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.
séquençage de nouvelle génération (NGS) de spécimens cliniques en oncologie est devenu plus largement disponibles au cours des dernières années, de plus en plus de points de la littérature scientifique sur l'importance d'identifier les changements génétiques ciblés et des marqueurs moléculaires prédictifs / pronostiques. Analyse panel multi-génique et des études complètes de séquençage de l' exome dans les deux épithéliales 1,2 et hématologique 3 tumeurs malignes ont solidifié le concept d'hétérogénéité de la tumeur et l' évolution clonale que la maladie progresse et les rechutes. En outre, contrairement aux technologies concurrentes , telles que la réaction en chaîne par polymérase (PCR) ou par séquençage Sanger, NGS peut détecter la plupart des altérations génomiques dans tous les gènes du cancer cliniquement pertinents dans un seul dosage 4.
Le Centre de diagnostic personnalisés initialement lancé avec deux panneaux cliniques de NGS, une mesure Panel hématologique (Heme-NGS Panel) et un hors-the-shelf Cancer Panel pour les échantillons FFPE (Solid-NGS Panel) (voir <strong> La figure 1). Ces panneaux couvrent les régions d'intérêt cliniquement pertinentes ou élevés des gènes sélectionnés; pas tous les gènes ou exons sont entièrement couverts. Amplicons sont générés par hybridation de sonde suivie par l'extension et la ligature. Les régions ciblées sont encore amplifiés par PCR avec des amorces doubles indexées universelles, permettant jusqu'à 96 échantillons à mettre en commun pour le séquençage.
Figure 1:. Liste des gènes couverts dans les panneaux de préparation Library est effectuée en utilisant soit la coutume Panel hématologique (Panel Heme-NGS) de 33 gènes ou off-the-shelf amplicon Cancer Panel (Solid-NGS) de 47 gènes. Pas tous les gènes ou exons sont couverts dans leur intégralité, car certains amplicons ne peuvent couvrir certains points chauds. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure. </ A>
Le contenu du Panel Heme-NGS a été dérivée à partir de plusieurs sources, mais se concentre autour de 16 gènes mutés dans la leucémie myéloïde aiguë (LMA) précédemment décrit comme démontrant un haut niveau d'utilité clinique 5. Le Solid-NGS Panel est produit commercialement avec les régions ciblées basées sur les gènes couramment mutés dans le cancer tel que rapporté dans le catalogue de Somatic mutations dans le cancer base de données (COSMIC) 6.
Plusieurs étapes clés caractérisent le flux de travail global pour NGS cliniques. Après le clinicien ordonne le test, un pathologiste détermine l'adéquation de l'échantillon suivant l'analyse du pourcentage de la tumeur et le volume de l'échantillon. Dans notre institution, nous avons besoin d'au moins 10% la tumeur en raison du taux de séquençage de l'arrière-plan d'erreur ( «bruit») de la technologie et l'efficacité de l'approche ciblée. Si le tissu est suffisant pour les essais, l'ADN génomique est extrait. Cet ADN est ensuite soumis à un contrôle de qualité multiples (QC) étapes. Si l'ADN passe QC, une bibliothèque d'amplicon est généré et séquencé. Les données obtenues sont analysées par un pipeline interne bioinformatique. Suite à l'analyse de la bioinformatique, les variantes sont examinées manuellement et interprétées pour pathogénicité avant l'incorporation dans un rapport clinique. Ci-dessous, nous décrivons deux cas qui sont passés par ce flux de travail rigoureux et ont finalement abouti à des changements dans la gestion clinique.
Cas 1 – leucémie myéloïde aiguë
Une biopsie de la moelle osseuse d'un patient A était de diagnostic pour AML, sans maturation. Les études cytogénétiques ont été envoyés sur l'échantillon de moelle osseuse et ont démontré un caryotype féminin normal. Il y avait 95% de blastes circulants présents, donc un échantillon de sang périphérique a été envoyé pour les tests de diagnostic personnalisé sur le panneau Heme-NGS.
la leucémie myéloïde aiguë (LMA) est une hémopathie maligne de la lignée myéloïde des globules blancs. la détectiondes mutations du gène dans AML est devenu de plus en plus important pour le pronostic et le traitement, avec des mutations génétiques récurrentes reconnues comme important dans la pathogenèse et le pronostic 7. Des mutations dans CEBPA NPM1 et ont été associés à un risque de pronostic favorable, tout en interne duplications en tandem (ITD) dans FLT3 ont été associées à une issue moins favorable 8. Un nombre croissant de preuves soutient un rôle pathogène de ces et d' autres mutations dans AML 9.
Cas 2 – Lung adénocarcinome
Une biopsie d'une masse sus-claviculaire gauche d'un patient B a montré un adénocarcinome pulmonaire. matériel de biopsie de la paraffine (FFPE) masse ganglionnaire fixés au formol a été envoyé pour les tests génomiques (Panel Solid-NGS) en rouleaux / boucles avec plus de 50% la tumeur, afin de déterminer si une mutation était présente pour une intervention thérapeutique ciblée.
Lung cancer est la principale cause de mortalité liée au cancer aux Etats-Unis et est divisé en types principaux, non-petit cancer du poumon à deux cellules (NSCLC) et le cancer du poumon à petites cellules (SCLC). NSCLC peut encore être définie comme étant soit un adénocarcinome ou un carcinome à cellules squameuses, basé sur l'histologie de la lésion. Lung adénocarcinome est le sous – type le plus commun de cancer du poumon, vu chez les fumeurs et les non-fumeurs, et est la forme la plus courante de cancer du poumon chez les non-fumeurs 10. Des études moléculaires de adénocarcinomes pulmonaires ont identifié une mutation dans plusieurs oncogènes 11. Les mutations du pilote les plus communs identifiés chez les fumeurs sont des mutations dans KRAS et BRAF. Les mutations les plus fréquentes chez les non-fumeurs sont des mutations EGFR et réarrangements impliquant les gènes ALK, RET et ROS1. Des tumeurs pulmonaires ont été décrits avec un exon 20 insertion dans le cadre de l'ERBB2 gène (HER2 / neu). L'anomalie la plus fréquente chez les HER2 / neu est une amplification de ce locus dans le cancer du sein pour lesquels une thérapie ciblée est disponible (trastuzumab: un anticorps monoclonal humanisé dirigé contre HER2 / neu). HER2 / neu exon 20 d' insertion qui est observé chez 2 – 4% du poumon adenocarcimomas 12 a montré une réponse partielle à la thérapie de combinaison avec HER2 / neu et des inhibiteurs de mTOR (temsirolimus nératinib et, respectivement) 13.
Comme les deux tests de NGS décrits dans ce manuscrit sont offerts en clinique, l'examen pratique la plus importante est le contrôle de la qualité. Plus précisément, un examen attentif doit être accordée à la qualité et la quantité d'ADN extrait. Ceci est particulièrement important pour les échantillons FFPE qui sont souvent fortement dégradée, avec un rendement d'ADN variable. Une méthode de précipitation d'isopropanol a été développé afin de maximiser le rendement de l'ADN à partir d'échantillons FFPE ont été trouvés comme des méthodes basées sur des colonnes à conduire parfois à l'ADN de cisaillement avec des volumes d'élution limitée. Par conséquent, la plupart du temps quand un échantillon donne une concentration trop basse ou trop dégradées pour l'essai, il est très probablement due à la taille des tissus, le type ou la fixation et non au processus d'extraction. Pour les échantillons de sang / de la moelle osseuse, s'il y a une panne d'extraction, il est généralement due à un échantillon étant hemodilute (ie, ne pas avoir suffisamment de globules blancs ou tumorales dans ce tirage) ou chimio ablation.
. Nt "> Lors de la validation, les seuils d'acceptabilité de la qualité de l'ADN et de la quantité devrait être établie L'entrée recommandée de 100-250 ng est souvent utilisé dans l'essai, mais si la qualité de l'ADN est bon, alors les montants d'entrée inférieurs peuvent réussir. En outre, si la qualité de l' ADN est pauvre (ie, la quantité d'ADN amplifiable est inférieur à 100-250 ng) , puis des montants plus élevés d'entrée peuvent améliorer la qualité des résultats de séquençage (puisque la quantité d'ADN amplifiable atteindra l'entrée recommandée) . Données pour la qualité de l' ADN et la quantité doit être appliqué à chaque échantillon avant d' avancer l'ADN dans la préparation bibliothèque. Ces échantillons dans une «zone grise» (voir la figure 2) doit être exécuté à la discrétion du directeur du laboratoire ou la personne désignée. Actuellement , le meilleur façon de prédire si l'ADN ne fonctionnera pas bien pendant le séquençage consiste à effectuer un test à base de qPCR qui permet la quantification et évaluation de la qualité de l'ADN d'entrée. Cette approche porte sur la bioavailabilité de fragments de tailles différentes dans l'échantillon, grâce à l'amplification de fragments de tailles différentes (par exemple, 100 pb, 150 pb, 200 pb et 300 pb) et la comparaison du rendement.Actuellement, la préparation bibliothèque implique un grand nombre d'étapes manuelles où un faux pas à l'une de plusieurs moments peut causer la bibliothèque soit échouer ou d'être de mauvaise qualité. L'analyse de gel microfluidique est le seul QC étape pour vérifier un problème de bibliothèque de préparation avant le séquençage. Par conséquent, il y a plusieurs étapes critiques où l'attention supplémentaire peut augmenter la probabilité d'une réaction réussie. Il est impératif de garantir l'échantillon correct et la piscine d'oligonucléotides sont utilisés pour chaque échantillon. Assurer et correctement l'enregistrement que chaque échantillon contient une des 96 combinaisons uniques de paires d'amorces à double indexées PCR réduit les risques pour un échantillon mix up. En outre, il est important de veiller à la plaque de filtre (FPU) draine correctement; si elle ne vidange pas correctement, cela peut provoquer l'extel'étape nsion ligature de la préparation de la bibliothèque pour effectuer des sous-optimale et conduisent à des données de mauvaise qualité de séquençage. Après que la bibliothèque cr, il est essentiel de veiller à ce que les perles de LNB1 sont entièrement remis en suspension et que la solution LNB1 / LNA1 est bien mélangé avant de l'ajouter aux échantillons comme étant la concentration de ce mélange permet de déterminer la molarité de la bibliothèque. Enfin, si l'étape consistant à bourrelet d'élution conduit à une quantité sous-optimale de la bibliothèque en éluant au large des billes, il diminue la densité de regroupement et éventuellement provoquer la bibliothèque de ne pas obtenir une couverture moyenne adéquate. A l'inverse, un excès de bibliothèque conduira à moins bonne qualité lit. Par conséquent, il est important d'être cohérent à l'étape de normalisation sur la base de bourrelet pour assurer la mise en commun optimale et le regroupement des bibliothèques du séquenceur.
En plus de la préparation de bibliothèque, il est essentiel de valider un pipeline de bioinformatique qui produira précises appels des, fichiers bruts de multiplexé fastq mutation. Le choix d'unsolution sur mesure peut prendre du temps car il y a beaucoup open source et disponibles dans le commerce, les appelants aligners variantes, et des progiciels NGS que l'on pourrait avoir à passer au crible. algorithmes personnalisés devront être conçus pour extraire les statistiques de performance essentiels, d'identifier des mutations récurrentes uniques qui échappaient des outils sources les plus ouvertes, et déterminer le statut du nombre de copies sur chacun des loci. Pendant le processus de validation d'un pipeline de bio – informatique, il est important de déterminer les seuils à déclaration obligatoire pour les variantes qui répondent ou dépassent à la fois une profondeur minimum de couverture après affinement de la qualité (par exemple, un minimum de 250 lectures) et une fréquence de l' allèle minimum (par exemple, 4 %). Depuis ce un dosage à base de amplicon multiplexé, il est important de déterminer le minimum profondeur moyenne de la couverture (par exemple, 1,000x) que la bibliothèque doit atteindre pour être en mesure d'obtenir l'amplicon moins performant à la profondeur minimum de lectures. En outre, la nature de l'essai multiplexe fait cause hors effets cibles et ces «artefacts» devront être découvert et pleinement Info brute avant le lancement. Une autre limitation importante à l'analyse décrite est nécessaire pour les échantillons contiennent plus de 10% tumeur afin d'obtenir la fréquence allélique minimale validée.
La détection de basse fréquence, 1%, insertions FLT3 est la preuve que l' examen manuel est toujours souhaitable dans ce processus. Même avec une fréquence allélique de coupure de 5%, des mutations importantes peut-être manqué et donc un examen manuel seront essentielles pour déterminer ces variantes. Pour FLT3-ITD, une inspection visuelle de l' exon 14 est réalisée pour tous les patients atteints de LAM à assurer un niveau faible ou grande insertion / duplication ne passe pas inaperçu. En outre, HER2 exon 20 insertions qui sont généralement à côté de la séquence d'amorce, ont besoin d'une intervention manuelle. En dépit d'un pipeline de bioinformatique robuste, certaines variantes pourraient aller négligés qui est juste la nature d'avoir une coupe duroff pour la plupart des statistiques mentionnées ci-dessus. Mieux bioinformatique seraient nécessaires pour aider à atténuer ce problème, de même que la préparation et / ou séquençage des méthodologies mieux bibliothèque, car il est plus avantageux d'avoir des données de bonne qualité à des seuils encore plus bas qui contiennent moins d'artefacts et de faux positifs.
La détection et l'interprétation des fréquences alléliques peuvent être difficiles en raison de la difficulté à déterminer la tumeur en pourcentage et le biais de l'amplification de certaines régions du génome. En outre, la fréquence des allèles plus de 50% peuvent être détectés, comme on l'observe dans le cas 2. Cela est interprété comme une perte d'hétérozygotie (LOH) événement, soit en raison de la perte de l'allèle normal, conduisant à l'augmentation apparente du mutant lit, un le gain de l'allèle mutant (par exemple 2 mutant et une copie normale) ou d' autres mécanismes. Ces mécanismes peuvent être élucidées en utilisant une hybridation génomique comparative matrice (aCGH 19) et / ou un tableau de génotypage de SNP. 20.
Les méthodes d'enrichissement cible actuelles reposent sur les procédures d'une journée complète de capture soit hybride inefficace ou des techniques de PCR multiplex qui se traduisent par la nécessité d'une plus grande couverture de séquençage d'un échantillon unique et plus large séquençage cible lit. Des applications supplémentaires pour l' oncologie moléculaire NGS attendus dans un proche avenir comprendront plus facilement les méthodes de préparation des bibliothèques qui peuvent être entièrement automatisable et être en mesure de traiter des échantillons avec de très faibles quantités d'ADN d'entrée (soit moins de 1 ng) ainsi que des échantillons avec très dégradés ADN. Pour relever ces défis, la plupart des méthodes seront vraisemblablement fondées PCR, soit être une approche PCR plusieurs étapes ou une approche PCR singleplex massivement parallèle. En outre, barcoding moléculaire de amplicons individuels a été montré pour réduire considérablement le bruit de séquençage de fond et permettra de tester des échantillons avec des proportions plus faibles de cellules tumorales pour atteindre la fréquence des allèles inférieurs et se déplacer vers la capture circulattion des cellules tumorales.
La détection de mutations associées à la maladie dans des échantillons de cancer a été la norme de soins pour les décennies. Historiquement, les gènes sont souvent testées de façon séquentielle, d'un gène / exon à la fois, avec l'identification d'une mutation conduisant à la fin de la séquence de test. L'avènement de la centrale nucléaire a permis une approche moins biaisée pour le séquençage de gènes multiples associés à de nombreux cancers en parallèle, conduisant à l'identification de mutations multiples qui sont associés à une néoplasie. L'utilité clinique de la centrale nucléaire pour la détection de mutations somatiques dans le cancer se manifeste de plus. En effet, l'analyse des échantillons de tumeurs à base de NGS représente un nouveau paradigme qui remet en question les tests génétiques traditionnel, unique, mais l'utilité clinique est très claire. Les laboratoires cliniques d'aujourd'hui ont la possibilité excitante de se marier attention validation de la méthode et l'interprétation des tests avec l'application de cette technologie puissante.
The authors have nothing to disclose.
Les auteurs tiennent à souligner l'aide de Daniel Sauvage pour la lecture du manuscrit et de l'aide à la production.
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 |