Este protocolo detalha a preparação clinicamente implementável de biosamples de PBMC e plasma de alta qualidade no local do ensaio clínico que pode ser usado para análise de biomarcadores translacionais.
A análise de biomarcadores no sangue periférico está se tornando cada vez mais importante em ensaios clínicos para estabelecer a prova de mecanismo para avaliar os efeitos do tratamento, e ajudar a orientar a dose e agendar a definição terapêutica. A partir de uma única coleta de sangue, as células mononucleares de sangue periféricas podem ser isoladas e processadas para analisar e quantificar marcadores proteicos, e amostras de plasma podem ser usadas para a análise de DNA tumoral circulante, citocinas e metabolômicas plasmáticas. Amostras longitudinais de um tratamento fornecem informações sobre a evolução de um marcador de proteína dado, o estado mutacional e a paisagem imunológica do paciente. Isso só pode ser alcançado se o processamento do sangue periférico for realizado efetivamente em locais clínicos e as amostras forem devidamente preservadas da cabeceira para o banco. Aqui, apresentamos um protocolo otimizado de uso geral que pode ser implementado em locais clínicos para obtenção de pelotas PBMC e amostras de plasma em ensaios clínicos multicêntricos, que permitirá aos profissionais clínicos em laboratórios hospitalares fornecer com sucesso amostras de alta qualidade, independentemente de seu nível de experiência técnica. Também são apresentadas variações alternativas de protocolo que são otimizadas para métodos analíticos mais específicos a jusante. Aplicamos este protocolo para estudar biomarcadores proteicos contra a resposta a danos de DNA (DDR) no sangue irradiado de raios-X para demonstrar a adequação da abordagem em ambientes oncológicos onde drogas DDR e/ou radioterapia têm sido praticadas, bem como em estágios pré-clínicos onde é necessário testar hipóteses mecanicistas.
O desenvolvimento de medicamentos visa oferecer novas terapêuticas que abmetam as necessidades médicas não atendidas e medicamentos mais direcionados e personalizados. Múltiplos mecanismos de drogas estão sob investigação ativa, incluindo inibição enzimática como quinase1, protease2, ou poli (ADP-ribose) inibidores de polimerase (PARP)3,degradadores deproteínas 4,anticorpos terapêuticos5e drogas conjugadas por anticorpos (ADCs)6, entre muitos outros. Um exemplo dos esforços para obter melhores tratamentos em oncologia é o uso de inibidores de quinase com o objetivo de parar as cascatas sinalizadoras que mantêm as células cancerígenas proliferando1,7. Medir os níveis de fosforilação substrato específico para essas quinases é o melhor biomarcador farmacodinâmico para quantificar o mecanismo de ação desses inibidores8. Outras drogas podem modular a expressão de uma determinada proteína, e nesse caso ser capaz de quantificar as mudanças na concentração de sua proteína alvo longitudinalmente ao longo do tratamento é primordial. Portanto, independente das características de uma droga ou patologia, a avaliação dos biomarcadores para estabelecer a relação farmacocinética (PK)/ farmacodinâmica (DP) entre exposição medicamentosa e modulação de alvo é a melhor prática no desenvolvimento clínico precoce e permite a determinação de uma dose/cronograma farmacodologicamente ativo seguro e tolerado9.
Enquanto no desenvolvimento clínico da oncologia, a análise biomarcadora em biópsias pode ser o melhor cenário para estabelecer a prova do mecanismo de uma droga, o número de biópsias disponíveis em um ensaio é geralmente bastante limitado10,11. Alternativamente, as amostras de sangue periféricas são altamente valiosas para ensaios clínicos porque envolvem um procedimento minimamente invasivo, são rápidas e fáceis de obter facilitando a análise longitudinal, são menos caras que biópsias e fornecem vastas informações para o monitoramento em tempo real do resultado de um tratamento. Um benefício adicional para avaliar biomarcadores PD no sangue periférico é a capacidade de usar a biosample para também quantificar pk permitindo exatidão na determinação das relações quantitativas PK/PD e modelagem PK/PD subsequente12,13. As células mononucleares sanguíneas periféricas (PBMCs) de sangue inteiro podem ser isoladas para estudar marcadores proteicos, que experimentam alterações em seu nível de expressão ou em suas modificações pós-translacionais. Além disso, os PBMCs podem ser usados para fins de imunofenofoteping14,15, ensaios de funcionalidade imunológica, como a avaliação da citotoxicidade celular dependente de anticorpos (ADCC)16 e análise epigenética através do isolamento do RNA. Da mesma forma, o plasma de sangue inteiro pode ser usado para quantificar citocinas para caracterizar a resposta imunológica de um paciente, para realizar estudos metabólicos, e também para isolar e sequenciar o DNA tumoral circulante (CTDNA) para monitorar a evolução clonal da doença sob seleção do agente terapêutico, fornecendo frequentemente uma base mecanicista para resistência ao tratamento17,18,19 permitindo o desenvolvimento de gerações subsequentes de terapêutica20. Finalmente, o isolamento das células tumorais circulantes (CTCs) do sangue periférico permite a avaliação da progressão da doença por enumeração longitudinal, sequenciamento de DNA/RNA e análise de proteína-biomarcadores21. Embora esse isolamento seja compatível com o protocolo aqui descrito22, a baixa abundância de CTCs em muitos tipos de câncer e estágios iniciais da doença torna o uso de tubos especializados mais adequado para minimizar a degradação do CTC23.
Nos últimos anos, o uso de biópsias líquidas melhorou as informações obtidas em ensaios clínicos e as coleções de PBMC foram incluídas em muitos estudos para monitorar o engajamento direcionado e a prova de mecanismos diretamente em células tumorais para alguns tipos de malignidades hematológicas, ou nos próprios PBMCs como substitutos de DP das células tumorais24,25,26. A preparação de amostras de alta qualidade impacta positivamente a determinação do tratamento mais seguro e eficaz para uma determinada patologia, mas em nossa experiência, a qualidade das preparações de PBMC obtidas de diferentes sítios clínicos tem sido submetida a ampla variabilidade na qualidade, resultando em amostras que não são adequadas para fins de análise a jusante. Isso impactou a quantidade de dados de DP que poderiam ser coletados desses estudos.
Aqui descrevemos em detalhes um protocolo fácil de seguir que mostra como isolar eficientemente tanto os PBMCs quanto as amostras de plasma de uma única coleta de sangue em um ambiente clínico. O protocolo baseia-se nas instruções fornecidas pelo fabricante dos tubos de preparação de células mononucleares, que incorpora modificações onde a experiência do mundo real tem destacado dificuldades na execução de protocolos relatadas por locais clínicos, como problemas de centrifugação, atrasos de processamento e transferência de amostras para criovias. Existem métodos alternativos comercialmente disponíveis para o uso de tubos de preparação de células mononucleares baseados na separação gradiente de densidade usando soluções de polissacarídeo com ou sem uma barreira que separa a solução do sangue27. Se o local clínico relevante já for bem experimentado nessas metodologias alternativas, este protocolo pode ser substituído de forma aceitável por elas. Nesses casos, dois fatores podem ser considerados: alguns métodos alternativos exigem a transferência de sangue inteiro de um tubo de coleta para um tubo de preparação separado, onde uma transferência adicional de material biológico primário humano pode apresentar um risco de segurança ligeiramente maior, e o sucesso de métodos sem barreiras que separam o sangue da solução de polissacarídeo depende de etapas críticas, como a colocação da amostra de sangue no meio de gradiente de densidade que requer o desenvolvimento de um nível refinado de perícia técnica nem sempre encontrado em um ambiente de laboratório hospitalar. Não obstante os pontos acima, a viabilidade geral e a recuperação celular são comparáveis entre essas técnicas15,28. A escolha da metodologia é, portanto, um pouco dependente da experiência técnica prévia, mas em nossas mãos, tubos de preparação de células mononucleares podem ser usados com sucesso em um contexto clínico amplo e são nossa, caso contrário, recomendação.
Enquanto um ponto final deste protocolo é produzir pelotas PBMC para posterior processamento em lisatos, outras aplicações finais da coleção PBMC poderiam ser implementadas, como o isolamento de ácidos nucleicos, ou a produção de manchas PBMC ou blocos PBMC adequados para métodos imunohistoquímicos (IHC). É importante ressaltar que, uma vez que cada biosample retirado dos pacientes representa um procedimento invasivo em pelo menos algum nível, este protocolo maximiza o material útil de cada amostra, isolando também o plasma que pode ser usado para análises de citocinas, estudos metabolômicos ou sequenciamento ctDNA.
A análise de biomarcadores periféricos em ensaios oncológicos é uma das muitas aplicações de lysates pbmc. Um exemplo é a avaliação da resposta a danos no DNA (DDR) em tratamentos como quimioterapia, radioterapia ou o uso de inibidores de enzimas envolvidas na DDR, como as quinases relacionadas à fosfartítrica-3 quinase (PIKKs)7 e PARPs3,13. O objetivo desses tratamentos é aumentar os danos ao DNA nas células que proliferam, o que gera alta toxicidade nas células com mecanismos de DDR prejudicados e pontos de verificação do ciclo celular, como células cancerosas. Aqui apresentamos um exemplo com um estudo de biomarcadores de DDR em sangue periférico submetido a raios-X.
Preparações de alta qualidade de PBMCs e plasma que podem ser robustamente e reproduzivelmente preparados em locais de ensaio clínico são inestimáveis para informar o ensaio clínico periférico preditivo e farmacodinâmico pontos finais biomarcadores translacionais. Aqui fornecemos um protocolo curto e claro que aborda as etapas tipicamente problemáticas que até então eram vulneráveis a erros de execução em um cenário de ensaio clínico. No entanto, o protocolo pode ser otimizado para atender a requisitos específicos, como restrições de tempo no local clínico ou tipo de análises a jusante (ver Arquivo Suplementar).
Para este objetivo, mostramos como isolar tanto os PBMCs quanto o plasma do sangue inteiro usando tubos de preparação de células mononucleares para produzir pelotas PBMC congeladas e plasma congelado adequado para uma variedade de análises a jusante. Chamamos a atenção para etapas de protocolo particularmente críticas envolvendo centrifugação e identificação da camada PBMC na etapa 2.5, e pelotas PBMC nas etapas 3.3 e 3.6. Historicamente, onde os locais clínicos muitas vezes deram errado é na definição da centrífuga para as unidades corretas (confundindo um valor RCF ou x g com um valor RPM), atrasando o processamento de amostras de sangue, temperatura e a presença de grandes volumes de PBS acima da pelota celular congelada. Na maioria dos rotores de centrífugas, digitar erroneamente um valor x g como uma configuração RPM resultará em uma subcrifugação significativa com uma camada PBMC mal definida ou ausente, e potencial descarte de PBMC inadvertido durante as etapas de lavagem devido à pelotização celular ineficiente. No entanto, existe a possibilidade de que uma camada PBMC não seja visível, apesar de usar as configurações de centrifugação corretas e adaptador de rotor se o paciente tiver desenvolvido leucopenia. Essa condição pode afetar pacientes matriculados em ensaios oncológicos por causa de quimioterapia ou radioterapia e deve ser considerada. Outro ponto crítico que ficou claro no protocolo é que as amostras devem ser processadas dentro de 1-2 h a partir da coleta de sangue para diminuir a possibilidade de hemólise impactar negativamente o protocolo. Além disso, o objetivo de processar as amostras durante a primeira hora do exame de sangue reduz a variabilidade ex vivo, o que pode ter um grande impacto nas leituras farmacocinéticas e nos biomarcadores afetados pela preservação do sangue ou vias de sinalização ativa, como o caso mostrado na Figura 4. Atrasos no processamento da amostra também podem ter um efeito prejudicial na viabilidade celular se as células forem criopreservadas34. Outro fator que pode afetar tanto o rendimento quanto a contaminação dos glóbulos vermelhos é a temperatura de armazenamento e centrifugação, que deve ser mantida à temperatura ambiente (18-25 °C). Temperaturas mais baixas aumentam a densidade do meio gradiente de densidade, o que resulta em um maior grau de contaminação de glóbulos vermelhos e granulocitos, pois essas células não se agregam tão bem. Por outro lado, temperaturas mais altas levam a PBMCs presos entre os eritrócitos agregados, reduzindo assim o rendimento da preparação15,27,28. E, finalmente, é crucial que não mais do que 50-100 μL de líquido estejam presentes com a pelota celular no criovial, pois isso impacta negativamente a concentração de quaisquer lisatos proteicos obtidos no processamento a jusante dessas preparações do PBMC. Um excesso de líquido irá sobredilute amostras, levando a lises com concentração de proteína muito baixa não adequada para análise biomarcadora. Além disso, a preservação de quaisquer modificações pós-translacionais será prejudicada, e a eficiência da lise também será muito reduzida.
Os tubos de preparação de células mononucleares foram escolhidos, pois oferecem a maneira mais simples de isolar tanto os PBMCs quanto o plasma em uma única coleta de sangue para ensaios clínicos com, em nossa experiência, excelente reprodutibilidade. O processamento sanguíneo não requer operadores altamente treinados, e o uso de um único tubo remove a necessidade de diluir o sangue e sua transferência para um tubo diferente, diminuindo o risco; encurta o protocolo devido à realização das etapas de centrifugação com freios ligados; e todos os reagentes estão no tubo, o que reduz a variabilidade. Em nossa experiência, esses benefícios superam o custo mais alto desses tubos quando comparados com outros métodos clássicos que compreendem apenas o uso de um gradiente de densidade médio27,28 (£ 410 por 60 unidades enquanto o meio linfoprep para 66 preparações de 50 mL é de R£ 215). Eles estão disponíveis em dois tipos de anticoagulantes, heparina e citrato, ambos comparáveis na manutenção da funcionalidade dos PBMCs isolados35, portanto, a escolha de um anticoagulante sobre o outro será baseada em possível influência de heparina ou citrato nos estudos de biomarcadores a jusante. Embora tenha sido demonstrado que os tubos EDTA fornecem o maior rendimento de isolamento pbmc em comparação com heparina ou citrato13, o benefício da facilidade de uso da manipulação de um tubo apenas contrabalança essa consideração. Se as citocinas forem analisadas anticoagulantes podem ter um efeito dos níveis detectados no plasma, portanto, ambos os anticoagulantes devem ser testados antes de selecionar um para o ensaio clínico36. Se o plasma for usado para estudos de metabolômica, usar heparina como anticoagulante seria preferido37. Portanto, o único ponto que resta para o usuário final ou o cientista translacional de ensaios clínicos é se citrato ou heparina será mais apropriado para seus propósitos uma vez que os custos tenham sido avaliados.
Embora os benefícios do uso de tubos de preparação celular sejam numerosos em comparação com as limitações que eles representam (maior custo e disponibilidade de uma gama restrita de anticoagulantes), a principal limitação do uso de PBMCs ou plasma para obter biomarcadores PD em ensaios clínicos, especialmente em oncologia, pode não estar relacionada ao método de isolamento. Exceto para cânceres hematológicos, onde o tumor é diretamente amostrado do sangue periférico, para outras indicações de câncer plasma e PBMCs são tecidos substitutos que não necessariamente imitam o tumor primário. O tecido periférico não pode compartilhar o genoma e o epigenome com o tumor primário, portanto, a análise periférica de biomarcadores dependentes de uma mutação tumoral específica é limitada principalmente à análise ctDNA (do plasma) ou CTCs (por triagem subsequente da camada PBMC). Além disso, sinalizar cascatas dirigindo ou contribuindo para a proliferação do tumor pode não ser tão ativo no sangue periférico. Esse desafio pode ser superado aplicando abordagens de descoberta de biomarcadores visando o sangue8 para identificar biomarcadores alternativos ou acoplamento de tratamentos ex vivo ao isolamento das preparações plasma38 e PBMC26.
No protocolo atual, as pelotas PBMC congeladas podem ser facilmente processadas fora do local clínico para dar lises proteicas que podem ser avaliadas por técnicas de manchas ocidentais ou ELISA. Métodos alternativos para o uso de PBMCs para habilitar métodos IHC também foram apresentados (Arquivo Suplementar). Além disso, também detalhamos a possibilidade de criopreservar PBMCs (ver Arquivo Suplementar)para monitoramento de células imunes, uma aplicação relevante em oncologia, com inibidores de checkpoint imunológico e ADCs cada vez mais testados em ensaios clínicos. A avaliação de funções imunológicas como ODCC16 e imunofenofoteping são aplicações compatíveis com PBMCs criopreservados isolados dos tubos de preparação de células mononucleares15. Há uma ressalva sobre a criopreservação, pois pode promover a regulação de certos marcadores superficiais e internos e pode prejudicar certas funções celulares, porém a criopreservação pbmc é a única maneira viável de realizar esses ensaios devido a restrições de tempo ao manusear amostras de múltiplos locais clínicos para o processamento em laboratórios externos14,15, e esses efeitos prejudiciais podem ser superados por bons métodos de descongelamento e períodos de descanso39.
Em conclusão, o protocolo aqui fornecido permitirá a preparação confiável de PBMCs e amostras de plasma em qualquer instituição clínica com equipamentos e materiais comuns para que os pontos finais translacionais do sangue periférico possam ser robustamente habilitados em ensaios clínicos globais.
Finalmente, demonstramos como a análise dos lysates do PBMC pode informar mecanicamente a resposta a agentes prejudiciais ao DNA, mostrando uma modificação pós-translacional dependente de dose dos principais fatores de DDR, que podem ser usados para ajudar a moldar o desenvolvimento clínico. Prospectiva, a implementação de métodos mais quantitativos do que a mancha ocidental (por exemplo, espectrometria de massa40) e requerem menos material de entrada (como a mancha ocidental capilar e a ELISA) ajudaria a mover esses resultados pré-clínicos para uma avaliação mais robusta e sistemática das amostras de pacientes do PBMC.
The authors have nothing to disclose.
Gostaríamos de agradecer a todos os membros da Translational Medicine da AstraZeneca Oncology Research and Early Development por seu feedback sobre o protocolo, especialmente Hedley Carr, Tammie Yeh e Nathan Standifer por conselhos sobre a preparação do plasma para análise de CTDNA, sobre o isolamento do PBMC e criopreservação e imunofenofoteping da PBMC, respectivamente.
1.5 mL cryovial | Nalgene, ThermoFisher | 5000-1020 | To store PBMC pellets and re-suspended PBMCs |
1.5 mL microcentrifuge tubes | VWR | 525-0990 | This is an example, use your preferred provider |
15 mL conical sterile propylene centrifuge tube | Nunc, ThermoFisher | 339651 | Other brands can be used |
2 mL screw cap tube sterile, with attached cap | ThermoFisher | 3463 | For plasma aliquoting |
20X TBS Buffer | ThermoFisher Scientific | 28358 | Final is 25 mM Tris, 0,15 M NaCl; pH 7,5. This is an example, you can prepare your own stock or use a different provider |
20X TBS Tween 20 Buffer | ThermoFisher Scientific | 28360 | Or supplement TBS with 0.05% to prepare TBST buffer |
Automated cell counter or haemocytometer | ThermoScientific | AMQAX1000 | We use Countess device and slides but could be other methods. |
Adjustable micropipette allowing 50 µL measurements | To handle small volumes (i.e. western blot, transfer PBMC pellets to 1.5 mL tubes) | ||
BD Vacutainer CPT mononuclear cell preparation tube (Na-citrate or Na-heparin) 8 mL | BD | 362761, 362753 | There are 4 mL tubes but if possible 8 mL tubes are recommended to obtain more PBMCs from a single blood draw |
Cell-freezing box | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | This is an example, use your preferred provider. |
Centrifugation unit converter | LabTools | http://www.labtools.us/centrifugation-speed-rpm-to-g-conversion/ | |
DMSO | Sigma-Aldrich, MERK | D2438 | Use your preferred provider. Ued for PBMC cryopreservation |
ECL horseradish peroxidase substrate | ThermoFisher | 34075 | Use your preferred reagent according to the sensitivity required to detect your biomarker by western blot. Other systems can be used such as IRDye secondary antibodies with imaging systems. |
Faxitron MultiFocus X-ray cabinet | Faxitron Bioptics | To irradiate blood. Other models/makers are available | |
Fetal Bovine Serum (FBS), heat inactivated | ThermoScientific | 102706 | Use your preferred provider. Ued for PBMC cryopreservation |
Fine tip, sterile 1.5 mL Pasteur pipettes | VWR | 414004-018 | Optional |
Fixed-angle rotor centrifuge | Optional for preparation of plasma for ctDNA/metabolomics | ||
Gel doc imaging system | SYNGENE | For imaging HRP developed membranes | |
Heat block | To denature lysates prior to run them in western blot, any maker equipped with suitable tube adaptors | ||
Horizontal rotor (swing-out head) centrifuge | Thermoscientific | Heraeus Megafuge 40R | This is an example |
Liquid nitrogen/dry ice | To flash-freeze samples | ||
Marvel dried skimmed milk | Premier Foods | This is an example, use your preferred provider | |
Micropipette tips for range 1-200 µL | To handle small volumes (i.e. western blot, transfer PBMC pellets to 1.5 mL tubes) | ||
NuPAGE 4-12% Bis-Tris protein gel, 1 mm, 10 wells | ThermoFisher Scientific | NP0321BOX | This is an example, cast your own or use your preferred provider |
NuPAGE LDS Sample Buffer (4X) | ThermoFisher Scientific | NP0007 | For imaging HRP developed membranes |
NuPAGE Sample Reducing Agent (10X) | ThermoFisher Scientific | NP0009 | This is an example. |
PBS, no calcium, no magnesium | Gibco, ThermoFisher | 14190-144 | This is usually provided in the clinical kit. |
Phosphatase inhibitor cocktail 2 | Sigma-Aldrich, MERK | P5726-1ML | Optional for step 3.7 |
Phosphatase inhibitor cocktail 3 | Sigma-Aldrich, MERK | P0044-1ML | Optional for step 3.7 |
Rabbit anti GAPDH | Cell Signaling Technology | CST 2128 | 1:1000 dilution in 5% milk TBST |
Rabbit anti γH2AX | Cell Signaling Technology | CST 2577, lot 11 | 1:2000 dilution in 5 % milk TBST |
Rabbit anti pS1981 ATM | Abcam | ab81292 | 1:2000 dilution in 5 % milk TBST |
Rabbit anti pS635 RAD50 | Cell Signaling Technology | CST 14223 | 1:1000 dilution in 5 % milk TBST |
Rabbit anti total ATM | Abcam | ab32420 | 1:1000 dilution in 5 % milk TBST |
Rabbit anti total RAD50 | Cell Signaling Technology | CST 3427, lot 2 | 1:1000 dilution in 5 % milk TBST |
RIPA buffer | Sigma-Aldrich, MERK | R0278-50ML | For cell lysis. This is an example, use your preferred provider |
Sonicator | Diagenode | B01060010 | Used for 3 cycles at 30 s on/ 30 s off, 4 oC. If using a different instrument, adjust number of cycles and intensity according to your sonicator. |
Sterile 1.7 mL Pasteur pipettes | VWR | 414004-030 | This is an example, use your preferred provider |
Sterile serological pipettes (5 and 10 mL volume) | Costar | 4101, 4051 | This is an example, use your preferred provider |
Trypan blue | ThermoScientific | T10282 | This is for the automated cell counter listed above. |
Wet ice | To keep plasma samples and lysates cold |