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.
sequenziamento di prossima generazione (NGS) di campioni oncologia clinica è diventato più ampiamente disponibile nel corso degli ultimi anni, come sempre più punti di letteratura scientifica l'importanza di individuare i cambiamenti genetici per il targeting e marcatori molecolari predittivi / prognostici. Pannello Multi-gene analisi e interi studi sequenziamento in entrambi epiteliali 1,2 e 3 ematologiche maligne hanno solidificato il concetto di eterogeneità del tumore e l'evoluzione clonale come malattia progredisce e ricadute. Inoltre, a differenza delle tecnologie concorrenti come la reazione a catena della polimerasi (PCR) o sequenziamento Sanger, NGS in grado di rilevare la maggior parte delle alterazioni genomiche in tutti i geni del cancro clinicamente rilevanti in un singolo test 4.
Il Centro per la diagnostica personalizzati inizialmente lanciato con due NGS pannelli clinici, una consuetudine pannello ematologica (eme-NGS Panel) e un off-the-shelf Cancer Panel per i campioni FFPE (Solid-NGS Panel) (vedi <strong> Figura 1). Questi pannelli coprono le regioni di interesse clinicamente rilevanti o elevati di geni selezionati; Non tutti i geni o esoni sono completamente coperti. Ampliconi sono generati da ibridazione sonda seguita per estensione e legatura. Le regioni interessate sono ulteriormente amplificati con PCR con primer dual-indicizzato universale, consentendo fino a 96 campioni devono essere aggregate per il sequenziamento.
Figura 1:. Elenco dei geni coperti nei pannelli preparazione Biblioteca viene eseguita utilizzando sia l'usanza ematologiche Panel (Pannello di eme-NGS) di 33 geni o off-the-shelf Amplicon Cancer Panel (Solid-NGS) di 47 geni. Non tutti i geni o esoni sono coperti per intero, come alcuni ampliconi può riguardare soltanto alcune hotspot. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura. </ A>
Il contenuto per il pannello di eme-NGS è stato derivato da più fonti, ma centra circa 16 geni mutati nella leucemia mieloide acuta (AML) precedentemente descritto come dimostrazione di un alto livello di utilità clinica 5. Il-NGS solido pannello è prodotto commercialmente con le regioni mirate basate su geni comunemente mutato nel tumore come riportato nel catalogo di mutazioni somatiche in Cancro (COSMIC) del database 6.
Diversi passaggi chiave che caratterizzano i flussi di lavoro per NGS clinici. Dopo il medico ordina il test, un patologo determina l'adeguatezza del campione seguenti analisi per la percentuale del tumore e volume del campione. Nella nostra istituzione, si richiede almeno il 10% del tumore a causa del tasso sfondo sequenziamento di errore ( "disturbo") della tecnologia e l'efficienza del approccio mirato. Se il tessuto è adeguata per il test, il DNA genomico è estratto. Questo DNA viene poi sottoposto a controllo multiplo qualità (QC) passi. Se il DNA passa QC, una libreria amplicone viene generato e sequenziato. I dati risultanti viene analizzata attraverso un bioinformatica pipeline in-house. A seguito di analisi bioinformatica, le varianti sono rivisti manualmente ed interpretati per la patogenicità prima dell'incorporazione in una relazione clinica. Qui di seguito vengono descritti due casi che ha attraversato questo rigorosa del flusso di lavoro e, infine, ha portato a cambiamenti nella gestione clinica.
Caso 1 – leucemia mieloide acuta
Una biopsia del midollo osseo dal paziente A era diagnostico per AML, senza la maturazione. Studi citogenetici sono stati inviati sul campione di midollo osseo e hanno dimostrato una normale cariotipo femminile. Ci sono stati 95% di blasti circolanti presenti, in modo da una periferica campione di sangue è stato inviato per l'esame diagnostico personalizzato sul pannello eme-NGS.
Leucemia mieloide acuta (LMA) è un tumore maligno ematologica della linea mieloide dei globuli bianchi. La rilevazionedi mutazioni geniche in LMA è diventato sempre più importante per la prognosi e il trattamento, con mutazioni genetiche ricorrenti riconosciuti come importante nella patogenesi e la prognosi 7. Le mutazioni in NPM1 e CEBPA sono stati associati con un rischio prognostico favorevole, mentre duplicazioni tandem interni (DTI) a FLT3 sono stati associati con un esito meno favorevole 8. Un crescente corpo di evidenze supporta un ruolo patogenetico di queste e altre mutazioni in AML 9.
Caso 2 – Polmone Adenocarcinoma
Una biopsia di una massa sopraclaveare sinistro da paziente B ha dimostrato adenocarcinoma polmonare. materiale bioptico dal incluso in paraffina (FFPE) linfonodo fissato in formalina è stato inviato per il test genomico (pannello solido-NGS), come rotoli / riccioli con più del 50% del tumore, per identificare se una mutazione era presente per un intervento terapeutico mirato.
Lung cancER è la principale causa di mortalità per cancro correlati negli Stati Uniti ed è diviso in due tipi principali, non a piccole cellule del polmone (NSCLC) e carcinoma polmonare a piccole cellule (SCLC). NSCLC può essere ulteriormente definita come adenocarcinoma o carcinoma a cellule squamose, sulla base l'istologia della lesione. Polmone adenocarcinoma è il sottotipo più comune di cancro del polmone, visto in fumatori e non fumatori, ed è la forma più comune di cancro al polmone per i non fumatori 10. Studi molecolari degli adenocarcinomi del polmone hanno identificato mutazioni in diversi oncogeni 11. Le mutazioni del driver più comuni individuate nei fumatori sono mutazioni nel gene KRAS e BRAF. Le mutazioni più comuni nei non fumatori sono mutazioni in EGFR, e riarrangiamenti che coinvolgono i geni ALK, RET e ROS1. Tumori del polmone sono stati descritti con un esone 20 inserimento in-frame nel ERBB2 gene (HER2 / neu). L'anomalia più comune in HER2 / neu è un ampliamento di questo locus nel carcinoma mammario per le quali una terapia mirata è disponibile (trastuzumab: un anticorpo monoclonale umanizzato contro HER2 / neu). Il 20 inserimento HER2 / neu esone che si osserva nel 2-4% del polmone adenocarcimomas 12 ha mostrato risposta parziale alla terapia di combinazione con HER2 / neu e inibitori di mTOR (neratinib e temsirolimus, rispettivamente) 13.
Poiché le due prove NGS descritti in questo manoscritto sono offerti clinicamente, la più importante considerazione pratica è il controllo della qualità. In particolare, stretta considerazione deve essere prestata alla qualità e quantità di DNA estratto. Ciò è particolarmente importante per campioni FFPE che sono spesso altamente degradato con resa DNA variabile. Un metodo isopropanolo precipitazione è stata sviluppata al fine di massimizzare il rendimento del DNA da campioni FFPE come metodi basati su colonne sono stati trovati talvolta portare alla tranciatura DNA con volumi di eluizione limitati. Pertanto, la maggior parte del tempo in cui un esemplare produce concentrazione troppo bassa o troppo degradato per il test, è molto probabilmente a causa delle dimensioni del tessuto, tipo o fissaggio, e non il processo di estrazione. Per i campioni di sangue / midollo osseo, se vi è un guasto di estrazione, di solito è dovuto ad un campione di hemodilute essere (cioè, non avendo il numero sufficiente di sangue o di tumore bianchi cellule in quel pareggio) o chemio ablazione.
. Nt "> Durante la convalida, tagli di accettabilità della qualità del DNA e la quantità dovrebbe essere istituito L'ingresso raccomandata di 100-250 ng è spesso usato nel saggio, tuttavia, se la qualità del DNA è buona, allora quantità di input più bassi possono avere successo. Inoltre, se la qualità del DNA è scarsa (cioè, la quantità di DNA amplificabile è inferiore a 100 – 250 ng) allora importi più elevati dei fattori possono migliorare la qualità dei risultati di sequenziamento (poiché la quantità di DNA amplificabile raggiungerà l'ingresso raccomandato) . Metriche per la qualità del DNA e la quantità dovrebbe essere applicato a ogni campione prima di passare il DNA in preparazione biblioteca. I campioni in una "zona grigia" (vedi figura 2) dovrebbe essere eseguito a discrezione del direttore del laboratorio o designato. Attualmente il migliore senso predire se il DNA non eseguirà bene durante sequenziamento è quello di eseguire un saggio qPCR-based che permette di valutare la quantificazione e la qualità del DNA di ingresso. Questo approccio risolve il bioavailabilità di frammenti di dimensioni diverse nel campione, attraverso l'amplificazione di frammenti di dimensioni diverse (ad esempio, 100 bp, 150 bp, 200 bp e 300 bp) e confronto resa.Attualmente, la preparazione biblioteca coinvolge un gran numero di operazioni manuali, dove un passo falso in uno dei numerosi frangenti può causare la libreria sia sicuro o essere di scarsa qualità. L'analisi di gel microfluidica è l'unico passo QC per controllare un problema di biblioteca di preparazione prima di sequenziamento. Di conseguenza, ci sono diversi passaggi critici in cui la consapevolezza extra può aumentare la probabilità di una reazione di successo. È indispensabile garantire il campione corretto e piscina oligonucleotide sono utilizzati per ciascun campione. Garantire e registrare correttamente che ogni campione contiene una delle 96 combinazioni uniche di coppie dual-indicizzato di primer PCR riduce la possibilità per un campione confusione. Inoltre, è importante garantire la piastra filtrante (FPU) drena correttamente; se non scarica adeguatamente questo può causare la extepasso nsion-legatura della preparazione libreria per eseguire subottimale e portare a dati di sequenziamento scarsa qualità. Dopo libreria QC, è fondamentale garantire che le perline LNB1 siano completamente risospese e che la soluzione LNB1 / LNA1 è ben miscelato prima di aggiungere ai campioni come la concentrazione di questa miscela è utilizzato per determinare la molarità della libreria. Infine, se il passo tallone eluizione porta ad una quantità ottimale di biblioteca eluendo fuori le perline diminuirà la densità di clustering e causare la libreria di non ottenere un'adeguata copertura medio. Al contrario, un eccesso di libreria comporterà qualità inferiore legge. Pertanto, è importante essere coerenti nella fase di normalizzazione tallone basata per garantire il pool ottimale e raggruppamento delle librerie del sequencer.
Oltre alla preparazione biblioteca, è fondamentale per convalidare un oleodotto bioinformatica che produrrà le chiamate mutazione accurati dai, i file RAW de-multiplexing FASTQ. la scelta di unsoluzione personalizzata può essere in termini di tempo in quanto vi sono molti allineatori open source e disponibili in commercio, i chiamanti variante, e pacchetti software NGS che uno avrebbe dovuto passare al setaccio. dovranno algoritmi personalizzati per essere progettato per estrarre statistiche essenziali delle prestazioni, identificare le mutazioni ricorrenti uniche che sfuggivano strumenti più open source, e di determinare lo stato del numero di copie su ciascuno dei loci. Durante il processo di convalida di una conduttura bioinformatica, è importante determinare i tagli di informativa per le varianti che soddisfano o superano entrambi una profondità minima di copertura dopo filtrazione qualità (per esempio, un minimo di 250 letture) e una frequenza minima allele (ad esempio, 4 %). Poiché questo un saggio amplicone basato multiplato, è importante determinare la media minima profondità di copertura (ad esempio, 1,000x) che la biblioteca deve raggiungere per poter ottenere l'amplicone eseguendo basso alla profondità minima di letture. Inoltre, la natura multiplato del test fa cause off effetti bersaglio e questi 'artefatti' dovrà essere scoperto e completamente controllati prima del lancio. Un'altra importante limitazione al test descritto è la necessità di campioni di contenere più del 10% del tumore al fine di conseguire l'allele frequenza minima convalidato.
Il rilevamento di bassa frequenza, 1%, inserzioni FLT3 è prova che revisione manuale è ancora desiderabile in questo processo. Anche con una frequenza allele cut-off del 5%, alcune mutazioni importanti forse senza risposta e revisione in tal modo manuale saranno essenziali per accertare queste varianti. Per FLT3-DTI, ispezione visiva dell'esone 14 viene eseguita per tutti i pazienti con LMA per garantire un livello basso o grande inserimento / duplicazione non passare inosservato. Inoltre, HER2 esone 20 inserzioni che sono comunemente accanto alla sequenza primer devono intervento manuale. Pur avendo una robusta pipeline di bioinformatica, alcune varianti potrebbero andare trascurati, che è solo la natura di avere un taglio durooff per la maggior parte le statistiche di cui sopra. bioinformatica Meglio sarebbero necessari per contribuire ad alleviare questo problema, così come una migliore biblioteca preparazione e / o sequenziamento metodologie, perché è più vantaggioso disporre di dati di buona qualità a tagli ancora più bassi che contengono un minor numero di artefatti e falsi positivi.
Il rilevamento e l'interpretazione di frequenze alleliche possono essere difficile a causa della difficoltà di determinazione percentuale tumore e polarizzazione amplificazione alcune regioni del genoma. Inoltre, le frequenze alleliche oltre 50% possono essere rilevate, come osservato nel caso 2. Questo viene interpretato come una perdita di eterozigosi (LOH) evento, sia a causa di perdita dell'allele normale, portando alla apparente aumento del mutante legge, un guadagno del allele mutante (ad esempio, 2 mutante e una copia normale) o altri meccanismi. Questi meccanismi possono essere chiariti utilizzando array di ibridazione genomica comparativa (CGH 19) e / o un array di genotipizzazione SNP. 20.
Le attuali metodologie di arricchimento obiettivo si basano su procedure di un'intera giornata di entrambi cattura ibrido inefficiente o tecniche di PCR multiplex che si traducono nella necessità di una maggiore copertura sequenziamento di un singolo campione e più fuori sequenza bersaglio legge. Ulteriori applicazioni per NGS oncologia molecolare ci si attende in un prossimo futuro includeranno più semplici metodi di preparazione libreria che può essere completamente automatizzabili e in grado di elaborare i campioni con quantità molto basse di DNA di ingresso (ad esempio, meno di 1 ng), così come i campioni con altamente degradati DNA. Per affrontare queste sfide, la maggior parte dei metodi saranno presumibilmente basati sulla PCR, sia essere un approccio a più fasi PCR o un approccio massicciamente parallelo singleplex PCR. Inoltre, codici a barre molecolare dei singoli ampliconi ha dimostrato di ridurre drasticamente il rumore di fondo di sequenziamento e consentirà analisi di campioni con proporzioni minori di cellule tumorali per ottenere basse frequenze alleliche e muoversi verso l'acquisizione circulating cellule tumorali.
Rilevazione delle mutazioni associate alla malattia nei campioni tumorali è stata standard di cura per decenni. Storicamente, i geni sono stati spesso testati in sequenza, un gene / esone alla volta, con l'identificazione di una mutazione che porta alla fine della sequenza di test. L'avvento di NGS ha consentito un approccio meno polarizzate ad sequenziare più geni associati con molti tumori in parallelo conducono alla identificazione di mutazioni multiple che sono associati con neoplasia. L'utilità clinica della NGS per la rivelazione di mutazioni somatiche nel cancro è sempre più evidente. Infatti, l'analisi NGS basata su campioni di tumore rappresenta un nuovo paradigma che sfida tradizionale, singolo test genetici, ma l'utilità clinica è molto chiaro. laboratori clinici di oggi hanno l'eccitante opportunità di coniugare un'attenta validazione del metodo e interpretazione del test con l'applicazione di questa potente tecnologia.
The authors have nothing to disclose.
Gli autori vorrebbero riconoscere l'assistenza di Daniel Wild per la lettura del manoscritto e l'assistenza nella produzione.
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 |