Dieses Protokoll stellt eine integrierte Biorepository-Plattform für die standardisierte Sammlung, Annotation und Biobank von hochwertigen humanen Kammerwasser- und Glaskörper-Flüssigbiopsien für molekulare Downstream-Analysen, einschließlich Proteomik, Metabolomik und Glykomik, dar.
Eine entscheidende Herausforderung in der translationalen Forschung ist die Etablierung einer tragfähigen und effizienten Schnittstelle zwischen der Patientenversorgung im Operationssaal (OP) und dem Forschungslabor. Hier haben wir ein Protokoll entwickelt, um qualitativ hochwertige Flüssigbiopsien für molekulare Analysen aus dem Kammerwasser und dem Glaskörper von Patienten zu gewinnen, die sich einer Augenoperation unterziehen. In diesem Workflow wird ein MORLI-Wagen (Mobile Operating Room Lab Interface) verwendet, der mit einem Computer, einem Barcode-Scanner und Laborinstrumenten, einschließlich eines Kühlhauses an Bord, ausgestattet ist, um menschliche biologische Proben zu entnehmen und zu archivieren. Eine webbasierte, datenschutzkonforme Datenbank ermöglicht die Kommentierung jeder Probe während ihrer gesamten Lebensdauer, und ein kartesisches Koordinatensystem ermöglicht die Verfolgung jeder mit Barcode versehenen Probe im Lager, was einen schnellen und genauen Abruf von Proben für nachgelagerte Analysen ermöglicht. Die molekulare Charakterisierung menschlicher Gewebeproben dient nicht nur als diagnostisches Werkzeug (z. B. zur Unterscheidung zwischen infektiöser Endophthalmitis und anderen nicht-infektiösen intraokularen Entzündungen), sondern stellt auch einen wichtigen Bestandteil der translationalen Forschung dar, die die Identifizierung neuer Wirkstoffziele, die Entwicklung neuer diagnostischer Werkzeuge und personalisierter Therapeutika ermöglicht.
Die molekulare Profilierung von Flüssigbiopsien aus dem menschlichen Auge kann lokal angereicherte Flüssigkeiten erfassen, die Moleküle wie DNA, RNA, Proteine, Glykane und Metaboliten aus hochspezialisiertem Augengewebe enthalten. Flüssigbiopsien aus dem Glaskörper in der hinteren Augenkammer erwiesen sich als allgemein sicheres Verfahren1. Sie ermöglichen die molekulare Charakterisierung von Augenerkrankungen beim lebenden Menschen und bieten das Potenzial, neue diagnostische und therapeutische Strategien zu identifizieren 2,3,4. Das Kammerwasser in der vorderen Augenkammer ist noch besser chirurgisch zugänglich und kann in großer Zahl gewonnen werden, z. B. bei einer Kataraktoperation, die zu den am häufigsten durchgeführten Operationen gehört. Bisher ist jedoch kein standardisiertes Protokoll für die Sammlung, Annotation und Biobank von humanen Kammerwasser- und Glaskörper-Flüssigbiopsien für molekulare Downstream-Analysen, einschließlich Proteomik, Metabolomik und Glykomik, verfügbar.
Hier haben wir ein Protokoll für die Entnahme und das Biobanking von hochwertigen Flüssigbiopsien für molekulare Analysen von Patienten entwickelt, die sich einer Augenoperation unterziehen. Ein mobiles Labor-Interface für den Operationssaal (MORLI) ermöglicht es einem Forscher, die gesammelten Proben in kryorischen Fässern mit Barcode sofort auf Trockeneis bei -80 °C im Operationssaal (OR) einzufrieren. Dieses Verfahren gewährleistet eine hohe und gleichbleibende Probenqualität für die nachgelagerte molekulare Analyse. Neben einer exzellenten Probenqualität ist die genaue Annotation von Proben in einer Biobank von entscheidender Bedeutung. Unter Verwendung einer webbasierten HIPAA-konformen (Health Insurance Portability and Accountability Act)-konformen REDCap-Datenbank (Research Electronic Data Capture)5 ermöglicht unser Workflow die Speicherung detaillierter Metadaten für jede Probe, einschließlich Alter, Geschlecht, Krankheit, Krankheitsstadium, Probentyp und einzigartige Merkmale der Operation. Dies ermöglicht eine genaue zukünftige Suchkapazität, z. B. nach Proben einer bestimmten Krankheit oder einer bestimmten Patientengruppe. Darüber hinaus wird die genaue Position jeder Probe im Gefrierschrank über ein kartesisches Gittersystem archiviert, was eine effiziente Probenentnahme für nachgelagerte Experimente ermöglicht. Wir zeigen Beispiele für DNA-, Protein-, Glykan- und Metabolitenanalysen.
Unser Workflow stellt eine praktische und effektive Verbindung zwischen dem OP und dem Forschungslabor dar und bietet eine wertvolle Grundlage für die translationale Forschung.
Chirurgische Proben von Patienten ermöglichen eine direkte molekulare Charakterisierung von Krankheiten bei lebenden Menschen 2,3,4,14 und können dazu beitragen, die Einschränkungen von Zell- und Tierkrankheitsmodellen zu überwinden, die die menschliche Krankheit nicht vollständig rekapitulieren 15,16. Die molekulare Analyse von menschlichem Gewebe könnte die Auswahl neuer Wirkstoffziele verbessern und zu einer höheren Erfolgsquote bei klinischen Studien und Arzneimittelzulassungen beitragen17. Darüber hinaus bietet dieser Ansatz das Potenzial für eine personalisierte Medizin, da das erhaltene Gewebe den einzigartigen genomischen, epigenomischen, metabolomischen, glykomischen und proteomischen Fingerabdruck jedes Individuums behält 2,18,19.
Eine hohe und gleichbleibende Probenqualität ist für alle molekularen Analyseanwendungen von grundlegender Bedeutung. Frühere Studien haben gezeigt, dass das sofortige Einfrieren nach der Probenentnahme und die Vermeidung wiederholter Gefrier-/Auftauzyklen für hohe Probenqualitäten entscheidend sind 9,20. Die Langzeitlagerung über mehrere Jahre bei -70 °C hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Integrität des proteomischen Profils9. Ein standardisiertes Protokoll ist eine wichtige Grundlage, um Verzerrungen zu reduzieren und die Vergleichbarkeit wissenschaftlicher Daten zu verbessern, insbesondere wenn mehrere Personen (Chirurgen, Techniker und andere) oder verschiedene Institutionen am Probenahmeprozess beteiligt sind. Neben der Probenqualität ist die Annotation von Proben ein weiterer wichtiger Faktor, der standardisiert werden muss, um die Korrelation von molekularen Befunden mit klinischen Daten zu ermöglichen. Unser Protokoll stützt sich dabei auf drei wesentliche Prinzipien: 1) ein standardisiertes Probenahmeverfahren für Kammerwasser- und Glaskörperbiopsien durch einen Augenchirurgen, 2) die sofortige Verarbeitung und das Einfrieren von Proben im OP durch Laborpersonal und 3) eine Metadaten-Annotation jeder Probe in einer webbasierten Datenbank, die es den Forschern ermöglicht, Proben für spätere Experimente schnell zu finden.
Neben Glaskörperproben20 etabliert dieser Workflow auch die standardisierte Sammlung von Kammerwasser-Flüssigbiopsien für die molekulare Analyse. Das Kammerwasser ist eine leicht zugängliche, komplexe Flüssigkeit in der vorderen Augenkammer, die nicht nur Augenerkrankungen des vorderen, sondern auch des hinteren Augenabschnitts, einschließlich Netzhauterkrankungen, widerspiegelt18,21. Zusammen mit der Tatsache, dass z.B. bei der Kataraktoperation, einer der weltweit am häufigsten durchgeführten Operationen, eine hohe Anzahl von Kammerwasserproben entnommen werden konnte, machen diese Eigenschaften sie zu einer interessanten Quelle für Flüssigbiopsien aus dem menschlichen Auge. Die standardisierte Metadaten-Annotation jeder Probe, die in diesem Workflow erstellt wurde, könnte auch die Korrelation von Proteomdaten mit prospektiven klinischen Follow-up-Daten ermöglichen. Dies bietet die spannende Möglichkeit, neue prognostische Biomarker zu identifizieren, die helfen können, die Prognose für zukünftige Patienten abzuschätzen.
Die molekulare Analyse menschlicher chirurgischer Präparate weist jedoch auch wichtige Einschränkungen auf. So sind beispielsweise komplexe experimentelle Manipulationen oft nur in Tier- und Zellmodellen möglich. Eine Lösung könnte darin bestehen, das molekulare Profil von Tier- oder Zellmodellen mit dem von menschlichen Krankheiten zu vergleichen. Diese Strategie kann überlappende Protein-Biomarker und therapeutische Ziele identifizieren, die in Tier- oder Zellmodellen validiert werden können, um die vielversprechendsten Kandidaten zu identifizieren, die mit menschlichen Krankheiten korrelieren und wahrscheinlich in klinischen Studien erfolgreich sein werden 4,16.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unser Workflow eine praktische Schnittstelle zwischen dem OP und dem Forschungslabor darstellt, die eine standardisierte und hochdurchsatzfähige Sammlung, Annotation und Lagerung hochwertiger chirurgischer Proben für die molekulare Downstream-Analyse ermöglicht und eine wertvolle Grundlage für zukünftige translationale Forschung darstellt.
The authors have nothing to disclose.
VBM wird durch NIH-Zuschüsse (R01EY031952, R01EY031360, R01EY030151 und P30EY026877), das Stanford Center for Optic Disc Drusen und Research to Prevent Blindness, New York, USA, unterstützt. JW und DR werden von der VitreoRetinal Surgery Foundation, USA, unterstützt. DR wird durch das DARE Fellowship unterstützt, das von der Lundbeck Foundation gesponsert wird.
0.5ml Tri-coded Tube, 96-format, External Thread | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 68-0703-12 | used for aqueous humor samples |
1 mL syringe | surgical grade, whatever available in hospital | – | for aqueous humor biopsies |
1.9ml Tri-coded Tube, 48-format, External Thread | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 65-7643 | used for vitreous samples |
3 mL syringe | surgical grade, whatever available in hospital | – | for vitreous biopsies |
30-32-gauge needle | surgical grade, whatever available in hospital | – | for aqueous humor biopsies |
Capillary electrophoresis coupled with Fourier transformed mass spectrometry (CE-FTMS) | Human Metabolome Technologies, Inc., Tsuruoka, Japan | – | – |
Constellation vitrectomy system with 23-, 25-, or 27-gauge trocar cannula system | Alcon Laboratories Inc, Fort Worth, TX, USA | – | for vitreous biopsies |
Cooling box | Standard styrofoam box, whatever available in lab | – | – |
Dry ice | Whatever available in lab | – | – |
Handsfree Standard Range Scanner Kit with Shielded USB Cable | Zebra Symbol | DS9208-SR4NNU21Z | Barcode scanner |
Human Glycosylation Antibody Array L3 | RayBiotech, Peachtree Corners, GA, USA | GAH-GCM-L3 | – |
Mac mini | Apple Inc., Cupertino, CA 95014, USA | – | – |
MetaboAnalyst software | Pang et al., 2021, PMID: 34019663 | – | – |
Rack for 0.5ml tubes, 96-Format | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 66-51026 | for aqueous humor samples |
Rack for 1.9ml tubes, 48-Format | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 65-9451 | for vitreous samples |
REDCap browser-based sample database | REDCap Consortium, Vanderbilt University, https://www.project-redcap.org | – | – |