تعرض المخطوطة عينات في الموقع من أورام الدماغ البشرية مع مرحلة صلبة من الميكروسكشن المتبّرد متبوعة بتشخيطها الكيميائي الحيوي نحو اكتشاف المؤشرات الحيوية.
على الرغم من تنوع الأدوات المتاحة لتشخيص السرطان وتصنيفه، لا تزال هناك حاجة إلى طرق تمكن من التوصيف السريع والبسيّر. وفي السنوات الأخيرة، أصبح قياس الطيف الكتلي طريقة مفضلة للتوصيف غير المُهدَّح للمركب التمييزي بوصفه علامات بيولوجية محتملة للمرض. تعتبر الفلورويدات الحيوية بشكل عام مصفوفات مفضلة نظرًا لإمكانية الوصول إليها ومعالجتها بشكل أسهل في حين أن التنميط المباشر للأنسجة يوفر معلومات أكثر انتقائية حول سرطان معين. إعداد الأنسجة للتحليل عن طريق الطرق التقليدية هو أكثر تعقيداً وتستغرق وقتاً طويلاً، وبالتالي، غير مناسب للتحليل السريع في الموقع. يقدم العمل الحالي بروتوكولًا يجمع بين إعداد العينات واستخراج الجزيئات الصغيرة في الموقع مباشرة بعد استئصال الورم. ويمكن إدخال جهاز أخذ العينات، الذي يبلغ حجم إبرة الوخز بالإبر، مباشرة في الأنسجة ثم نقله إلى المختبر القريب لإجراء تحليل فعال. نتائج تحليلات المستقلبومومات والدهون تثبت قدرة النهج لإنشاء الأنماط الظاهرية للأورام المتعلقة بالأصل النسيجي للورم، الخبيثة، والطفرات الوراثية، وكذلك لاختيار المركبات التمييزية أو المؤشرات الحيوية المحتملة. وتسمح الطبيعة غير التدميرية لهذه التقنية بأداء الاختبارات المستخدمة بشكل روتيني، مثل الاختبارات النسيجية، على نفس العينات المستخدمة في تحليل SPME، مما يتيح الحصول على معلومات أكثر شمولاً لدعم التشخيص الشخصي.
التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) والتصوير المقطعي المحوسب (CT) هما الطريقتان الرئيسيتان المستخدمتان في تحليل آفات الدماغ في الوقت الحقيقي. ويستند تمايز ورم الدماغ عموما على علم الأنسجة مع تلطيخ إضافية وتقنيات متقدمة مناعية. وفقًا للتوجيهات المحدثة حول أورام الدماغ العصبية المركزية الصادرة عن منظمة الصحة العالمية (WHO) في عام 2016 ، تعد الاختبارات الجينية حاسمة لتمايز وتصنيف هذه الأورام1. التمايز وتصنيف الأورام تسمح للأطباء لاختيار العلاج الأكثر فعالية لنوع معين من الورم وبالتالي توسيع العمر المتوقع للمريض. للأسف، على الرغم من توافر هذه الأساليب المتقدمة لمساعدة الأطباء في اختيار العلاج الأمثل لمرضاهم، فإن متوسط العمر المتوقع للمرضى الذين تم تشخيصهم بالورم الأرومي (الورم الدبقي الصف الرابع) هو فقط حوالي 15-16 شهرا2. حتى مع تطور وزيادة دقة التصوير وقال وأساليب علم النسيج كأدوات التشخيص، لا تزال هناك حاجة كبيرة لتقنيات جديدة قادرة على تقديم معلومات تكميلية لمساعدة الأطباء في القرارات المتعلقة مسار العلاج. على مدى السنوات الماضية، وقد اقترح العديد من النهج الجديدة على أساس القياس الطيفي الشامل لتحليل داخل العملية من السرطان3،4. وقد تم بالفعل إثبات إمكانات الطور الصلب microextraction (SPME)، الطريقة المعروضة هنا، كأداة تحليل سريعة في الموقع، في مجموعة متنوعة من الدراسات5. تُظهر المخطوطة الحالية أحد التطبيقات السريرية للطريقة، وهي الأيض غير المستهدفة وومنومات الدهون لأورام الدماغ البشرية. 10- تمثل التحقيقات غير المستهدفة نقطة انطلاق هامة في اكتشاف المؤشرات البيولوجية المحتملة. وبمجرد إنشاء هذه المؤشرات الحيوية، يمكن استخدامها كمراجع تشخيصية للتمييز بين الأورام باستخدام نفس التكنولوجيا إلى جانب الأجهزة في الموقع.
SPME هو تقنية إعداد العينة القائمة على التوازن التي تستخرج جزيئات صغيرة من مصفوفات العينات مع استخدام كميات صغيرة من مرحلة الاستخراج. في تكوين SPME الأكثر تقليدية من الجهاز (مسبار) ، والألياف المغلفة مع مرحلة الاستخراج المناسبة وشل على دعم الصلبة أي ، سلك معدني5،6. 30- وتتيح الطلاءات والأجهزة التي يمكن تحقيقها من التجانس الحيوي (المجسات) الاستخراج مباشرة من المصفوفات البيولوجية المعقدة دون المعالجة المسبقة للعينات، مثل التجانس والترشيح. ومن خلال عملية الاستخراج، يتم تقسيم التحليلات بين مرحلة الاستخراج ومصفوفة العينة بما يتناسب مع تركيزاتها الأولية. إذا تم استخراج لفترة طويلة بما فيه الكفاية، ثم يتحقق التوازن. وبينما يوفر الاستخراج عند التوازن أعلى درجة من الحساسية وإمكانية التكاثر، فإن الاستخراج قبل التوازن ممكن أيضاً بل ويفضل في بعض الحالات، أي في أخذ العينات الحية، حيث تستلزم قيود الوقت المرتبطة بأخذ العينات في الموقع (مثل غرف التشغيل أو الطوارئ) عمليات استخراج سريعة. ويتأثر ملف تعريف وقت الاستخراج الخاص بعمود التحليلات المُعطى عموماً بالخصائص الفيزيائية الكيميائية للـ”التحليل”، والمصفوفة التي يتم أخذ عينات منها، ونوع المادة الماصة المستخدمة، وعدة حالات استخراج أخرى. مجموعة كبيرة من العوامل التي تحكم حركية استخراجها يجعل من المستحيل عمليا لضمان استخراج التوازن لجميع المركبات عندما يتم إجراء تحليلات غير مستهدفة مثل المستقلبوموم أو الدهون. وللأسباب المذكورة أعلاه، تم تحديد وقت استخراج البروتوكول الحالي بشكل تعسفي لضمان حساسية مرضية وتغطية الأيض من ناحية، ومدى التطبيق العملي للاستخدام في الموقع من ناحية أخرى.
10- وينبغي التأكيد على أن الحجم الصغير جداً للمسبارات المستخدمة لاستخراج العينة من الأنسجة لا يؤدي إلا إلى الحد الأدنى من تلف الأنسجة في حين أن إجراء أخذ العينات نفسه لا يستهلك أي نسيج بل كميات صغيرة جداً من الجزيئات الصغيرة من المنطقة التي تم أخذ عينات منها؛ ولذلك، يمكن استخدام نفس العينة كذلك في الاختبارات الروتينية، أي النسيجية أو الجينية، مما يتيح الحصول على معلومات أساسية ومكملة من نفس العينة. ومن شأن هذه البيانات التكميلية والشاملة أن تمكن من فهم أفضل لبيولوجيا الأورام، ونأمل أن تسهل اكتشاف أهداف علاجية جديدة. كما أن استغلال هذه الطريقة يزيد من إمكانية إجراء تشخيصات داخل الموقع أثناء العمليات عند تحديد المؤشرات الحيوية المستهدفة.
أدناه نقدم بروتوكولات لأخذ العينات من أورام الدماغ في الموقع لتحليلات المستقلب وعلم الدهون ومعالجة البيانات.
وتستخدم عادة المستقلب غير المستهدفة وعلم الدهون في الدراسات التي تركز على تحديد المؤشرات الحيوية الورم. ومع ذلك ، في معظم الحالات ، يبحث الباحثون عن المركبات التي يمكن استخدامها لفحص المرض. وبالتالي، فإن العينات البيولوجية المفضلة هي الدم أو البول بسبب سهولة الوصول إليها نسبياً. يتم إجراء تحليل أنسجة الورم بشكل رئيسي لفهم الآليات الكامنة وراء المرض ، وتوصيف أنواع الأورام المختلفة ، إلخ. ونادرا ما يتم إجراء التحليل في الموقع من المؤشرات البيولوجية الورم، مثل هذه التطبيقات تتطلب إعداد عينة واسعة النطاق. بدلا من ذلك ، استراتيجيات تقوم على تحليل في الوقت الحقيقي من ملامح الأنسجة دون الاختيار المسبق للعلامات الحيوية محددة وكسب اهتمام المجتمع الطبي3،4. ويقدم الحل المعروض هنا منظورا آخر لمعالجة الأنسجة في الموقع من خلال الكشف عن نوع المعلومات التي يمكن الحصول عليها عن طريق هذه الأساليب.
إن الجمع بين أخذ العينات وإعداد العينات والاستخراج يجعل البرنامج أداة مفيدة جداً للتحليل في الموقع. وعلاوة على ذلك، فإن عدم استهلاك الأنسجة أثناء أخذ العينات يتيح مواصلة استخدام نفس العينات لتحليل العلامات البيولوجية والاختبارات الروتينية (genotyping، التحليل النسيجي)، وبالتالي، إضافة معلومات جديدة إلى نتائج الاختبارات القياسية. جهاز أخذ العينات لديه تصميم بسيط جدا، وتشغيلها من السهل جدا، وليس هناك حاجة إلى تدريب خاص لأداء الاستخراج نفسه. ومع ذلك، تحقيق نتائج موثوقة يتطلب أكثر بكثير من مجرد التعامل السليم مع الأجهزة. لتنفيذ التجربة بشكل صحيح، يحتاج المرء إلى فهم عملية الاستخراج، وطبيعة العينة، وأن يكون على بينة من الأخطاء المحتملة التي يمكن أن تؤثر على البيانات.
من المهم النظر في عدم تجانس الأنسجة السرطانية10; قد تحتوي على عينات من الأورام أجزاء تمر نخر, تكلس, ونقص الأكسجة, وسوف تنعكس كل من هذه العمليات في المستقلب والدهون التي تم التوصل إليها, وبالتالي التأثير على النتائج. لذلك ، يوصى بأن يتم أخذ عينات التحليل المكاني عن طريق إدخال العديد من الألياف في أجزاء مختلفة من الأنسجة السرطانية ، أو بدلاً من ذلك ، أن يتم استخدام طلاء أطول لاختراق الورم بأكمله وذلك للحصول على معلومات متوسطة عن الورم. إذا تم تنفيذ طريقة أخذ العينات التحليل المكاني ، يمكن أن تكون جميع الألياف مُزَلَّة في مذيب واحد للدِّر الامتصاص ؛ وهذا لن يسمح فقط لتحقيق المعلومات الشاملة عن الورم، ولكن أيضا زيادة حساسية التحليل. بدلا من ذلك ، فإن إزالة الألياف الفردية في قوارير منفصلة من شأنه أن تمكن التحقيقات لمعرفة التنوع الداخلي للورم الدماغ ، والذي يتكون من جوهر بنيت من الخلايا السرطانية ، والمنطقة الخارجية ، وهي حدود الأنسجة السليمة. أجزاء أعمق من الورم وعادة ما تكون أكثر تضررا من العمليات المتعلقة بالسرطان11. ومع ذلك، يجب أن نأخذ في الاعتبار المحققين أن هذا الخيار يعرض للخطر حساسية الأسلوب والعدد الإجمالي للمركبات القابلة للكشف. في العمل الحالي، تم استخدام طلاء 7 مم؛ واعتبر هذا الطول الأمثل لمختلف أحجام الأورام المدرجة في الدراسة. اخترقت الطلاءات الأورام ، وبالتالي قدمت دقة غير خاصة ، ولكن متوسط البيانات عبر العينة. بغض النظر عن البروتوكول المحدد، من المهم أن يتم اتباع نفس البروتوكول خلال الدراسة بأكملها، بما في ذلك عدد الألياف المستخدمة لأخذ العينات الفردية، وطول الطلاء، ووقت الاستخراج، وجميع العوامل الأخرى المحددة في هذا العمل.
من المهم التحكم في جودة التحليل. ينبغي إعداد وحدة مراقبة الجودة المجمعة (انظر الخطوتين 4.7 و7.7 في البروتوكول) واستخدامها لمراقبة استقرار الأداة أثناء تشغيل دفعة العينة بأكملها. ويمكن فيما بعد استخدام عناصر التحكم الفارغة (انظر الخطوة 2-8) لإعداد “قائمة استبعاد” لإزالة إشارات الملوثات الناشئة عن المذيبات أو تصنيع الألياف. في المناسبات الخاصة، مثل خطر التلوث، من الضروري إجراء أخذ العينات من القفازات أو الجداول أو الأجهزة أو أي أسطح أخرى قد تشكل خطر تلوث. في مثل هذه الحالات، وإعداد الألياف، والوقت من استخراج وخلع بروتوكولات هي نفسها كما للعينات.
تركز التحليلات الأيضية والدهونية بشكل كامل على الجزيئات الصغيرة (أقل من 1500 د) التي تظهر في كائن حي أو مكونات محددة من الكائن الحي ، مثل أعضاء محددة ، الأنسجة ، السوائل ، الخلايا ، إلخ. تقدم نواتج الأيض والدهون صورة عن التغيرات الكيميائية الحيوية التي تحدث في الجسم، وفي حالة السرطان، فإنها تدمج المعلومات المتعلقة بالجينوم، وعلم الأنسجة، والتشويه للورم. هذه العلوم omics خلق اتصال بين علم وظائف الأعضاء والنمط الظاهري كما الأيض هي أعلى في السلم الكيميائي الحيوي من البروتينات أو الجينات12. من خلال فهم المستقلب والدهون من الأورام السرطانية، ونحن نقترب من اكتشاف النمط الظاهري بين جميع العلوم -omics كما تقدم هذه الفروع من الدراسة معرفة أكثر عمقا من التغيرات الديناميكية للجزيئات كاستجابة للكائنات الحية لمختلف المحفزات. وكما هو معروض في هذا العمل، فإن البيانات التي تم الحصول عليها في عينة واحدة تتوافق مع الأنسجة السرطانية، ودرجة خبيثته، وتعكس التغيرات التي تحدث على مستوى الجينوم. في الأورام الدبقية ، كنوع من السرطان ذات الاهتمام في هذه الدراسة ، فإن المعلومات المخفية في الجينوم مهمة بشكل خاص ، حيث يتم تطوير علاج شخصي استنادًا إلى نتائج الاختبارات الجينية. الطفرات معينة هي علامات التكهن من نتائج العلاج الكيميائي أو العلاج الإشعاعي. وكما هو موضح هنا، فإن اختيار المؤشرات البيولوجية التي تعكس طفرة معينة ممكن مع الاستراتيجية المقترحة. يمكن أيضًا استخدام علامات الطفرات ، وكذلك أنواع الواصفات الإضافية مثل تلك التي تشير إلى درجة الورم الخبيث لدعم طرق التشخيص الروتينية.
السابق vivo خزعة كيميائية مع استخدام الألياف الدقيقة المرحلة الصلبة هي الخطوة الأولى في تطبيق الأسلوب لتشخيص داخل العملية. يمكن اعتماد الأسلوب بسهولة لأخذ العينات في الجسم الحي في انتظار إذن من المجالس الأخلاقية المناسبة. وفي هذه الحالات، يجب أن يتم تعقيم أجهزة الـ SPME وفقاً لإجراءات التعقيم المقبولة في المستشفى حيث يتعين إجراء أخذ العينات، أي التعقيم التلقائي أو تعقيم أكسيد الإيثيلين. يجب أن تبقى الألياف المُكيفة والمعقمة مسبقًا في عبوات مختومة تحمل تاريخ انتهاء صلاحية التعقيم. من المهم ملاحظة أنه لا ينبغي تنظيف الألياف باستخدام المواد الراكعة السطحي. ويمكن أن يسبب هذا الإجراء تغييرات غير محددة في تكوين المواد الماصة، مما يؤثر على استخراج التحليلات. في الدراسات الموصوفة هنا، تم استخدام فترة استخراج 30 دقيقة، ولكن تقارير أخرى التحقق من صحة أن أقصر الأوقات يمكن أن تسفر عن نتائج مرضية في دراسات الجسم الحي 13. وقد أظهر Huq et al. أن زمن توازن التحليلات يتحقق بشكل أسرع في الأنسجة، كمصفوفة معقدة، من المصفوفات البسيطة14. ومع ذلك، يمكن أن تتعرض إمكانية استنساخ النتائج التي تم الحصول عليها للخطر في فترات استخراج أقصر حيث سيتم استخراج المزيد من التحليلات في ظل ظروف ما قبل التوازن؛ لذلك، يجب تطبيق التحكم في الوقت الدقيق.
كل من العلوم omics استغلالها كجزء من هذا العمل لديها إمكانات ممتازة كأدوات اكتشاف العلامات البيولوجية. وبمجرد اختيار المؤشرات الأحيائية أو إنشاء نموذج كيميائي، يمكن تطوير وتنفيذ تشخيصات طبية تستند إلى تحديد نواتج الأيض المستهدفة عن طريق طرق قابلة للتطبيق في التحقيقات في الموقع، مثل نهج SPME الموصوف في هذا العمل، كجزء من التشخيص الروتيني.
يصف البروتوكول المقترح في هذه المخطوطة كيفية إجراء تحليلات مستقلبية ودهية غير مستهدفة للأنسجة السرطانية باستخدام الطور الصلب للميكروس الصغير لفحص المؤشرات الحيوية المحتملة. وهي مصممة لتمكين استخراج المركبات التمثيلية، والتمايز بين الأورام، وتحديد المركبات التمييزية التي تميز سرطان معين، أي المؤشرات البيولوجية المحتملة. تمثل التحليلات غير المستهدفة مع SPME الموصوفة في هذه المقالة نقطة انطلاق في تطوير التشخيص السريع أثناء العملية ، حيث يمكن تحديد مجموعة مختارة من المركبات دون الحاجة إلى فحص جميع المركبات الموجودة في العينة. ولمصلحة النتائج التشخيصية السريعة، يمكن أن تقترن مسابير SPME المستخدمة في الاستخراج في الموقع مباشرة بالأجهزة التحليلية الموجودة في مرفق المستشفى. عمليات الاستخراج البسيطة التي يتم إجراؤها مع إعداد عينة الحد الأدنى متبوعاً بتحليل خلوي من الكروماتوغرافيا سيقلص بشكل كبير الوقت الإجمالي من ساعات إلى بضع دقائق، كما هو موضح بالفعل لمراقبة المخدرات15.
The authors have nothing to disclose.
وقد تم دعم الدراسة بمنحة هارمونيا 2015/18/M/ST4/00059 من المركز الوطني للعلوم. ويود المؤلفون أن يعترفون بميليبور سيغمما، وهي شركة تجارية من شركة ميرك كغا، دارمشتات، ألمانيا، لتوفيرها أجهزة SPME المستخدمة في هذا العمل. تعمل شركة ميرك في مجال علوم الحياة في الولايات المتحدة وكندا. أيضا، فإن المؤلفين يود أن أشكر ثيرمو فيشر العلمية للوصول إلى الطيف الكتلة المدارية Q-Exactive Focus.
مساهمات المؤلفين: JB: تحسين إعداد العينات والمعلمات LC-MS، أداء تجارب SPME-LC-MS، تحليل البيانات، التحليل الإحصائي وتفسير البيانات وإعداد المخطوطات المتعلقة بجزء من علم الدهون؛ PZG: تنسيق وأداء غالبية العينات في المستشفى، والاستفادة المثلى من المعلمات أخذ العينات وإعداد العينات، وأداء تجارب SPME-LC-MS، وتحليل البيانات، والتحليل الإحصائي وتفسير البيانات، وإعداد المخطوطات المتعلقة جزء المستقلبوميات؛ MG – المساعدة في تحسين إعداد العينة, LC-MS طريقة وتحليل البيانات المتعلقة جزء الدهون; KG: الأداء المشترك لأخذ العينات SPME وتعظيم الاستفادة المثلى من أخذ العينات وإعداد العينات، تحليل SPME-LC-MS المتعلقة جزء المستقلبوميكس؛ KC: أداء العديد من عينات SPME في المستشفى، والمساعدة في تحسين أخذ العينات، وإعداد العينات وتحليل البيانات المتعلقة بجزء المستقلبوميات؛ KJ: أداء العديد من أخذ العينات SPME في المستشفى, المساعدة في تحليل الدهون; DP: إجراء العمليات الجراحية، وتوظيف المرضى؛ JF: أداء العمليات الجراحية، وتوظيف المرضى؛ MH: أداء العمليات الجراحية، وتنسيق الجزء السريري من البحث؛ BB: مفهوم، تنسيق الإشراف على المشروع وإعداد المخطوطات، أداء عدة عينات
acetic acid | Honeywell | 49199 | Mobile phase additive, LCMS grade |
acetonitrile | Honeywell | 34967 | HPLC solvent, LCMS grade |
ammonium acetate | Honeywell | 14267 | Mobile phase additive, LCMS grade |
BenchMixer MultiTube Vortexer | Benchmark Scientific | BV1010* | Vortex mixer |
caps | Agilent | 5183-2076 | Blue scrw tp,pre-slit PTFE/Si septa |
Compound Discoverer 2.1 | Thermo Scientific | software for data processing | |
Discovery HS F5 Supelguar Cartridge 2 cm × 2.1 mm, 3 μm | Supelco | 567571-U | Guard Column |
Discovery HS F5, 2.1 mm x 100 mm, 3 μm | Merck | 567502-U | HPLC Column |
formic acid | Honeywell | 56302 | Mobile phase additive, LCMS grade |
glass vial inserts 250ul , deactivated | Agilent | 5181-8872 | |
glass vial inserts 350ul | Agilent | 5188-5321 | |
glass vials 1.5ml | Agilent | 5183-2030 | |
glass vials, 2 mL (amber, deactivated) | Agilent | 5183-2072 | |
glass vials, 2mL | Agilent | 5182-0715 | |
HILIC Luna 3 μm, 200A, 100 x 2.0 mm | Shim-Pol | PHX-00D-4449-B0 | HPLC Column |
isopropanol | Honeywell | 34965 | HPLC solvent, LCMS grade |
LipidSearch 4.1 | Thermo Scientific | software for data processing | |
Metaboanalyst | Xia Lab @ McGill | online software for statistical analysis (Chong, J., Wishart, D.S. and Xia, J. (2019) Using MetaboAnalyst 4.0 for Comprehensive and Integrative Metabolomics Data Analysis. Current Protocols in Bioinformatics 68, e86 ) | |
methanol | Honeywell | 34966 | HPLC solvent, LCMS grade |
Pierce LTQ Velos ESI Positive Ion Calibration Solution | Thermo Scientific | 88323 | |
Pierce Negative Ion Calibration Solution | Thermo Scientific | 88324 | |
Q Exactive Focus hybrid quadrupole-Orbitrap MS | Thermo Scientific | 726049 | Mass Spectrometer |
SecurityGuard cartridge for HILIC, 4 mm × 2.0 mm | Phenomenex | KJ0-4282 | Guard Column |
SeQuant ZIC-cHILIC 3µm,100Å 100 x 2.1 mm | Merck | 1506570001 | HPLC Column |
SeQuant ZIC-HILIC Guard Kit 20 x 2.1 mm | Supelco | 1504360001 | Guard column |
SPME LC fiber probes, C18 | Supelco | custom order | comercial probes: 57281-U; probes used in the experiment were not needle assembled and were precut to the length described in the protocol |
SPME LC fiber probes, mixed Mode | Supelco | custom order | |
UltiMate 3000 HPLC systems | Thermo Scientific | 5200.0345 | HPLC system |
water | Merck | 1153331000 | HPLC solvent, LCMS grade |
XSelect CSH C18 3.5μm 2.1x75mm | Waters | 186005644 | HPLC Column |
XSelect CSH C18 VanGuard Cartridge, 3.5 µm, 3.9×5 mm | Waters | 186007813 | Column cartidge |