Hier haben wir unsere Methode zur Detektion und Quantifizierung der Allelhäufigkeit von Tumormutationen in cfDNA aus der flüssigen Biopsie des Patienten vorgestellt. Wir betonen wichtige Schritte für den Erfolg dieser Methode, einschließlich voranalytischer Probenverarbeitung, cfDNA-Extraktion, PCR-Assay-Design und Datenanalyse. Zur Begrenzung des verwendeten Probenvolumens wird cfDNA aus 1 ml Plasma, aber nur 500 l CSF extrahiert. Bei der Extraktion aus CSF wird gemäß der Empfehlung des Herstellers das Protokoll zur Extraktion aus 1 ml Urin (nach dem cfDNA-ExtraktionskitHandbuch 12) verwendet. Der Unterschied im Probenvolumen zwischen Plasma und CSF ist auf niedrigere Mengen an tumorspezifischer cfDNA im Plasma im Vergleich zu CSF von Patienten mit Hirntumoren zurückzuführen, was größere Probenvolumina für die Mutationsdetektion erforderlich macht8. Wenn die Probe verfügbar ist, können mehr als 1 ml Plasma extrahiert werden, um eine höhere DNA-Ausbeute zu erzielen. Bei pädiatrischen Patienten ist es jedoch wichtig, die Menge des verwendeten Blutes zu minimieren, wann immer dies möglich ist, da selbst ein einfaches Verfahren wie die Blutentnahme für pädiatrische Patienten mit Krebs, die sich einer Strahlentherapie unterziehen, ermüdet. Die Extraktion aus 1 ml Aliquots Plasma ermöglicht auch Replizierungen, so dass der Assay wiederholt werden kann (z. B. bei Versagen bei der DNA-Extraktion oder Probenkontamination).
Um die nicht unbedingt erforderliche Verwendung von Proben zu reduzieren, wird cfDNA in der Regel nicht quantifiziert. Wir haben jedoch einen Bereich von cfDNA-Konzentrationen zwischen 0,2-2 ng/l bzw. 0,6-13 ng/l im Plasma bzw. CSF gefunden. Angesichts der geringen Menge an cfDNA und der Tatsache, dass tumorspezifische mutierte Allele in geringer Häufigkeit vorhanden sind, ist ein Vorverstärkungsschritt mit den gleichen Primern, die für dPCR verwendet werden, erforderlich, um die Menge der Ziel-DNA in der Probe signifikant zu erhöhen, Mutationserkennung8. Die Verdünnung des vorverstärkten Produkts im DNA-Suspensionspuffer bietet ausreichend Volumen für technische Replikationen, was bei der Unterscheidung wahrer Positivwerte hilft. Da die Anzahl der mutierten Tröpfchen gering sein kann (z. B. zwischen 0-2 mutierten Tröpfchen in einer Plasmaprobe), ist die Einbeziehung technischer Replikationen der Schlüssel zur Lösung des Mutationsstatus. Während eine PCR-Bohrung 0 mutierte Tröpfchen ergeben kann, können die anderen beiden 1-2 für eine einzelne Plasmaprobe ergeben, die in Dreifacher Richtung analysiert wird; Daher ermöglicht die Einbeziehung von Replikationen eine höhere Genauigkeit bei der Bestimmung des Mutationsstatus. Der MAF wird dann als Durchschnitt der Replikationswerte berechnet.
Multiplexierte Vorverstärkung (vorverstärkender Wildtyp und mutierte Allelen zweier Mutationen von Interesse) erhöht den Nutzen einer einzelnen Probe, da das gleiche Ausgangsmaterial verwendet werden kann, um auf zwei Mutationen zu testen. Wichtig ist, dass ein Multiplex-Vorverstärkerprodukt während dPCR in Singleplex analysiert werden kann, um die Einfachheit zu erhöhen, wie hier beschrieben. Sowohl Die Vorverstärkungs-PCR als auch dPCR können jedoch multiplexiert sein. Beim Multiplexieren müssen die Bedingungen sowohl für Primer- als auch für Sonden optimiert werden: Die Glühtemperaturen müssen ähnlich sein, um in der PCR-Verstärkung zusammen zu laufen, und Sonden sollten so konzipiert sein, dass sie unterschiedliche Cluster erzeugen (basierend auf Fluoreszenzsignal und Intensität). Führen Sie bei der Validierung eines neuen Satzes von Primern und Sonden einen Glühtemperaturgradienten aus, um die optimale Glühtemperatur basierend auf dem vom Hersteller vorgeschlagenen Bereich zu bestimmen. Vor der Prüfung von Sonden an patienten cfDNA-Proben validieren Sie sie mit synthetischen DNA-Konstrukten und/oder Tumorgewebe-gDNA verschiedener Eingänge (d. h. bis zu 10 ng).
Für den Nachweis von mutierten Allelen mit größerer Spezifität und reduzierter Diskrepanz bei der Hybridisierung der Sonde zur Ziel-DNA werden gesperrte Nukleinsäures (LNA)-Sonden verwendet. LNA ist ein Nukleinsäure-Analog mit einer Methylenbrücke, die den 2'-Sauerstoff und 4'-Kohlenstoff des Riboserings9verbindet. Die Methylenbrücke sperrt die Nukleinsäure in eine starre bizyklische Konformation, die die Flexibilität einschränkt, die thermische Duplexstabilität erhöht und die Spezifität der Sondenhybridisierung auf die Ziel-DNA10,18 , verbessert. 19. Wenn eine einzige Basisübereinstimmung zwischen LNA-Sonde und Vorlagen-DNA besteht, destabilisiert sich die Duplexbildung zwischen Sonde und Ziel. Als solche verbessern LNA-Sonden die Spezifität der Sondenbindung und führen zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis11. Die Analyse von Plasma und CSF von nicht-CNS-kranken pädiatrischen Patienten hat die Spezifität unseres Tests mit LNA-Sonden auf H3F3A p.K27M festgestellt, um festzustellen, dass eine allelische Häufigkeit von etwa 0,001% als falsch positiv angesehen wird. 8. Weitere Überlegungen zur Optimierung des Designs von Sonden und Primern, einschließlich GC-Gehalt, Amplicongröße, Sondenreporterfarbstoffen und Quenchern, finden Sie in den dPCR-Herstellerrichtlinien14,17. Obwohl unsere Methode für die Verwendung mit dem RainDance-System optimiert ist, kann das Protokoll für die Verwendung mit anderen dPCR-Plattformen angepasst werden.
Die hier vorgestellte Methode schöpft Kraft aus der hohen Empfindlichkeit und Zielanreicherung durch dPCR, die nach wie vor die Plattform der Wahl für den Nachweis seltener Tumormutationen in cfDNA ist. Obwohl leistungsstark, ist dPCR in der Anzahl der Mutationen begrenzt, auf die in einem einzigen Test getestet werden kann. Eine Alternative zu dPCR ist die Sequenzierung der nächsten Generation (NGS), die mehrere Mutationen über viele Gene erkennen kann, was den Nutzen einer einzelnen Probe erhöht. NGS kann Mutationen in CSF und Plasma von Patienten mit Hirnstammgliomen20erkennen, ist jedoch derzeit weniger empfindlich als dPCR bei der Erkennung von Tumormutationen in cfDNA, mit Nachweisgrenzen von 0,1-10% MAF im Vergleich zu 0,001% bei PCR-basierten Ansätzen21 . dPCR erreicht außerdem eine schnellere Durchlaufzeit als NGS, was eine schnelle Erkennung von Interessensmutationen ermöglicht. Der PCR-Ansatz ist bei Krebsarten anwendbar und kann erweitert werden, um Hotspot-Mutationen und methylierte cfDNA22zu erkennen.
Die flüssige Biopsie steckt in der Tat noch in den Kinderschuhen und wird eine Weiterentwicklung für die Anpassung an bestimmte Krankheiten erfordern. Die Tumorüberwachung im Kontext der Tumorentwicklung wird die nächste Herausforderung sein, bei der eine Plattform erforderlich wäre, die in der Lage ist, neu auftretende Mutationen mit hoher Empfindlichkeit zu erkennen. Darüber hinaus werden Plattformen, die in der Lage sind, eine Vielzahl von Biomolekülen (Peptide, Zytokine, RNA) zu detektieren, bei der Beurteilung der Tumorreaktion auf die Behandlung sowie bei der Weiterentwicklung personalisierter klinischer Interventionen von großem Nutzen sein.