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Die Formalinfixierung mit anschließender Paraffineinbettung (FFPE) ist ein Standardverfahren zur Langzeitkonservierung pathologischer Proben im Biobanking1. Diese Proben stellen eine wertvolle Quelle für histologische Studien sowie molekulare Analysen, insbesondere genetische Studien,dar 2. Weitere Vorteile von FFPE-Geweben sind eine bessere Langzeitlagerung, geringere Kosten und einfachere Lagerbedingungen. Unsere Absicht ist es, ein zuverlässiges und einfach zu handhabendes Protokoll für die reproduzierbare Nukleinsäureisolierung aus kleinen Mengen von FFPE-Schnitten bereitzustellen, da eine qualitativ hochwertige DNA-Extraktion der erste entscheidende Schritt in einer Vielzahl von molekularen Techniken ist und FFPE-Gewebe die am besten verfügbare Probenquelle sind.
Neue wissenschaftliche Ansätze, wie z. B. Next-Generation-Sequencing (NGS) und "Omics"-Forschungsansätze, erfordern eine hohe Qualität der Nukleinsäuren 3,4,5. Die Extraktion von DNA aus FFPE-Gewebeproben ist nach wie vor eine Herausforderung. DNA aus FFPE-Proben kann je nach Alter und Fixierungsbedingungen in Qualität und Quantität stark variieren. Formalin, die am häufigsten verwendete Verbindung, führt zur DNA-Protein-Vernetzung 6,7,8 und bewirkt einen unspezifischen zufälligen Bruch in der Nukleotidsequenz9. Dies kann sich erheblich auf nachgelagerte genomische Analysen auswirken, da die Vernetzung die Amplifikation der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) deaktivieren kann 6,10. Aufgrund von Verunreinigungen während des Fixierungsprozesses ist die Reinheit der aus FFPE-Proben isolierten DNA oft eingeschränkt. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden zur DNA-Isolierung etabliert, meist aus Krebsgewebeproben 2,11,12,13.
Generell können Protokolle für die Extraktion von Nukleinsäuren aus FFPE-Gewebe in drei Hauptgruppen unterschieden werden. Die erste, am häufigsten verwendete Gruppe von Verfahren umfasst kommerziell erhältliche Säulensysteme auf Kieselsäurebasis14. Die zweite Gruppe umfasst manuelle Extraktionsmethoden in der organischen Phase mit Phenol und Chloroform, die erstmals von Joseph Sambrook und David W. Russellbeschrieben wurden 15. Als dritte Gruppe haben sich in den letzten Jahren automatisierte Systeme etabliert, wie z.B. Liquid-Handling-Systeme sowie paramagnetische partikelbasierte Systeme16. Jedes der drei genannten Systeme hat unterschiedliche Vor- und Nachteile, wie z. B. gefährliche Chemikalien (d. h. Xylol, Phenol, Chloroform), hohe Kosten17, Arbeitskraft18 und Zeitaufwand19. Insbesondere für die schwierigen Gewebeproben sowie Hochdurchsatzanalysen sind Standardisierung, Reproduzierbarkeit, relativ geringer Zeit-, Personal- und Kostenaufwand die wichtigsten Merkmale bei der Suche nach einem geeigneten Verfahren zur Nukleinsäureisolierung20. Es ist bekannt, dass automatisierte Extraktionsmethoden bessere reproduzierbare Ergebnisse liefern und für kleine Biopsien empfindlicher sind. Darüber hinaus wird weniger Gewebe oder Blut benötigt und das Risiko einer Verstopfung des Systems durch hohe Mengen an Paraffin wird reduziert. Obwohl Maschinen zur automatisierten Nukleinsäureextraktion und die benötigten Kits im Vergleich zu manuellen Methoden teurer sind, überzeugen sie dennoch durch weniger problematische Extraktionsprozesse. Die Literaturrecherche bietet eine Vielzahl von Publikationen, die einen direkten Vergleich zwischen manuellen, säulenbasierten und automatisierten DNA- und RNA-Extraktionsmethoden aus verschiedenen Geweben und Organismen wie Pflanzen, Tieren und Menschen sowie Zellen in Kultur veranschaulichen 20,21,22. Es gibt auch Hinweise in der Literatur, die zeigen, dass DNA und RNA, die aus 10 Jahre altem schockgefrorenem Gewebe isoliert wurden, für nachgelagerte Analysen wie PCR, quantitative PCR, NGS, Methylierungsanalysen und Klonierungverwendet werden können 9,23,24,25,26.
Das Hauptproblem bei z.B. gealtertem humanem Gefäßgewebe sowie kleinen Gewebebiopsien, insbesondere bei FFPE-Proben, ist der Mangel an Zellen in den stark verkalkten atherosklerotischen Läsionen, was folglich zu niedrigen Konzentrationen von Nukleinsäurenführt 1. Obwohl mehrere Methoden zur DNA-Extraktion aus FFPE-Gewebe bereits etabliert und weit verbreitet sind, erfordern die manuellen Probenvorbereitungsmethoden eine lange praktische Zeit27 und toxische Reagenzien wie Xylol oder Phenol sind für die Entparaffinisierung erforderlich2. Wie beschrieben, ist der Entparaffinierungsprozess ein entscheidender, zeitaufwändiger Schritt (z. B. etwa 30 Minuten), der die Qualität und Quantität der extrahierten DNA deutlich beeinflusst (z. B. toxische Wirkungen auf die DNA, wie z. B. Fragmentierung und Abbau der Entparaffinierungslösung und hohe Temperaturen)28. Kürzlich entwickelte neue DNA-Extraktionsprotokolle konzentrieren sich auf die Verwendung anderer ungiftiger Entparaffinierungslösungen, Reparaturstrategien und automatisierter Bead-Technologien. Insbesondere hat sich gezeigt, dass automatisierte und halbautomatische Methoden bei der DNA-Extraktion erfolgreich sind, da sie eine effiziente Rückgewinnung, keine Kreuzkontamination und eine einfache Leistung aufweisen29. Wir haben ein Protokoll etabliert, das diese Einschränkungen überwindet. Dadurch ermöglicht unsere Technik eine Reduzierung der Bearbeitungs- und Hands-on-Zeit bei höchsten quantitativen und qualitativen Standards.
Insbesondere bei reproduzierbaren Hochdurchsatzanalysen wie Genotypisierung, epigenomischen Studien und RNA-Sequenzierung ist die Handhabung von FFPE-Proben mit säulenbasierten Aufreinigungssystemen oft schwierig und zeitaufwändig (z. B. lange Entparaffinisierungsschritte, Säulenverstopfung und lange Hands-on-Zeiten). Das Hauptproblem ist die Verstopfung der Kieselsäuremembranen durch den hohen Paraffingehalt. Weitere Umstände, die die Isolierung von hochwertigen Nukleinsäuren verschlechtern können, sind kleine Gewebemengen wie Mikrobiopsien der Haut, kleines Mausgewebe, sehr fettiges oder verkalktes Gewebe wie Plaques, verknöchertes Gewebe und gealterte Proben. Insbesondere in der Diagnose und Forensik sind automatisierte und halbautomatische Systeme wie Liquid Handling oder paramagnetische partikelbasierte Extraktionsmethoden in den letzten Jahren immer wichtiger geworden30,31, vor allem aufgrund der relativ geringen Hands-on-Zeiten und der Möglichkeit der Standardisierung. Die meisten der bereits veröffentlichten Protokolle eignen sich perfekt für glatte Gewebe mit hohen oder mittleren Zellmengen, wie z. B. Tumorbiopsien oder Pflanzengewebe 13,22,32. Die Literatur über Methoden für halbautomatische partikelbasierte Methoden, die zur Isolierung von DNA aus relativ schwer zu handhabendem Gewebe wie fixierten Einzelzellen, verkalkten Gefäßen, kollagenreichem Gewebe und Fettgewebe mit geringer Zellzahl verwendet werden, ist nur unzureichend beschrieben33.
In dieser Arbeit wird eine optimierte halbautomatische Methode zur DNA-Isolierung aus vaskulären Paraffin-eingebetteten Schnitten beschrieben und mit zwei manuellen säulenbasierten Protokollen verglichen. Für die Validierung wurden die DNA-Menge, die Reinheit und das Ausmaß der Fragmentierung verwendet. Als Ausgangspunkt diente das kommerziell erhältliche Blut-DNA-Protokoll, und die manuellen Schritte des halbautomatischen Systems wurden anschließend für die Verwendung von FFPE sowie frischen gefrorenen Gewebeproben aus menschlichem und tierischem Gewebe optimiert, wobei Schritte aus dem FFPE- und dem Gewebeprotokoll kombiniert wurden. Der automatisierte Schritt dieses Protokolls ist auf dem Gerät vorinstalliert und hängt vom verwendeten Kit (hier dem Blut-DNA-Kit) ab. Mit dem beschriebenen halbautomatischen kartuschenbasierten System ist es möglich, DNA aus Blut, frisch gefrorenem Gewebe, formalinfixiertem Gewebe und sogar einzelnen Zellen mit dem gleichen Protokoll, der gleichen Maschine, dem gleichen Kit und den gleichen Verbrauchsmaterialien zu isolieren, anstatt verschiedene Protokolle und Kits für das Instrument zu verwenden, wie es vom Unternehmen empfohlen wird. Es gibt nur geringfügige Unterschiede in den Protokollen, wie z.B. einen Puffer und einige Inkubationszeiten für die verschiedenen Anwendungen, was dieses Protokoll sehr nützlich für die Extraktion von DNA aus allen Arten von Geweben macht. Unser Protokoll ist in erster Linie für verkalktes, zellarmes und fibröses menschliches Gefäßgewebe optimiert, kann aber natürlich für alle Arten von schwierigen Geweben, die oben erwähnt wurden, verwendet und weiter optimiert werden.
Zusammengefasst bieten wir Forschern im kardiovaskulären Bereich, die sich mit Atherosklerose (z. B. Aorta, Halsschlagadern, Koronararterien) befassen, ein einfach zu bedienendes Punkt-für-Punkt-Protokoll für die halbautomatische DNA-Extraktion aus vaskulären FFPE-Proben.