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.
secuenciación de próxima generación (NGS) de las muestras de oncología clínica se ha vuelto más ampliamente disponibles en los últimos años como el crecimiento puntos literatura científica para la importancia de identificar los cambios genéticos dirigibles y los marcadores moleculares predictivos / pronósticos. Panel de genes múltiples análisis y estudios de secuenciación del exoma enteros en ambos epiteliales 1,2 y 3 tumores malignos hematológicos han solidificado el concepto de heterogeneidad tumoral y la evolución clonal como la enfermedad progresa y recaídas. Además, a diferencia de las tecnologías competidoras como la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) o la secuenciación de Sanger, NGS puede detectar la mayoría de las alteraciones genómicas en todos los genes del cáncer clínicamente relevantes en un único ensayo 4.
El Centro de Diagnóstico personalizado lanzó inicialmente con dos paneles clínicos NGS, costumbre panel hematológico (Hemo-NGS Panel) y un off-the-shelf Cancer Panel de muestras FFPE (Solid-NGS panel) (véase <strong> Figura 1). Estos paneles cubren las regiones de interés clínicamente relevantes o altos de los genes seleccionados; no todos los genes o exones están totalmente cubiertos. Los amplicones son generadas por hibridación de la sonda, seguido por extensión y ligación. Las regiones seleccionadas se amplifican aún más el uso de PCR con cebadores universales de doble indexados, lo que permite un máximo de 96 muestras que deben mezclarse para la secuenciación.
Figura 1:. Lista de genes cubiertos en los paneles Biblioteca preparación se lleva a cabo utilizando ya sea la costumbre panel hematológico (Grupo Hemo-NGS) de 33 genes o el off-the-shelf Cancer Panel de amplicón (Solid-NGS) de 47 genes. No todos los genes o exones están cubiertos en su totalidad, ya que algunos amplicones sólo podrán cubrir ciertos puntos de acceso. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. </ A>
El contenido del Panel de hemo-NGS se deriva de múltiples fuentes, pero se centra alrededor de 16 genes mutados en la leucemia mieloide aguda (LMA) descrito anteriormente como demuestra un alto nivel de utilidad clínica 5. El Grupo Solid-NGS se produce comercialmente con las regiones seleccionadas sobre la base de los genes mutados en el cáncer comúnmente como se informa en el Catálogo de mutaciones somáticas en el Cáncer (cósmica) de base de datos 6.
Varios pasos clave caracterizan el flujo de trabajo general para NGS clínicos. Después de que el médico ordena la prueba, un patólogo determina la adecuación de la muestra de análisis para el porcentaje de tumor y el volumen de muestra siguientes. En nuestra institución, requerimos% del tumor, al menos, 10 debido a la tasa de error de secuenciación de fondo ( "ruido") de la tecnología y la eficiencia del enfoque específico. Si el tejido es adecuado para las pruebas, se extrae ADN genómico. Este ADN se somete a control múltiple de la calidad (QC) pasos. Si el ADN pasa QC, se genera y se secuenció una biblioteca de amplicón. Los datos resultantes se analizaron a través de una tubería de la bioinformática en el local. Tras el análisis de la bioinformática, las variantes son revisados manualmente y se interpretan para la patogenicidad antes de su incorporación en un informe clínico. A continuación se describen dos casos que pasaron por este flujo de trabajo riguroso y en última instancia condujo a cambios en la gestión clínica.
Caso 1 – Leucemia mieloide aguda
Una biopsia de la médula ósea de los pacientes fue un diagnóstico de la LMA, sin maduración. Los estudios citogenéticos fueron enviados en la muestra de médula ósea y demostraron un cariotipo femenino normal. Hubo 95% de blastos circulantes presentes, por lo que una muestra de sangre periférica se envían para las pruebas de diagnóstico personalizado en el panel de hemo-NGS.
leucemia mieloide aguda (LMA) es un tumor maligno hematológico del linaje mieloide de las células blancas de la sangre. La detecciónde las mutaciones genéticas en la LMA se ha convertido cada vez más importante para el pronóstico y tratamiento, con mutaciones genéticas recurrentes reconocen como importante en la patogénesis y el pronóstico 7. Las mutaciones en NPM1 y CEBPA se han asociado con un riesgo de pronóstico favorable, mientras que las duplicaciones en tándem internas (DTI) en FLT3 se han asociado con un resultado menos favorable 8. Un creciente cuerpo de evidencia apoya un papel patogénico de estas y otras mutaciones en la LMA 9.
Caso 2 – Pulmón Adenocarcinoma
Una biopsia de una masa supraclavicular izquierdo de paciente B demostró adenocarcinoma pulmonar. El material de biopsia de la (FFPE) de masa de los ganglios linfáticos fijado en formalina incluido en parafina fue enviado para la prueba genómico (Panel Solid-NGS) como rollos / rizos con% tumor mayor que 50, para identificar si una mutación estaba presente para la intervención terapéutica dirigida.
Canc de pulmóner es la principal causa de mortalidad relacionada con el cáncer en los Estados Unidos y se divide en dos tipos principales, cáncer de pulmón no microcítico (CPNM) y cáncer de pulmón de células pequeñas (SCLC). NSCLC puede definirse adicionalmente como sea adenocarcinoma o carcinoma de células escamosas, basado en la histología de la lesión. Adenocarcinoma de pulmón es el subtipo más común de cáncer de pulmón, visto tanto en fumadores y no fumadores, y es la forma más común de cáncer de pulmón en los no fumadores 10. Los estudios moleculares de los adenocarcinomas de pulmón han identificado mutaciones en múltiples oncogenes 11. Las mutaciones del conductor más comunes identificadas en los fumadores tienen mutaciones en KRAS y BRAF. Las mutaciones más comunes en los no fumadores son mutaciones en EGFR, y reordenamientos de los genes ALK, RET y ROS1. Los tumores de pulmón se han descrito con un exón 20 de inserción en marco en el gen ErbB2 (HER2 / neu). La anomalía más frecuente en la ESR2 / neu es una amplificación de este locus en el cáncer de mama para que una terapia dirigida está disponible (trastuzumab: un anticuerpo monoclonal humanizado contra HER2 / neu). El HER2 / neu exón 20 de inserción que se observa en 2-4% de pulmón adenocarcimomas 12 ha mostrado una respuesta parcial a la terapia de combinación con HER2 / neu y los inhibidores de mTOR (neratinib y temsirolimus, respectivamente) 13.
Como las dos pruebas NGS descritos en este manuscrito se ofrecen clínicamente, la consideración práctica más importante es el control de calidad. En concreto, cerca de la consideración se debe pagar a la calidad y cantidad de ADN extraído. Esto es especialmente importante para las muestras FFPE que a menudo son muy degradada con rendimiento de ADN variable. Un método de precipitación con isopropanol se desarrolló con el fin de maximizar el rendimiento de ADN a partir de muestras FFPE como se encontraron los métodos basados en las columnas para dar lugar a veces a cizallamiento DNA con volúmenes de elución limitados. Por lo tanto, la mayoría de las veces cuando un espécimen produce demasiado baja concentración o es demasiado degradada para el ensayo, lo más probable debido al tamaño del tejido, el tipo o la fijación y no el proceso de extracción. Para las muestras de sangre / médula ósea, si hay un error de extracción, por lo general es debido a un ser hemodilute muestra (es decir, no tener suficiente número de glóbulos blancos o tumorales en ese sorteo) o quimioterapia ablación.
. Nt "> Durante la validación, se debería establecer puntos de corte para la aceptabilidad de la calidad y cantidad de ADN La entrada recomendada de los 100 – 250 ng se utiliza a menudo en el ensayo, sin embargo, si la calidad del ADN es buena, a continuación, cantidades inferiores de los insumos pueden tener éxito. Además, si la calidad del ADN es pobre (es decir, la cantidad de ADN amplificable es de menos de 100 a 250 ng) a continuación, las cantidades de entrada más altas pueden mejorar la calidad de los resultados de secuenciación (ya que la cantidad de ADN amplificable se llega a la entrada recomendado) . las métricas de calidad y cantidad del ADN se debe aplicar a cada muestra antes de avanzar el ADN en la preparación de la biblioteca. Esas muestras en una "zona gris" (véase la Figura 2) se debe ejecutar a discreción del director del laboratorio o la persona designada. en la actualidad el mejor manera de predecir si el ADN no llevará a cabo bien durante la secuenciación es realizar un ensayo basado en qPCR que permite la evaluación de la cuantificación y la calidad de ADN de entrada. Este enfoque se refiere a la bioavailability de diferentes fragmentos de tamaño en la muestra, a través de la amplificación de fragmentos de tamaño diferentes (por ejemplo, 100 pb, 150 pb, 200 pb y 300 pb) y la comparación de rendimientos.En la actualidad, la preparación de la biblioteca consiste en un gran número de pasos manuales, donde un paso en falso en una de las diversas coyunturas puede causar la biblioteca para fallar o ser de mala calidad. El análisis en gel de microfluidos es el único paso de control de calidad para comprobar una cuestión biblioteca de preparación antes de la secuenciación. En consecuencia, hay varios pasos críticos en los que la atención extra puede aumentar la probabilidad de una reacción exitosa. Es imprescindible para garantizar el correcto de la muestra y de oligonucleótidos se utilizan para cada espécimen. Asegurar y registrar adecuadamente que cada muestra contiene una de las 96 combinaciones únicas de pares de cebadores de PCR-duales indexadas reduce la posibilidad de una muestra de confusión. También, es importante asegurar la placa de filtro (FPU) drena correctamente; si no drena adecuadamente esto puede provocar que el extepaso nsion-ligadura de la preparación de la biblioteca para realizar subóptima y conducir a la secuencia de datos de mala calidad. Después de biblioteca QC, es crítico para asegurar que las perlas LNB1 están completamente resuspendieron y que la solución LNB1 / LNA1 se mezcla bien antes de añadir a las muestras como la concentración de esta mezcla se utiliza para determinar la molaridad de la biblioteca. Finalmente, si el paso del talón de elución da lugar a una cantidad subóptima de biblioteca eluyendo de las perlas que disminuirá la densidad de agrupamiento y, posiblemente, causar la biblioteca para no obtener una cobertura media adecuada. Por el contrario, un exceso de biblioteca dará lugar a una peor calidad lee. Por lo tanto, es importante ser constante en la etapa de normalización basado en perlas para asegurar la puesta en común óptima y la agrupación de las bibliotecas en el secuenciador.
Además de la preparación de la biblioteca, es fundamental para validar un gasoducto bioinformática que producirá llamadas mutaciones exactas de los archivos RAW, desmultiplexadas FASTQ. la elección de unasolución personalizada puede llevar mucho tiempo, ya que hay muchos alineadores de código abierto y comercialmente disponibles, las personas que llaman variantes y paquetes de software NGS que uno tiene que tamizar a través. tendrán que ser diseñado algoritmos personalizados para extraer estadísticas de rendimiento esenciales, identificar las mutaciones recurrentes únicos que eludió herramientas de código más abiertas, y determinar la condición de número de copia sobre cada uno de los loci. Durante el proceso de validación de un gasoducto bioinformática, es importante para determinar los puntos de corte de notificación obligatoria para las variantes que cumplan o superen tanto una profundidad mínima de cobertura después de la filtración de la calidad (por ejemplo, un mínimo de 250 lecturas) y una frecuencia mínima alelo (por ejemplo, 4 %). Dado que este un ensayo basado en amplificación de multiplexado, es importante para determinar la longitud media mínima profundidad de la cobertura (por ejemplo, 1,000x) de que la biblioteca tiene que obtener para ser capaz de obtener el amplicón de menor nivel de rendimiento a la profundidad mínima de lecturas. Además, la naturaleza multiplexada del ensayo hace causa desactivar los efectos de objetivo y estos artefactos '' tendrá que ser descubierto y totalmente examinados antes de su lanzamiento. Otra limitación importante para el ensayo descrito es una necesidad para las muestras que contienen más de 10% de tumor con el fin de lograr la frecuencia del alelo mínimo validado.
La detección de baja frecuencia, 1%, inserciones FLT3 es evidencia de que la revisión manual sigue siendo deseable en este proceso. Incluso con un alelo frecuencia de corte del 5%, puede que algunas mutaciones importantes perdidas y por lo tanto la revisión manual serán esenciales para determinar estas variantes. Para FLT3-ITD, la inspección visual del exón 14 se lleva a cabo para todos los pacientes con LMA para asegurar un nivel bajo o grandes inserción / duplicación no pasa desapercibida. Además, HER2 exón 20 inserciones que son comúnmente al lado de la secuencia del cebador, necesitan intervención manual. A pesar de tener un gasoducto bioinformática robusta, algunas variantes podrían pasarse por alto que es sólo la naturaleza de tener un corte duroapagado para la mayoría de las estadísticas mencionadas anteriormente. se necesitan mejores bioinformática para ayudar a aliviar este problema, al igual que una mejor preparación de la biblioteca y / o secuenciación metodologías, ya que es más ventajoso disponer de datos de buena calidad en los puntos de corte aún más bajos que contienen un menor número de artefactos y falsos positivos.
La detección e interpretación de frecuencias de los alelos puede ser difícil debido a la dificultad en la determinación del porcentaje de tumor y el sesgo de la amplificación de algunas regiones del genoma. Además, frecuencias de los alelos más de 50% se pueden detectar, como se observa en el caso 2. Esto se interpreta como una pérdida de heterocigosidad (LOH) evento, ya sea debido a la pérdida del alelo normal, lo que lleva a la aparente aumento del mutante lee, una ganancia del alelo mutante (por ejemplo, 2 mutante y una copia normal) u otros mecanismos. Estos mecanismos pueden ser dilucidado mediante la utilización de la gama de hibridación genómica comparativa (aCGH 19) y / o una matriz de genotipado SNP. 20.
Las metodologías de enriquecimiento de destino actuales se basan en procedimientos de día completo de cualquiera de las técnicas de PCR multiplex de captura de híbridos ineficientes o que dan lugar a la necesidad de una mayor cobertura de la secuenciación de una sola muestra y más fuera de la secuencia de destino lee. Las aplicaciones adicionales para oncología molecular NGS se espera en un futuro próximo incluirán métodos de preparación de bibliotecas fáciles que pueden ser completamente automatizados y ser capaz de procesar las muestras con cantidades muy pequeñas de ADN de entrada (es decir, menos de 1 ng), así como las muestras con alto grado de degradación DNA. Para hacer frente a estos retos, la mayoría de los métodos estará probablemente basado en la PCR, o bien ser un enfoque de PCR de varios pasos o un enfoque de PCR singleplex masivamente paralelas. Además, los códigos de barras molecular de amplicones individuales se ha demostrado que reduce drásticamente el ruido de fondo de secuenciación y permitirá a las pruebas de las muestras con proporciones más bajas de las células tumorales para lograr menores frecuencias de los alelos y avanzar hacia la captura de circulanteing células tumorales.
La detección de mutaciones asociadas a la enfermedad en muestras de cáncer ha sido norma de atención durante décadas. Históricamente, los genes se prueban a menudo en secuencia, un gen / exón a la vez, con la identificación de una mutación que conduce a la final de la secuencia de prueba. El advenimiento de la NGS ha permitido un enfoque menos sesgada a la secuenciación de múltiples genes asociados con muchos tipos de cáncer en paralelo que conducen a la identificación de múltiples mutaciones que están asociadas con la neoplasia. La utilidad clínica de NGS para la detección de mutaciones somáticas en el cáncer es cada vez más evidente. De hecho, el análisis basado en NGS de muestras tumorales representa un nuevo paradigma que desafía las pruebas genéticas tradicionales, sola, pero la utilidad clínica es muy clara. Los laboratorios clínicos actuales tienen la gran oportunidad de casarse con la validación del método de ensayo e interpretación cuidadosa con la aplicación de esta tecnología de gran alcance.
The authors have nothing to disclose.
Los autores desean agradecer la ayuda de Daniel salvaje para la lectura del manuscrito y la asistencia en la producción.
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 |