnterpreteerd voor pathogeniciteit vóór opname in een klinisch rapport. Hieronder beschrijven we twee zaken die ging door dit strenge workflow en uiteindelijk geleid tot veranderingen in klinische behandeling.
Case 1 – Acute myeloïde leukemie
Een beenmergpunctie van patiënt A was diagnostisch voor AML, zonder rijping. Cytogenetische studies werden op het beenmerg monster en toonde een normale vrouwelijke karyotype. Er waren 95% circulerende ontploffing aanwezig, dus een perifeer bloedmonster werd gestuurd voor gepersonaliseerde diagnostische tests op het heem-NGS Panel.
Acute myeloïde leukemie (AML) is een hematologische maligniteit van de myeloïde witte bloedcellen. de detectievan genmutaties bij AML steeds belangrijk voor prognose en behandeling geworden met recidiverende genmutaties die belangrijk blijken de pathogenese en prognose 7. Mutaties in NPM1 en CEBPA zijn geassocieerd met een gunstig prognostisch risico, terwijl interne tandem duplicatie (ITD) in FLT3 zijn geassocieerd met een minder gunstig verloop 8. Een groeiende hoeveelheid bewijs ondersteunt een pathogene rol van deze en andere mutaties in AML 9.
Case 2 – Lung Darmkanker
Een biopsie van een linker supraclaviculaire massa van patiënt B toonde pulmonale adenocarcinoom. Biopsiemateriaal van het formaline gefixeerde in paraffine ingebedde (FFPE) lymfklier massa liet genomische testen (Solid-NGS Panel) als rollen / krullen met meer dan 50% tumor te bepalen of een mutatie aanwezig voor gerichte therapeutische interventie.
Lung Cancer is de belangrijkste oorzaak van kanker-gerelateerde sterfte in de Verenigde Staten en is verdeeld in twee hoofdtypen, niet-kleincellig longcarcinoom (NSCLC) en kleincellige longkanker (SCLC). NSCLC kan verder worden gedefinieerd als adenocarcinoom of plaveiselcelcarcinoom, gebaseerd op de histologie van de laesie. Longadenocarcinoom is het meest voorkomende subtype van longkanker, gezien in zowel rokers en niet-rokers, en is de meest voorkomende vorm van longkanker voor niet-rokers 10. Moleculaire studies van longadenocarcinomen geïdentificeerde mutatie in meerdere oncogenen 11. De meest voorkomende bestuurder mutaties geïdentificeerd in rokers zijn mutaties in KRAS en BRAF. De meest voorkomende mutaties in niet-rokers zijn mutaties in EGFR en herschikkingen waarbij de genen ALK, RET en ROS1. Longtumoren zijn beschreven met een in-raam insertie in exon 20 van het gen ERBB2 (HER2 / neu). De meest voorkomende abnormaliteit in HER2 / neu is een amplificatie van deze locus in borstkanker waarvoor gerichte therapie beschikbaar (trastuzumab: een gehumaniseerd monoklonaal antilichaam tegen HER2 / neu). Het HER2 / neu exon 20 insertie die wordt waargenomen bij 2-4% van long adenocarcimomas 12 is gedeeltelijk antwoord op combinatietherapie met HER2 / neu en mTOR remmers getoond (neratinib en temsirolimus respectievelijk) 13.
Aangezien de twee NGS proeven in dit manuscript beschreven klinisch worden aangeboden, de meest belangrijke praktische overweging is kwaliteitscontrole. In het bijzonder moet in de buurt aandacht worden besteed aan de kwaliteit en kwantiteit van geëxtraheerd DNA. Dit is vooral belangrijk voor FFPE monsters vaak zeer afgebroken met variabele DNA opbrengst. Isopropanol precipitatie methode werd ontwikkeld om DNA opbrengst uit FFPE monsters maximaliseren kolommen gebaseerde methoden bleken soms tot DNA afschuiving met beperkte elutievolumes. Daarom meestal wanneer een monster oplevert te lage concentratie of te afgebroken voor de test is waarschijnlijk veroorzaakt door het weefsel grootte, type of fixatie en niet het extractieproces. Voor bloed / beenmerg monsters, als er een extractie mislukking, is het meestal te wijten aan een monster dat hemodilute (dat wil zeggen, niet met voldoende aantal witte bloedcellen of tumorcellen in die draw) of chemo weggenomen.
. Nt '> Tijdens de validatie dient cutoffs voor aanvaardbaarheid van DNA kwaliteit en kwantiteit worden vastgesteld De aanbevolen ingang van 100-250 ng wordt vaak gebruikt in de test, maar als de DNA kwaliteit goed is, dan lagere input bedragen kunnen slagen. Bovendien, indien de DNA kwaliteit slecht (dat wil zeggen, de hoeveelheid amplificeerbaar DNA is dan 100-250 ng) dan hogere ingang hoeveelheden kan de kwaliteit van de sequencing resultaten te verbeteren (aangezien de hoeveelheid amplificeerbaar DNA aanbevolen ingang bereikt) . Metrics voor DNA-kwaliteit en kwantiteit in een "grijze zone" (zie figuur 2) moet worden toegepast op elk monster voor het bevorderen van het DNA in de bibliotheek voorbereiding. die monsters moet worden uitgevoerd naar het oordeel van het laboratorium directeur of. Momenteel is de beste manier om te voorspellen of het DNA zal niet goed presteren tijdens sequencing is een qPCR-gebaseerde test die het mogelijk maakt voor de kwantificering en de kwaliteitsbeoordeling van de input DNA voeren. Deze benadering richt de bioavailabiliteit van verschillende grootte fragmenten in het monster door de amplificatie van verschillende grootte fragmenten (bijvoorbeeld, 100 bp, 150 bp, 200 bp en 300 bp) en vergelijking opbrengst.Momenteel bibliotheek bereiding omvat een groot aantal handmatige stappen waarbij een misstep op een van meerdere momenten kan de bibliotheek hetzij beginnen of van slechte kwaliteit zijn. De microfluïdische gel analyse is de enige QC stap naar een bibliotheek prep kwestie te controleren voordat sequencing. Dienovereenkomstig zijn verschillende kritische stappen waarbij extra aandacht de kans op een succesvolle reactie kan verhogen. Het is noodzakelijk om voor de juiste monster en oligonucleotide zwembad worden gebruikt voor elk monster. Zorgen en correct opnemen dat elk monster bevat één van de 96 unieke combinaties van dual-geïndexeerde PCR primerparen verkleint kans op een monster mix. Ook is het belangrijk ervoor te zorgen de filterplaat (FPU) correct afvoert; als het niet op de juiste wijze af te voeren dit de exte kan veroorzakennsion-ligatie stap van de bibliotheek voorbereiding op suboptimaal voeren en leiden tot slechte kwaliteit sequencing data. Na bibliotheek QC, is het essentieel dat de LNB1 korrels volledig geresuspendeerd en de LNB1 / LNA1 oplossing goed gemengd alvorens het aan de monsters de concentratie van dit mengsel wordt gebruikt om de molariteit van de bibliotheek te bepalen. Ten slotte, als de hiel elutiestap leidt tot een suboptimale hoeveelheid bibliotheek geëlueerd uit de korrels zal clustering dichtheid afnemen en hierdoor kan de bibliotheek adequate gemiddelde dekking verkrijgen. Omgekeerd zal een overmaat aan bibliotheek leiden tot slechtere kwaliteit leest. Daarom is het belangrijk dat ten de kraal gebaseerde normalisatiestap optimale bundeling en clustering van de bibliotheken op de sequencer verzekeren.
Naast bibliotheek preparaat, is het essentieel om een bioinformatica pijpleiding die nauwkeurige mutatie oproepen van het ruwe, gedemultiplexte fastq bestanden produceren valideren. Het kiezen van eenaangepaste oplossing kan tijdrovend zijn, omdat er veel open source en in de handel verkrijgbare aligners, variant bellers en NGS software pakketten die men zou moeten ziften door. Aangepaste algoritmes zullen moeten worden ontworpen om essentiële prestaties statistieken te halen, te identificeren unieke terugkerende mutaties die meest open source tools ontging, en bepaal aantal kopieën de status van elk der loci. Tijdens de validatie van een bio pijpleiding, is het belangrijk om de rapporteerbare cutoffs voor varianten die goede prestaties zowel een minimale diepte van de dekking na kwaliteit filtering (bijvoorbeeld ten minste 250 gelezen) en een minimale allelfrequentie bepalen (bijvoorbeeld 4 %). Aangezien dit een gemultiplexte-amplicon gebaseerde test, is het belangrijk te bepalen minimale gemiddelde diepte van dekking (bijvoorbeeld 1000x) dat de bibliotheek moet bereiken kunnen de laagst presterende amplicon naar de minimale diepte van de leest. Bovendien, de gemultiplexte aard van de test wel cAGebruik off doel effecten en deze 'artifacts' zal moeten worden ontdekt en volledig doorgelicht voor de lancering. Een andere belangrijke beperking van de beschreven test is behoefte aan monsters meer dan 10% tumorcellen bevatten om de gevalideerde minimum allelfrequentie bereiken.
De detectie van lage frequentie, 1%, FLT3 inserties aanwijzingen dat handmatige nog wenselijk deze werkwijze. Zelfs met een allel frequentie cut-off 'van 5%, een aantal belangrijke mutaties misschien gemist en dus handmatige controle zal van essentieel belang om deze varianten vast te stellen zijn. Voor FLT3-ITD, is visuele inspectie van exon 14 uitgevoerd voor alle AML-patiënten op een laag niveau of een grote inbrengen / doublures te garanderen blijft niet onopgemerkt. Bovendien HER2 exon 20 inserties die doorgaans naast de primersequentie moet handmatig ingrijpen. Ondanks het feit dat een robuuste pijplijn bioinformatica, kon wel wat varianten gaan over het hoofd gezien dat is gewoon de aard van het hebben van een harde cutoff voor de meeste van de statistieken hierboven vermeld. Beter bioinformatica nodig zou zijn om te helpen verlichten dit probleem, net als een betere bibliotheek voorbereiding en / of sequencing methodologieën, want het is het voordeliger om een goede kwaliteit van de gegevens hebben op nog lagere cutoffs dat minder artefacten en valse positieven bevatten.
De detectie en interpretatie van allel frequenties problemen wegens de moeilijkheid tumor percentagewegen en amplificatie voorspanning van sommige gebieden van het genoom. Bovendien kunnen allel frequenties boven 50% worden gedetecteerd, zoals waargenomen in case 2. Dit wordt geïnterpreteerd als een verlies van heterozygositeit (LOH) gebeurtenis, hetzij als gevolg van verlies van de normale allel, waardoor de schijnbare toename van mutant leest, een versterking van het mutante allel (bijvoorbeeld 2 mutant en één normale kopie) of andere mechanismen. Deze mechanismen kunnen worden toegelicht door gebruik reeks vergelijkende genomische hybridisatie (aCGH 19) en / of een SNP genotypering array. 20.
De huidige doelstelling verrijking methodieken rekenen op full-dag procedures van een inefficiënte hybride vangen of multiplex-PCR-technieken die leiden tot de behoefte aan meer sequencing dekking van een enkel monster en meer af doelwit sequencing leest. Extra aanvragen voor NGS moleculaire oncologie naar verwachting in de nabije toekomst zal het makkelijker bibliotheek bereidingswijzen die volledig automatiseerbare kan zijn en in staat zijn om monsters te verwerken met een zeer lage hoeveelheden van de input DNA bevatten (dat wil zeggen, minder dan 1 ng) als monsters met zeer afgebroken DNA. Om deze uitdagingen aan te pakken, zullen de meeste methoden vermoedelijk PCR-gebaseerde, ofwel dat een meerdere stappen PCR aanpak of een massively-parallel singleplex PCR aanpak. Bovendien heeft moleculaire barcodes individuele amplicons aangetoond dat drastisch verminderen sequencing achtergrond ruis en controle van monsters mogelijk met lagere verhoudingen van tumorcellen lagere allel frequenties te bereiken en de richting vastleggen circulatieing tumorcellen.
Detectie van ziekte-geassocieerde mutaties in kanker specimens heeft kwaliteit van de zorg voor decennia. Historisch gezien genen werden vaak getest achtereenvolgens, één gen / exon tegelijk met de identificatie van een mutatie die leidt tot het einde van de testvolgorde. De komst van NGS is toegestaan voor een neutraler benadering sequencing meerdere genen geassocieerd met vele kankers tegelijkertijd leiden tot de identificatie van verschillende mutaties die zijn geassocieerd met neoplasie. De klinische bruikbaarheid van NGS voor de detectie van somatische mutaties in kanker is steeds duidelijker. Inderdaad, NGS-gebaseerde analyse van de tumor monsters vertegenwoordigt een nieuw paradigma dat de traditionele, enkel gen testen uitdaagt, maar de klinische bruikbaarheid is heel duidelijk. Klinische laboratoria vandaag de dag hebben de opwindende kans om een zorgvuldige methode validatie en test interpretatie trouwen met de toepassing van deze krachtige technologie.
The authors have nothing to disclose.
De auteurs willen graag de hulp van Daniel Wild erkennen voor het lezen van het manuscript en bijstand in de productie.
Genomic DNA ScreenTape | Agilent Technology | 5067-5365 | |
Genomic DNA Reagents | Agilent Technology | 5067-5366 | |
High Sensitivity D1000 ScreenTape | Agilent Technology | 5067-5584 | |
High Sensitivity D1000 Reagents | Agilent Technology | 5067-5585 | |
TapeStation 2200 | Agilent Technology | G2965A | |
TapeStation Analysis Software | Agilent Technology | A.01.04 or higher | |
96-well Tube Storage Racks | Any Vendor | ||
15/50 ml Tube Rack | Any Vendor | ||
96-well Plate Rack | Any Vendor | ||
Pipette, single-channel, 0.5–2.5 μL | Any Vendor | ||
Pipette, single-channel, 1–10 μL | Any Vendor | ||
Pipette, single-channel, 2–20 μL | Any Vendor | ||
Pipette, single-channel, 10–100 μL | Any Vendor | ||
Pipette, single-channel, 20–200 μL | Any Vendor | ||
Pipette, single-channel, 100–1000 μL | Any Vendor | ||
Serological Pipettor | Any Vendor | ||
Vortexer | Any Vendor | ||
Ice bucket | Any Vendor | ||
Microcentrifuge (for tubes and strip tubes) | Any Vendor | ||
Freezer, -20 °C | Any Vendor | ||
4 °C Refrigerator | Any Vendor | ||
Water or Bead Bath | Any Vendor | ||
Incubator (37 oC) | Any Vendor | ||
Serological Pipettes, 1 mL | Any Vendor | ||
Serological Pipettes, 5 mL | Any Vendor | ||
Serological Pipettes, 10 mL | Any Vendor | ||
Serological Pipettes, 25 mL | Any Vendor | ||
Gloves | Any Vendor | ||
Razor Blades/Scaples | Any Vendor | ||
KimWipes | Any Vendor | ||
15 mL Conical Tube | Any Vendor | ||
50 mL Conical Tube | Any Vendor | ||
Paper Towels | Any Vendor | ||
200 proof Ethanol | Any Vendor | Store in Flammable Cabinet | |
2-Propanol (Isopropanol) | Any Vendor | Store in Flammable Cabinet | |
25ml Reservoirs | Any Vendor | ||
10N NaOH | Any Vendor | ||
Pipette, 8-channel, 1–10 μL | Any Vendor | ||
Pipette, 8-channel, 10–100 μL | Any Vendor | ||
Pipette, 8-channel, 20–300 μL | Any Vendor | ||
Ice Bucket | Any Vendor | ||
Water Squirt Bottle | Any Vendor | ||
Alcohol Squirt Bottle | Any Vendor | ||
Lens Cleaning Paper | Any Vendor | ||
Plates, 96-well PCR, Semi-Skirted | Any Vendor | ||
Tube strips, 8-well, 0.2 mL | Any Vendor | ||
Agencourt AMPure XP Beads | Beckman Coulter | A63881 | |
BioShake IQ or 3000-T elm | Bulldog Bio/Q.Instruments | 1808-0506/ 1808-0517 | |
DropPlate96 S – LabChipDS | Caliper | 128876 | |
DropPlate96 D – LabChipDS | Caliper | 132848 | |
DropSense96 | Caliper (Trinean) | ||
DropQuant Software | Caliper (Trinean) | ||
Plate Sealing Film | Denville | B1212-5S | |
Aluminum Seal Foil | Denville | B1212-6S | |
Nuclease-Free, Pure Water System | EMD Millipore | ||
5424 centrifuge | Eppendorf | 22621408 | |
5804R centrifuge | Eppendorf | 22623508 | Both 15 ml tube and plate rotators, preferably a centrifuge that can go up to 2,500 x g. |
Safe-Lock Tube 1.5 mL, Natural | Eppendorf | 22431021 | |
5 mL Tube, DNA LoBind Tube | Eppendorf | 30108310 | |
5430R Centrifuge | Eppendorf | 022620645 | Any plate rotator centrifuge will work |
Hybex Microsample Incubator | Fisher Scientific | 1057-30-0 | |
Hybex 0.2 mL Tube Block | Fisher Scientific | 1057-31-0 | |
TruSeq Amplicon – Cancer Panel | Illumina | FC-130-1008 | 96 reactions |
TruSeq Custom Amplicon | Illumina | PE-940-1011 | 96 reactions |
TruSeq Custom Amplicon Index Kit | Illumina | FC-130-1003 | 96 Indices, 384 Samples |
MiSeq Reagent Kit v3, 500 Cycles | Illumina | MS-102-3003 | |
MiSeq Reagent Kit v2, 300 Cycles | Illumina | MS-102-2002 | |
MiSeq Reagent Kit v2, 500 Cycles | Illumina | MS-102-2003 | |
Experiment Manager | Illumina | 1.3 or higher | |
MiSeq Reporter | Illumina | 2.0 or higher | |
Sequencing Analysis Viewer | Illumina | 1.8 or higher | |
TruSeq Index Plate Fixture and Collar Kit | Illumina | FC-130-1007 | |
MiSeq v2 | Illumina | SY-410-1003 | |
TruSeq Custom Amplicon Filter Plate | Illumina | FC-130-1006 | |
Index Adapter Replacement Caps | Illumina | 11294657 | |
Qubit 2.0 | Invitrogen | Q32866 | |
Qubit 0.5 ml Tubes | Invitrogen | Q32856 | |
Qubit dsDNA Broad Range Assay Kit | Invitrogen | Q32853 | |
DynaMa6-96 Magnetic Stand, Side Skirted | Invitrogen | 120.27 | |
GeneAmp PCR System 9700 (gold/silver block) | Life Technologies | N8050200 | |
Gentra Puregene Blood Kit | Qiagen | 158489 | |
Deparaffinization Solution (16ml) | Qiagen | 19093 | |
Buffer ATL (4x50ml) | Qiagen | 939011 | |
Protein Precipitation Solution (50 ml) | Qiagen | 158910 | |
DNA Hydration Solution (100ml) | Qiagen | 158914 | |
Glycogen Solution (500 μl) | Qiagen | 158930 | |
Qiagen Proteinase K | Qiagen | 19133 | |
Rnase (5ml) | Qiagen | 158924 | |
Nuclease-Free Water (10 x 50 ml) | Qiagen | 129114 | |
Pestles | USA Scientific | 1415-5390 | |
TipOne RPT 10 ul elongated filter pipet tips in sterilized racks, 10 racks of 96 tips (960 tips). | USA Scientific | 1180-3810 | |
TipOne RPT 100 ul natural, beveled filter pipet tips in sterilized racks, 10 racks of 96 tips (960 tips) | USA Scientific | 1180-1840 | |
TipOne RPT 200 μl natural, beveled filter pipet tips in racks, sterilized racks, 10 racks of 96 tips (960 tips) | USA Scientific | 1180-8810 | |
TipOne RPT 20 μl natural, beveled filter pipet tips in racks, sterilized racks, 10 racks of 96 tips (960 tips) | USA Scientific | 1180-1810 | |
TipOne RPT 1000 μl natural, graduated XL filter pipet tips in | USA Scientific | 1182-1830 |