Este protocolo fue desarrollado y probado utilizando muestras recogidas como parte de estudios aprobados por la Junta de Revisión Institucional de la UCSF.

Figura 1: Procesamiento de muestras de secuenciación metagenómica de próxima generación (mNGS) del líquido cefalorraquídeo (LCR) y flujo de trabajo analítico para la detección de patógenos. Este diagrama muestra los pasos principales en las vías de laboratorio húmedo y bioinformática del MFC mNGS. Por favor, haz clic aquí para ver una versión ampliada de esta figura.
1. Consideraciones sobre el manejo de muestras de LCR
NOTA: los resultados de la mNGS son óptimos si la preparación de la biblioteca de LCR se realiza en el momento de la recogida, o si las muestras de LCR se conservan mediante congelación instantánea en nitrógeno líquido, seguida de almacenamiento a largo plazo a -80 °C 15. Alternativamente, el uso de soluciones conservantes como el escudo de ADN/ARN en el momento de la recogida de la muestra puede permitir su almacenamiento a temperatura ambiente durante períodos máslargos de tiempo 16,17. Esto puede ser preferible en situaciones en las que existen dudas sobre la fiabilidad de la cadena de frío. Además, evitar ciclos innecesarios de congelación-descongelación también puede ayudar a preservar la integridad de los ácidos nucleicos, y puede ser recomendable pre-alinear muestras en el momento de la recogida si se anticipan múltiples flujos de trabajo analíticos para las muestrasde LCR 18,19.
2. Extracción de ácido nucleico LCR
PRECAUCIÓN: Actúa en un armario adecuado de nivel de bioseguridad con guantes y bata de laboratorio para reducir el riesgo de transmisión de organismos infecciosos. Los reactivos son perjudiciales si se ingieren, inhalan o entran en contacto con la piel. Deshacerse de los materiales usados como residuos químicos peligrosos en cumplimiento de la normativa local.
- El Quick-DNA RNA/ARN Kit generalmente funciona bien para muestras con baja abundancia de ácidos nucleicos.
- Descongelar las muestras de LCR sobre hielo, luego transferir 100 μL–1 mL de cada muestra a un tubo de 1,5 mL y centrifugar a 16.000 x g a 4 °C durante 10 minutos.
- Con cuidado se pipetea el sobrenadante, dejando atrás la pelota (que a menudo es invisible a simple vista) y 100 μL de sobrenadante.
- Añadir 100 μL de escudo de ADN/ARN a los 100 μL restantes de sobrenadante y pellet, y mezclar bien con pipeta.
- Luego, añade 600 μL de mezcla de tampón de lisis de ADN/ARN y pipetas hasta que la solución sea homogénea.
- Seguir el resto del protocolo de extracción de ADN/ARN tal y como lo describe el fabricante en los Anexos Suplementarios A, con las siguientes modificaciones importantes específicas para el LCR:
- Realiza todos los pasos de centrifugación durante 1 minuto a máxima velocidad (~21.000 x g) excepto el último paso de lavado de ADN/ARN, que debería durar 3 minutos a máxima velocidad.
- Eluir la muestra añadiendo 22 μL (en lugar de 25 μL) de agua libre de nucleasas directamente sobre la matriz columna, y luego incubar durante 3 minutos a temperatura ambiente. El mayor volumen generalmente resulta en una mayor cantidad total de ácido nucleico eluido de la columna.
- Tras la elución, pipete el flujo de paso de nuevo sobre la matriz de columna y centrifuga de nuevo durante un minuto a máxima velocidad. Transfiere la muestra a un nuevo tubo de almacenamiento de 1,5 mL y proceda inmediatamente a la preparación de la biblioteca o alódalo a -80 °C.
3. Preparación de bibliotecas de ARN de LCR
PRECAUCIÓN: Actúa en un armario de bioseguridad adecuado, usando guantes y bata de laboratorio. Los reactivos son perjudiciales si se ingieren, inhalan o entran en contacto con la piel. Deshacerse de los materiales usados como residuos químicos peligrosos en cumplimiento de la normativa local.
NOTA: Consideraciones importantes antes de comenzar: se prefiere el agotamiento del ARNr sobre el enriquecimiento por poliadenilación para aislar ARNm, dado que el agotamiento del ARNr no requiere pasos adicionales de limpieza de perlas (lo que puede reducir el rendimiento de ARNm utilizable), y algunos transcritos virus de ARN neuroinvasivos carecen de poliadenilación. El ERCC (consorcio externo de controles de ARN) puede añadirse el SPIKE-In de ARN como medida de control de calidad, aunque no es estrictamente necesario. Si el ARN se almacenó a -80 °C tras la extracción, descongela sobre hielo antes de comenzar.
- Fragmentación y cebado de ARN: Mezclar lo siguiente en un tubo de reacción en cadena de la polimerasa (PCR): muestra de ARN de 3,5 μL, 0,5 μL de spike-in diluido de ERCC, amortiguador de reacción de primera cadena de 4 μL (5x), cebadores aleatorios de 1 μL y 1 μL de ARNr diluido 1:100 (Tabla de Materiales). En un termociclador, coloca la tapa calentada a 105 °C e incuba las muestras a 75 °C durante 2 minutos, 70 °C durante 2 minutos, 65 °C durante 2 minutos, 60 °C durante 2 minutos, 55 °C durante 2 minutos, 37 °C durante 5 minutos y 25 °C durante 5 minutos.
- Síntesis de ADNc de primera cadena: Mezclar el ARN fragmentado y cebado (10 μL) con 8 μL de agua libre de nucleasa y mezcla enzimática de síntesis de primera cadena de 2 μL. En un termociclador, ajusta la tapa calentada a 105 °C e incuba las muestras a 25 °C durante 10 minutos, 42 °C durante 15 minutos y 70 °C durante 15 minutos.
- Síntesis de cDNA de segunda cadena: Mezcla en pipeta el ADN sintetizado en primera cadena (20 μL) con 8 μL de tampón de reacción de síntesis de segunda cadena, mezcla enzimática de síntesis de segunda cadena de 4 μL y agua libre de nucleasa de 48 μL. En un termociclador, incuba las muestras durante 1 hora a 16 °C, con la tapa calefactada apagada.
- Realizar una purificación de perlas magnéticas (Apéndices Suplementarios B) utilizando una proporción de 1,8x de perlas magnéticas SPRI (144 μL). Eluir en agua libre de nucleasa de 53 μL y transferir 50 μL del sobrenadante final (que contiene ADN de doble cadena purificado) a un tubo PCR limpio y libre de nucleasa. En este punto, las muestras pueden congelarse de forma segura a -20 °C durante la noche si es necesario.
- Preparación final de la biblioteca de ADNc: Si la muestra se almacenó a -20 °C durante la noche, descongela sobre hielo antes de reiniciar. Mezcla la ds-cDNA purificada (50 μL) con 7 μL de tampón de reacción de preparación final y 3 μL de mezcla enzimática de preparación final.
- En un termociclador, incuba las muestras a 20 °C durante 30 minutos y a 65 °C durante 30 minutos, con la tapa calefactada apagada.
- Ligación del adaptador (realiza este paso sobre hielo): Crea una dilución 1:100 del adaptador en agua libre de nucleasa. Pipete la mezcla de reacción de preparación final (60 μL) en un tubo que contenga mezcla maestra de ligadura de 30 μL, potenciador de ligadura de 1 μL y adaptador diluido 1:100 de 2,5 μL. Asegúrate de que el adaptador se añada por separado (por ejemplo, no premezclado con la mezcla maestra de ligación o el potenciador de ligación) para evitar la formación de dímeros adaptadores.
- En un termociclador, incuba las muestras a 20 °C durante 15 minutos, con la tapa calefactada apagada.
- Proceder inmediatamente a la purificación de perlas magnéticas (Apéndice Suplementario 2) usando una proporción de 0,9x de perlas magnéticas SPRI (87 μL).
- Eluye en agua libre de nucleasa de 17 μL y transfiere 15 μL del sobrenadante final a un tubo PCR limpio sin nucleasas
- PCR por código de barras: Pipetear el ADNc purificado y ligado por adaptador (15 μL) en un tubo con enzima USER de 3 μL, mezcla maestra Q5 de 25 μL y cebadores únicos con código de barras de 10 μL. En un termociclador, se ajusta la tapa calentada a 105 °C, incuba las muestras a 37 °C durante 15 minutos, luego a 98 °C durante 30 s, y después realiza 19 ciclos de 98 °C durante 10 s y 65 °C durante 75 s. Termina la PCR incubando a 65 °C durante 5 minutos.
- Realizar una purificación final de perlas magnéticas usando una proporción de 0,8x de perlas magnéticas (43 μL). Eluir en agua libre de nucleasa de 23 μL y, tras el paso final de separación de las perlas, transferir 20 μL a un tubo de PCR limpio y libre de nucleasa. En este punto, las muestras pueden congelarse de forma segura a -20 °C durante la noche si es necesario.
4. Preparación de la biblioteca de ADN de LCR
PRECAUCIÓN: Actúa en un armario adecuado de nivel de bioseguridad con guantes y bata de laboratorio. Los reactivos son perjudiciales si se ingieren, inhalan o entran en contacto con la piel. Deshacerse de los materiales usados como residuos químicos peligrosos en cumplimiento de la normativa local.
- Si el ADN extraído se almacenó a -20 °C durante la noche, descongela sobre hielo antes de reiniciar.
- Fragmentación del ADN y preparación final: Mezclar cuidadosamente el tampón de reacción de primera cadena mediante vórtices y pipetas mezclando la solución para resuspender cualquier precipitado. Mezcla de pipetas 3,5 μL del ADN extraído, 22,5 μL de agua libre de nucleasa, 7 μL de tampón de reacción de primera cadena y 2 μL de mezcla enzimática de primera hebra.
- En un termociclador, pon la tapa calentada a 105 °C e incuba las muestras a 37 °C durante 5 minutos, luego a 65 °C durante 30 minutos.
- El proceso de ligación de adaptador y PCR con codificación de barras es idéntico para las bibliotecas de ADN y ARN. Repite las secciones 7–10 de la "Preparación de la Biblioteca de ARN de LCR" con el ADN fragmentado y preparado para completar la preparación de la biblioteca de ADN.
5. Control de calidad y agrupación de bibliotecas
- Cuantifica la concentración de las bibliotecas de muestras mediante el kit de cuantificación de ADN y el fluorómetro correspondiente. Los controles de agua deberían tener concentraciones sustancialmente menores (o no cuantificables) en comparación con el resto de las muestras.
- Evalúa el tamaño de la biblioteca de muestras pasando las muestras en una máquina automática de electroforesis capilar.
- Alternativamente, si no dispone de una máquina automática de electroforesis capilar, amplificar aún más 1-2 μL de la muestra realizando una reacción PCR con cebadores universales Illumina, y luego realizar electroforesis de 10 μL del producto final sobre un gel de agarosa al 2%. Deshacerse de los materiales usados como residuos químicos peligrosos en cumplimiento de la normativa local.
NOTA: La longitud óptima de la biblioteca es aproximadamente de 400–500 pares de bases, por lo que las futuras incubaciones de fragmentación deben ajustarse en consecuencia si los tamaños de la biblioteca son mayores o más cortos de lo deseado. Además, es fundamental evaluar la presencia de dímeros adaptadores, que tienen aproximadamente 150 pares de bases de longitud y ocurren cuando dos moléculas adaptadoras se ligan accidentalmente sin una secuencia de inserción. Incluso si están presentes en pequeñas cantidades, los dímeros adaptadores tienden a agruparse y secuenciar eficientemente en la celda de flujo, reduciendo la proporción de lecturas útiles durante una secuenciación. Por tanto, si hay dímeros adaptadores, realiza una purificación adicional de perlas magnéticas con una proporción de 0,8x de perlas magnéticas SPRI. (Cabe destacar que, si el >10% de la muestra es un dímero adaptador, puede ser necesario 2-3 rondas de purificación de perlas magnéticas para eliminar la mayoría de los dímeros adaptadores).
- Para asegurar una profundidad similar de secuenciación entre muestras dentro de la misma secuenciación, es necesario agrupar cantidades equimolares de cada muestra. Si los tamaños de las bibliotecas son comparables en todas las muestras, simplemente agrupa masas equivalentes de cada biblioteca de ARN y repite por separado para cada biblioteca de ADN.
6. Consideraciones de secuenciación
- Las muestras agrupadas ya están listas para secuenciar en dispositivos de secuenciación Illumina. Si se secuencia internamente (en lugar de a través de una instalación especializada de núcleo de secuenciación), desnaturaliza y diluye cuidadosamente las bibliotecas agrupadas según las instrucciones del dispositivo de secuenciación antes de cargar la piscina en el cartucho de reactivo (la concentración típica es de 4 nM para la mayoría de las plataformas de secuenciación Illumina).
- Calcula la profundidad estimada de secuenciación dividiendo el rendimiento esperado de datos para la celda de flujo Illumina por el número de muestras multiplexadas en la ejecución.
NOTA: La determinación de la profundidad de secuenciación deseada depende de varios factores, incluyendo el coste, el dispositivo de secuenciación utilizado y los objetivos del experimento. A continuación se presentan dos ejemplos de diferentes profundidades de secuenciación en la sección de Resultados Representativos.
7. Análisis de datos para la detección de patógenos
- Utiliza la plataforma web de código abierto Chan Zuckerberg ID (CZID, https://www.czid.org, Illumina mNGS Pipeline v8.3) para realizar el análisis metagenómico para la detección de patógenos. CZID también incluye opciones para subir muestras mediante interfaz de línea de comandos y transferir directamente desde una cuenta Illumina BaseSpace a CZID. Una visión detallada del análisis de datos CZID mNGS está disponible en https://chanzuckerberg.zendesk.com/hc/en-us/articles/13770737266196-Guide-to-mNGS-Data-Analysis
- Inicia sesión en CZID, haz clic en "subir", selecciona "metagenómica" para el tipo de análisis y selecciona los archivos fastq de entrada de la secuenciación. Introduce la información necesaria para cada muestra, incluyendo el nombre de la muestra, el tipo de muestra (LCR) y el nucleótido (ARN o ADN).
NOTA: Los archivos subidos se procesan automáticamente a través de la tubería CZID, que incorpora varias herramientas computacionales como STAR, Bowtie2, Trimmomatic, PriceSeq y GSNAP, entre otras, para eliminar lecturas de baja calidad y secuencias de lectura humanas. La tubería luego alinea y ensambla las secuencias filtradas utilizando las bases de datos de nucleótidos (NT) y proteínas (NR) del Centro Nacional de Información Biotecnológica (NCBI) mediante los programas de software Minimap2 y DIAMOND, respectivamente. La salida final del CZID incluye los conteos de taxones NT/NR y los conteos contiguos (segmentos contiguos y superpuestos generados durante el ensamblaje) para cada muestra.
- Una vez procesado, haz clic en la carpeta del proyecto que contiene las muestras y accede al panel de resumen.
- Desplázate hacia abajo para examinar el número de lecturas por muestra (y comparar con el número esperado de lecturas basándose en la celda de flujo Illumina utilizada y el número de muestras multiplexadas en la secuenciación), el porcentaje de lecturas que superan el filtro de control de calidad y la relación de compresión duplicada para evaluar si hay sobreamplificación sesgada por PCR.
- La presencia de contaminación por fragmentos de ácido nucleico ambiental —ya sea adquiridos durante el proceso de recogida de muestras de LCR o durante la extracción/preparación de la biblioteca— es un fenómenocomún 20. Para determinar si las lecturas bacterianas, fúngicas y parasitarias son verdaderos positivos, se pueden considerar métodos potenciales que utilizan los conteos normalizados de lecturas (lecturas por millón, o rPM):
- Crear un modelo de fondo (por ejemplo, usando muestras de agua que hayan sido extraídas, preparadas y secuenciadas) directamente dentro de CZID para filtrar cualquier taxón con rPMs que sean similares o menores en abundancia respecto al modelo de fondo (y, por tanto, que probablemente representen contaminación). Dentro de la carpeta del proyecto, comprueba cada una de las muestras de control de agua y luego haz clic en "modelo de fondo" para crear. Al analizar cada muestra, selecciona el modelo de fondo y haz clic en "filtros umbral" para aplicar una "NTZ Score" > 1 (o superior) para filtrar los posibles contaminantes.
- Utiliza umbrales de rPM predefinidos, comola muestra de rpM > 10* (controles de rpm medio), o log10 (muestra de rPM) al menos 1 logaritarítmic mayor que logarítmic 10 (rPMpromedio de toda la cohorte). Primero, descarga el rpm específico del taxón para cada muestra marcando cada muestra en la página del proyecto, haciendo clic en descargar y seleccionando "Resultados combinados de taxones de muestras". El archivo de .csv resultante puede analizarse utilizando software estadístico como R o Stata según se desee.
NOTA: Dada la menor abundancia relativa de patógenos virales, cualquier virus con potencial neuroinvasivo conocido y al menos una lectura alineada con el genoma viral debe considerarse un resultado positivo (y, idealmente, confirmarse mediante mNGS repetida o pruebas clínicas específicas del patógeno). Además, la cadena analítica requiere que cada lectura en el archivo fastq esté alineada computacionalmente con el genoma de referencia más probable en la base de datos NCBI. Como resultado, algunas lecturas pueden ser relativamente no específicas para un patógeno particular y teóricamente podrían haberse alineado con una amplia gama de organismos en lugar del taxón específico asignado en la CZID. Dado este riesgo, la confirmación manual de las llamadas positivas debe realizarse confirmando la alineación mediante la herramienta web NCBI BLAST (las lecturas específicas de un taxón pueden enviarse directamente de CZID a NCBI BLAST haciendo clic en el icono de explosión junto al taxón correspondiente).