כאן, אנו מציגים פרוטוקול כדי לזהות מוטציות סומניות הגידול במחזור ה-DNA הנוכחי נוזלים ביולוגיים החולה (ביולואידים). שלנו droplet דיגיטלי פולימראז תגובת שרשרת (dPCR) שיטה מבוססת מאפשר כימות של מוטציה allelic תדירות הגידול (MAF), הקלה מינימלית פולשנית משלים אבחון וניטור זמני של תגובת הגידול.
סיבוכים הקשורים מראש ולחזור דגימת רקמה כירורגית להציג את הצורך פלטפורמות פולשני מינימלית מסוגל תת סיווג מולקולרי ניטור הזמני של תגובת הגידול לטיפול. כאן, אנו מתארים שיטה מבוססת dPCR שלנו לאיתור מוטציות הגידול הסומטית ב-DNA התא ללא תשלום (cfDNA), זמין בתוך ביולואידים החולה. למרות שהוא מוגבל במספר המוטציות שניתן לבדוק בכל אחת מהשיטות, שיטה זו מספקת רמה גבוהה של רגישות וספציפיות. ניטור של שפע מוטציה, כפי שמחושב על ידי MAF, מאפשר הערכה של תגובת הגידול לטיפול, ובכך לספק תוספת הרבה צורך הדמיה רדיוגרפית.
בשל מגבלות הזמינות של רקמת הגידול עבור ניתוחים מולקולריים, יש צורך בפיתוח שיטות רגישות מאוד מסוגל לזהות מוטציות גופניות של הגידול ב-ביולואידים של המטופל, כולל פלזמה, סרום ונוזל שדרתי (שדרתי) . לדוגמה, ילדים לפזר את קו האמצע gliomas (DMGs) להציג אתגר בשל מיקום נוירואנטומי שלהם. במהלך העשור האחרון, פרופיל מולקולרי של דגימות DMG רקמה חשפה מוטציות הנהג בסוג זה הגידול1 וחשף טרוגניות המרחבי הזמני של מוטציות, עושה ביופסיה הכרחי לאפיון החולה בתוך מחלה קבוצה וקידום טיפולים ממוקדים בעלי מטרה2. ככזה, ניסויים קליניים הפרקליטות על שילוב ביופסיות כירורגית ליצירת פרופיל מולקולרי הגידול באבחון מראש3,4,5,6. במהלך הטיפול, ניטור של התגובה הטיפולית DMGs מוגבל ל-MRI, אשר חסרה רגישות לזהות שינויים קטנים או האבולוציה גנומית הגידול. MRI הוא גם נוטה לזהות פסבדו אקראי, דלקת ארעית באתר של הגידול כי מחקה התקדמות אמיתית על הדמיה והוא עלול ליידע את הפרשנות של תגובת הגידול7. Thus, DMGs מייצגים סוג הגידול עם צורך גבוה חלופה, מינימלית פולשנית אמצעי זיהוי מוטציות הגידול וניטור התגובה הקלינית. על מנת לטפל בצרכים אלה, פיתחנו ואופטימיזציה של פרוטוקול לגילוי, ו לכמת את התדר הallelic של, מוטציות הגידול cfDNA מ פלזמה, סרום ו שדרתי של ילדים עם קו האמצע gliomas8. בהתחשב בעובדה DMGs הילדות לעתים קרובות (> 80%) הנמל מוטציה ליזין הסומטית למתיונין במיקום 27 של היסטון variant h 3.1 (h 3.1 k27m, 20% מהמקרים) או h 3.3 (h 3.3 k27m, 60% מהמקרים)1, אלה ומוטציות אחרות אופייני dmgs (כלומר, ACVR1, PIK3R1) המיועדים ל כימות המוטציות באמצעות cfDNA8. ניתן להתאים את השיטה לזיהוי מוטציות של נקודות מגע בסוגי גידולים אחרים בעזרת התחל והבדיקות הספציפיות לרצף. צדדיות של גישה זו הופך אותו לישימה מגוון של סרטן אשר יהנה שילוב של כלים אבחון cfDNA מבוססי ניטור טיפולית.
כדי לזהות ברגישות מוטציות allelic תדירות נמוכה ב cfDNA, אנו מעסיקים גישה דיגיטלית droplet (dPCR) מבוסס על גישת. בשיטה זו, תערובת התגובה של ה-PCR מחולקת באופן תיאורטי למקסימום של 10,000,000 טיפות באמצעות פלטפורמת dPCR (למשל, RainDance), עם 7-9 מיליון טיפות לכל PCR היטב בדרך כלל לראות ניסויים. בשל רמת גבוהה של לחיצה לדוגמה, ביותר רק אחד לשתי מולקולות DNA יכול להיות נוכח כל droplet. ה-PCR הגברה והכלאה של בדיקה פלואורסצנטית ספציפיים יכול להתרחש בכל droplet, כגון מיליוני תגובות מתרחשים. זה מגדיל את הרגישות ומאפשר זיהוי של אלולים נדירים מוטציות, אשר עשוי אחרת ללכת מבלי שיבחינו כנגד רקע של דנ א מסוג wildtype הניצול של חומצה גרעין נעולה (lna) רגשים מגביר את הספציפיות של השינוי על ידי הגבלת הכלאה של חוסר התאמה ותמיכה זיהוי מוטציה מדויקת9,10,11. כאן, אנו מתארים את שיטות העיבוד שלנו לדוגמה, חילוץ cfDNA, הגברה מראש של אלטלס היעד, dPCR וניתוח נתונים.
כאן יש לנו הציג את השיטה שלנו לגילוי ולכמת את תדירות allelic של מוטציות גידול cfDNA מתוך ביופסיה נוזלי החולה. אנו מדגישים את הצעדים הקריטיים להצלחת השיטה, כולל עיבוד לדוגמה טרום ניתוח, חילוץ cfDNA, עיצוב שיטת ה-PCR וניתוח נתונים. כדי להגביל את נפח המדגם בשימוש, cfDNA מופק 1 מ ל של פלזמה, אבל רק 500 μL של שדרתי. כאשר מחלץ מ-שדרתי, את הפרוטוקול לחילוץ מ 1 מ ל של שתן (בעקבות מדריך cfDNA ערכת החילוץ12) משמש, לפי ההמלצה של היצרן. ההבדל בנפח המדגם הנדרש בין פלזמה ו שדרתי היא בשל רמות נמוכות יותר של הגידול cfDNA מסוים פלזמה לעומת שדרתי של חולים עם גידולים במוח, המחייב הפחתת כרכים לדוגמה גדול יותר עבור זיהוי מוטציה8. אם המדגם זמין, יותר מ-1 מ ל פלזמה ניתן לחלץ כדי לייצר תשואה DNA גבוה יותר. עם זאת, במקרה של חולים ילדים, חשוב למזער את כמות הדם המשמש כאשר הדבר אפשרי, כמו גם הליך פשוט כגון דם לצייר היא מעייפת לחולים ילדים עם סרטן שעברו טיפולים הקרינה. חילוץ מ-1 מ”ל הפחת של פלזמה גם מאפשר שכפול עקירת, כך ניתן לחזור על האפשרות (למשל, במקרים של כישלון בחילוץ DNA או זיהום מדגם).
במאמץ להפחית כל שימוש לדוגמה שאינו הכרחי לחלוטין, cfDNA הוא בדרך כלל לא כימות. עם זאת, מצאנו מגוון של ריכוזי cfDNA בין 0.2-2 ng/μL ו-0.6-13 ng/μL ב פלזמה ו שדרתי, בהתאמה. בהינתן כמות נמוכה של cfdna, ואת העובדה אללים מוטנטים ספציפיים הגידול נמצאים בתדר נמוך, צעד מראש הגברה באמצעות אותה קבוצה של התחל המשמש dpcr הוא הכרחי כדי להגדיל באופן משמעותי את כמות ה-DNA היעד במדגם, לסייע ב זיהוי מוטציה8. דילול המוצר pre-מוגבר במאגר ההשעיה DNA מספק נפח מספיק עבור משכפל טכני, אשר מסייע בהבחנה תוצאות חיוביות אמיתיות. כיוון שמספר טיפות המוטציות יכול להיות נמוך (לדוגמה, בין 0-2 טיפות מוטאנטים בדגימת פלזמה), הכללת השכפל הטכני היא המפתח לפתרון מצב מוטציה. בעוד אחד PCR היטב עשוי להניב 0 מוטציה טיפות, השניים האחרים עשויים להניב 1-2 עבור דגימת פלזמה אחת ניתח בטריליטה; לפיכך, הכללת המשכפלת מאפשרת דיוק רב יותר בעת קביעת מצב המוטציה. לאחר מכן, ה-MAF מחושב כממוצע של ערכי השכפול.
ריבוב מראש הגברה (הגברת מקדם מסוג wildtype ומוטציה אללים של שני מוטציות של עניין) מגביר את השירות של מדגם אחד, כמו חומר התחלתי אותו ניתן להשתמש כדי לבדוק שני מוטציות. חשוב לעשות זאת, מוצר הגברה מראש של מולטיפלקס יכול להיות מנותח בסינגפלקס במהלך dPCR למען פשטות רבה יותר, כפי שמתואר כאן. עם זאת, הגברה מראש של PCR ו-dPCR עשוי להיות מרובב. כאשר ריבוב, התנאים חייבים להיות ממוטבים עבור שתי קבוצות של התחל והבדיקות: פריימר הטמפרטורות ריפוי חייב להיות דומה לרוץ יחד ב-PCR הגברה, ובדיקה צריך להיות מתוכנן כדי ליצור אשכולות שונים (בהתבסס על אות פלורסנט ו אינטנסיביות). בעת אימות קבוצה חדשה של התחל והבדיקות, הפעל הדרגתי של טמפרטורת ריפוי כדי לקבוע את טמפרטורת הריפוי האופטימלית המבוססת על הטווח שהוצע על ידי היצרן. לפני בדיקת הבדיקות על החולה cfDNA דגימות, לאמת אותם באמצעות בנייה DNA סינתטי ו/או רקמת הגידול gDNA של תשומות שונות (כלומר, עד 10 ng).
לאיתור אללים המוטציות עם יותר ספציפיות וחוסר התאמות מופחת הכלאה של בדיקה ל-DNA היעד, נעול חומצת גרעין (lna) בדיקות משמשות. Lna היא חומצה גרעין אנלוגי עם גשר מתילן חיבור 2 ‘-חמצן ו-4 ‘-פחמן של טבעת ריבוז9. גשר מתילן נועל את חומצת הגרעין לתוך היווצרות האופניים נוקשה המגבילה גמישות, מגביר את יציבות הדופלקס התרמי, ומשפר את הספציפיות של הכלאה בדיקה למטרה DNA10,18, 19. אם קיים אי התאמה בסיסית בודדת בין ה-DNA של הבדיקה לבין התבנית, היווצרות הדופלקס בין הגשוש למטרה יגרום לחוסר יציבות. בתור כזה, בדיקה LNA לשפר את הספציפיות של כריכת הבדיקה ולגרום האות לרעש גבוה יותר לקול11. ניתוח פלזמה ושדרתי מפני חולים לא-החולה החולי ילדים הקימה את הספציפיות של הקביעה שלנו עם LNA רגשים המיקוד H3F3A p. K27M, כדי לקבוע כי תדירות allelic של שווה או פחות מ 0.001% נחשב חיובי כוזב 8. לקבלת שיקולים נוספים למיטוב העיצוב של הבדיקות והתחל, כולל התוכן GC, אמפליקון גודל, צבע עיתונאי בדיקה, ו מקדחים, מתייחסים הנחיות יצרן dpcr14,17. למרות שהשיטה שלנו היא ממוטבת לשימוש עם מערכת RainDance, הפרוטוקול עשוי להיות מותאם לשימוש עם פלטפורמות dPCR אחרים.
השיטה המוצגת כאן שואבת כוח מרוב רגישות גבוהה והעשרה היעד שהושגו על ידי dPCR, אשר נשאר פלטפורמת הבחירה לגילוי מוטציות גידול נדירות cfDNA. למרות העוצמה, dPCR מוגבל במספר מוטציות שניתן לבדוק בתוך שיטת יחיד. חלופה dPCR היא רצף הדור הבא (NGS), אשר עשוי לזהות מוטציות מרובות על פני גנים רבים, הגדלת כלי השירות של מדגם אחד. NGS יכול לזהות מוטציות ב שדרתי ופלזמה של חולים עם גזע המוח gliomas20, עם זאת, הוא כרגע פחות רגיש מאשר dpcr בזיהוי מוטציות הגידול cfdna, עם מגבלות זיהוי של 0.1-10% maf לעומת 0.001% ב-PCR מבוססי גישות21 . dPCR משיגה גם זמן טיפול מהיר יותר מאשר NGS, המאפשר זיהוי מהיר של מוטציות עניין. הגישה ה-PCR ישימה לאורך סוגי הסרטן וניתן להרחבה כדי לזהות מוטציות נקודה חמה ו-cfDNA22.
הביופסיה הנוזלית היא אכן בחיתוליו והיא תדרוש התפתחות נוספת לתפירת מחלות ספציפיות. ניטור הגידול בהקשר של האבולוציה הגידול יהיה האתגר הבא, שבו פלטפורמה מסוגל לזהות מוטציות המתעוררים עם רגישות גבוהה יהיה צורך. בנוסף, פלטפורמות המסוגלים לזהות מגוון של biomolecules (פפטידים, ציטוקינים, RNA) יהיה מועיל מאוד בהערכת תגובת הגידול לטיפול, כמו גם קידום התערבויות קליניות אישית.
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצים להכיר בנדיבות של כל המטופלים ומשפחותיהם. עבודה זו נתמכת על ידי מימון של קרן הסמאשינג אגוזי מלך (מידבורג, VA), קרן V (אטלנטה, GA), מרכז המידע הראשון של גבריאלה מילר לילדים, המכון למדעי המחקר והפיסיקה של הילדים הלאומי ( 5UL1TR001876-03), קרן Musella (היולט, NY), קרן מתיו לארסון (פרנקלין לייק, ניו ג’רזי), קרן Lilabean לחקר סרטן המוח ילדים (בסילבר ספרינג, MD), הקרן לגידול במוח ילדות (הגרמנית, MD), מוח הילדים רקמות הגידול (פילדלפיה, PA), וקרן ראלי לחקר סרטן ילדות (אטלנטה, GA).
10mM Tris-HCl, 0.1mM EDTA DNA Suspension Buffer (pH 8.0) | Teknova | T0227 | |
BD Vacutainer K2-EDTA 7.2mg Blood Collection Tubes (10mL) | Becton Dickinson Diagnostics | 367525 | For plasma collection |
BD Vacutainer Plastic Serum tube with Red BD Hemogard Closure (10mL) | Becton Dickinson Diagnostics | 367895 | For serum collection |
Bleach | General Lab Supplier | ||
Buffer ATL | Qiagen | 19076 | |
Cell-Free DNA Blood Collection Tubes | Streck | 218961 | cfDNA blood collection tubes (optional) |
CentriVap Concentrator | Labconco | 7810010 | |
Forward Primer | Integrated DNA Technologies, Inc. | Custom design | |
MiniAmp Thermal Cycler | Thermofisher Scientific | A37834 | |
Molecular Biology Grade Absolute Ethanol (200 proof) | General Lab Supplier | ||
Mutant Probe | Integrated DNA Technologies, Inc. | Custom design | |
PAXgene Blood ccfDNA tubes | PreAnalytiX | 768115 | cfDNA blood collection tubes (optional) |
PCR 8 well strip tube caps | VWR | 10011-786 | |
PCR 8 well strip tubes | Axygen | PCR-0208-C | |
Pipette (p20, p200, p1000) | General Lab Supplier | ||
Pipette filter tips (p20, p200, p1000) | General Lab Supplier | ||
Q5 Hot Start High-Fidelity 2X Master Mix | New England Biolabs Inc | M0494S | |
QIAamp Circulating Nucleic Acid HandBook | Qiagen | cfDNA extraction kit handbook (2013 edition) | |
QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit | Qiagen | 55114 | cfDNA extraction kit (Protocol Step 4) |
QIAamp MinElute Virus Spin Kit | Qiagen | 57704 | Optional kit for DNA extraction from small (< or =200µL) sample volumes |
Qiavac 24 Plus | Qiagen | 19413 | For use with QIAamp Circulating Nucleic Acids kit |
Raindance Consumable Kit | Bio-Rad | 20-04411 | Contains droplet-generating instrument chips, quantification instrument chips, PCR strip caps including high-speed caps, and droplet stabilizing oil |
Raindance Sense Instrument | Bio-Rad | Quantification instrument (used in Protocol Step 9) | |
Raindance Source Instrument | Bio-Rad | Droplet-generating instrument (used in Protocol Step 9) | |
RainDrop Analyst II Software | RainDance Technologies | Analyst software used for Data Analysis (Protocol Step 10) | |
Refrigerated Vapor Trap | Savant | RVT5105-115 | |
Reverse Primer | Integrated DNA Technologies, Inc. | Custom design | |
Smartblock 2mL | Eppendorf | 05 412 506 | |
TaqMan Genotyping Master Mix | Thermofisher Scientific | 4371353 | |
Thermomixer C | Eppendorf | 14 285 562PM | |
WT Probe | Integrated DNA Technologies, Inc. | Custom design |