このプロトコルは、プロテオミクス、メタボロミクス、グライコミクスなどの分子ダウンストリーム分析のための高品質のヒト房水および硝子体リキッドバイオプシーの標準化された収集、アノテーション、およびバイオバンキングのための統合バイオリポジトリプラットフォームを提供します。
このプロトコルは、プロテオミクス、メタボロミクス、グライコミクスなどの分子ダウンストリーム分析のための高品質のヒト房水および硝子体リキッドバイオプシーの標準化された収集、アノテーション、およびバイオバンキングのための統合バイオリポジトリプラットフォームを提供します。
トランスレーショナルリサーチにおける重要な課題は、手術室(OR)での患者ケアと研究室の間の実行可能で効率的なインターフェースを確立することです。ここでは、眼科手術を受けた患者の房水および硝子体から分子解析のための高品質のリキッドバイオプシーを取得するためのプロトコルを開発しました。このワークフローでは、コンピューター、バーコードスキャナー、およびオンボードの冷蔵倉庫を含むラボ機器を備えたモバイル手術室ラボインターフェイス(MORLI)カートを使用して、ヒトの生物学的サンプルを取得およびアーカイブします。Webベースのデータプライバシーに準拠したデータベースにより、各サンプルにその寿命にわたって注釈を付けることができ、デカルト座標系により、保管中のバーコード化された各標本を追跡できるため、下流の分析のためにサンプルを迅速かつ正確に取得できます。ヒト組織サンプルの分子特性評価は、診断ツール(感染性眼内炎と他の非感染性眼内炎症を区別するためなど)として機能するだけでなく、トランスレーショナルリサーチの重要な要素であり、新しい創薬標的の特定、新しい診断ツールの開発、および個別化された治療法を可能にします。
ヒトの眼からのリキッドバイオプシーの分子プロファイリングは、高度に特殊化された眼組織からのDNA、RNA、タンパク質、糖鎖、代謝物などの分子を含む局所的に濃縮された液体をキャプチャできます。人間の眼の後房の硝子体からのリキッドバイオプシーは、一般的に安全な手順であることが証明されました1。それらは、生きているヒトにおける眼疾患の分子特性評価を可能にし、新しい診断および治療戦略を特定する可能性を提供します2,3,4。眼の前房の房水はさらに高い外科的アクセス性を有し、例えば、最も頻繁に行われる手術の1つである白内障手術中に大量に得ることができた。しかし、プロテオミクス、メタボロミクス、グライコミクスなどの分子ダウンストリーム解析のためのヒト房水および硝子体液生検の収集、アノテーション、バイオバンキングのための標準化されたプロトコルはこれまで利用できません。
ここでは、眼科手術を受けた患者の分子分析のための高品質のリキッドバイオプシーの収集とバイオバンキングのためのプロトコルを開発しました。モバイル手術室ラボインターフェース(MORLI)により、研究者は手術室(OR)で-80°Cのドライアイス上でバーコード化されたクライオバイアルで収集したサンプルを即座に急速凍結することができます。この手順により、下流の分子分析のための高品質で一貫したサンプル品質が保証されます。優れたサンプル品質に加えて、バイオバンク内のサンプルの正確なアノテーションが重要です。WebベースのHIPAA(医療保険の相互運用性と説明責任に関する法律)に準拠したREDCap(研究用電子データ収集)データベース5を使用して、年齢、性別、疾患、疾患、疾患ステージ、サンプルタイプ、手術の固有の特徴など、各サンプルの詳細なメタデータを保存できます。これにより、特定の疾患または特定の患者群からのサンプルなど、正確な将来の検索能力が可能になります。さらに、冷凍庫内の各サンプルの正確な位置は、デカルトグリッドシステムを使用してアーカイブされるため、下流の実験で効率的なサンプル検索が可能になります。DNA、タンパク質、糖鎖、代謝物分析の例を紹介します。
私たちのワークフローは、手術室と研究所の間の実用的で効果的なつながりを表しており、トランスレーショナルリサーチの貴重な基盤を提供します。
このプロトコルは、米国スタンフォード大学のヒト対象研究のための治験審査委員会(IRB)のガイドラインに準拠しています。
注意: このプロトコルは、資格のある眼科医のためのガイドです。眼内悪性腫瘍の状況では、房水または硝子体リキッドバイオプシーの設定での眼外腫瘍播種を除外することはできません。しかし、経硝子体脈絡膜腫瘍生検では、外眼拡張と眼窩病変のリスクは非常に低く、安全性を高め、入室部位を慎重に検討して行われます6。このプロトコルは網膜芽細胞腫または転移リスクの高い腫瘍の場合にはカバーしておらず、禁忌である可能性があります。
1.サンプル収集前
2. 手術室での手術検体の取得
3. ORでのサンプルの処理とデータベースへのサンプルの追加
4. クライオバイアルの保管場所への移送
5.サンプル保管フォーム
6. 下流分析のための手術検体の回収
注:標本は、分析される前に数年間アーカイブされることがよくあります。バーコード化されたクライオバイアルと検索可能なREDCapデータベースシステムにより、下流の分析のために各サンプルを簡単に見つけて見つけることができます。
採取したリキッドバイオプシー検体は、DNA、タンパク質、糖鎖、代謝物の分析など、さまざまな分子解析にかけることができます。-70°Cで数年間の長期保存は、プロテオームプロファイルの完全性に有意な影響を及ぼさないことが以前に示されていました9。REDCapデータベースにより、サンプルを簡単かつ迅速に取得できます。データベースは、特定の患者群、例えば、糖尿病性網膜症を有する全ての患者からの試料を検索することができる。データベースは、チューブのバーコードと保管中の位置を提供します。これまでに、1,000件以上のリキッドバイオプシーを収集し、アーカイブしてきました。このデータベースにより、下流の分析3,10のサンプルをすばやく見つけることができ、次の実験を実行するのに役立ちました。
症例は17歳の女性で,網膜および視神経の炎症を主訴に来院した.彼女は免疫不全であり、感染の懸念がありました。彼女の右目から房水を採取し、DNA PCR分析に送りました。結果はサイトメガロウイルスに陽性であり、単純ヘルペスウイルスとトキソプラズマ症には陰性でした。これらの知見は、房水リキッドバイオプシーが、適切な治療法を選択するために重要な、感染型と非感染型の眼内炎症を区別するのに役立つことを示している。
液体クロマトグラフィー-質量分析は、プロテオームの偏りのない半定量分析を可能にします。硝子体切除術を受けた患者の硝子体からのリキッドバイオプシーでは、補体C3(C3)、オプチシン(OPTC)、コラーゲンII型アルファ1(COL2A1)など、484のユニークなタンパク質を特定することができました(図1A)。
3つの硝子体液生検は、グライコプロテオミクスマルチプレックスELISAを用いて分析されました( 材料表を参照)11。このアッセイでは、500のヒトタンパク質のグリコシル化プロファイルを検出し、代謝、免疫応答、細胞接着、アクチン組織化などのさまざまな生物学的経路を捉えました(図1B)。
キャピラリー電気泳動とフーリエ変換質量分析12 ( 材料表を参照)を組み合わせたメタボロミクススクリーニングにより、3つの房水リキッドバイオプシーサンプルから292の異なる代謝物が同定されました。経路解析( 材料表参照)13 により、アミノ酸代謝、尿素回路、カルニチン合成など、さまざまな代謝経路が特定されました(図1C)。

図1:代表的な結果 。 (A)液体クロマトグラフィーおよびタンデム質量分析(LC-MS/MS)を用いたヒト硝子体液のプロテオミクス分析により、1回のリキッドバイオプシーで484のユニークなタンパク質が同定されました。タンパク質レベルは、スペクトル数に基づいて表示され、ランク付けされます。代表的なタンパク質は青色で強調表示されています。(B)グリコプロテオミクスマルチプレックスELISAは、3つの硝子体液生検で500の固有のタンパク質のグリコシル化レベルを検出しました。STRINGタンパク質相互作用解析により、タンパク質相互作用のクラスターが同定されました(少なくとも10個のタンパク質を含むクラスターが示されています)。最も有意に濃縮された経路が各クラスターについて示される。(C)質量分析を用いたメタボロミクス解析では、3つの房水リキッドバイオプシーで292種類の代謝物が同定されました。各点は 1 つのサンプルを表します。バーの高さは代謝物の平均数に対応し、エラーバーは標準偏差を表す。右側のパネルは、大幅に濃縮された経路を示しています。検出された代謝物の数(分子)と各経路の代謝物の総数(分母)が表示されます。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
患者からの手術標本は、生きているヒトの疾患の直接的な分子特性評価を可能にし2,3,4,14、そしてヒトの疾患を完全に再現していない細胞および動物の疾患モデルの限界を克服するのに役立つかもしれない15,16。ヒト組織の分子解析は、新薬標的の選択を改善し、臨床試験と医薬品承認の成功率の向上に貢献する可能性があります17。さらに、このアプローチは、得られた組織が各個人の固有のゲノム、エピゲノム、メタボロミクス、グリコーミック、およびプロテオミクスフィンガープリントを保持するため、個別化医療の可能性を提供します2,18,19。
高品質で一貫したサンプル品質は、すべての分子分析アプリケーションの基本です。以前の研究では、サンプル回収後の即時凍結と繰り返しの凍結/解凍サイクルの回避が、高いサンプル品質にとって重要であることが示されています9,20。-70°Cで数年間にわたる長期保存は、プロテオームプロファイルの完全性に有意な影響を及ぼさなかった9。標準化されたプロトコルは、特に複数の人(外科医、技術者など)または異なる機関がサンプリングプロセスに関与している場合に、バイアスを減らし、科学データの比較可能性を向上させるための重要な基盤です。サンプルの品質とは別に、サンプルのアノテーションは、分子所見と臨床データの相関を可能にするために標準化を必要とするもう1つの重要な要素です。私たちのプロトコルは、これを達成するために3つの重要な原則に依存しています:1)眼科医による房水および硝子体リキッドバイオプシーの標準化されたサンプリング手順、2)実験室の担当者によるOR内のサンプルの即時処理と急速凍結、および3)研究者が後の実験のためにサンプルをすばやく見つけることができるWebベースのデータベース内の各サンプルのメタデータ注釈。
硝子体標本20に加えて、このワークフローは、分子分析のための房水リキッドバイオプシーの標準化されたコレクションも確立する。房水は、眼の前房にある非常にアクセスしやすい複雑な液体であり、網膜疾患を含む前眼部だけでなく眼後部の眼疾患も反映します18,21。世界中で最も頻繁に行われる手術の1つである白内障手術など、多数の房水サンプルを収集できるという事実に加えて、これらの特徴により、人間の目からのリキッドバイオプシーの興味深い情報源となっています。このワークフローで確立された各サンプルの標準化されたメタデータアノテーションにより、プロテオームデータと将来の臨床フォローアップデータとの相関関係も可能になります。これは、将来の患者の予後を推定するのに役立つ可能性のある新しい予後バイオマーカーを特定するエキサイティングな機会を提供します。
しかし、ヒトの手術標本の分子解析にも重要な限界があります。たとえば、複雑な実験操作は、多くの場合、動物モデルと細胞モデルでのみ可能です。解決策は、動物または細胞モデルの分子プロファイルをヒト疾患の分子プロファイルと比較することかもしれません。この戦略は、ヒトの疾患と相関し、臨床試験で成功する可能性が高い最も有望な候補を特定するために、動物または細胞モデルで検証できる重複するタンパク質バイオマーカーおよび治療標的を特定することができます4,16。
結論として、私たちのワークフローは、ORと研究室の間に実用的なインターフェースを確立し、分子下流分析用の高品質の手術標本の標準化されたハイスループットの収集、アノテーション、および保存を可能にし、将来のトランスレーショナル研究のための貴重な基盤を提供します。
著者は開示するものは何もありません。
VBMは、NIH助成金(R01EY031952、R01EY031360、R01EY030151、およびP30EY026877)、スタンフォード視神経乳頭ドルーゼンセンター、および米国ニューヨークの失明予防研究によってサポートされています。JWとDRは、米国の硝子体網膜外科財団によってサポートされています。DRは、ルンドベック財団が後援するDAREフェローシップによってサポートされています。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 0.5ml トライコードチューブ、96 フォーマット、外ねじ | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 68-0703-12 | 水性体液サンプルに使用 |
| 1 mL シリンジ | 外科用グレード、病院で利用可能なものなら何でも | 房水生検用 | |
| 1.9ml トライコードチューブ、48 フォーマット、外ねじ | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 65-7643 | 硝子体サンプルに使用 |
| 3 mLシリンジ | 外科グレード、病院で利用可能なものなら何でも | - | 硝子体生検用 |
| 30-32ゲージ針 | 外科グレード、病院で利用可能なものなら何でも | -房水生検用 | |
| 細血管電気泳動とフーリエ変換質量分析(CE-FTMS)を組み合わせたものHuman | Metabolome Technologies, Inc., Tsuruoka, Japan | - | - |
| 23ゲージ、25ゲージ、または27ゲージのトロカールカニューレシステムを備えた星座硝子 | Alcon Laboratories Inc、フォートワース、テキサス州、米国 | - | 硝子体生検用 |
| 冷却ボックス | 標準的な発泡スチロールボックス、ラボで利用可能なもの- | - | |
| ドライアイス | ラボで利用可能なもの- | ||
| -ハンズフリー標準レンジスキャナーキット、シールド付きUSBケーブル | ゼブラシンボル | DS9208-SR4NNU21Z | バーコードスキャナー |
| ヒトグリコシル化抗体アレイL3 | RayBiotech, Peachtree Corners, GA | , AGA GAH-GCM-L3-Mac | |
| mini | Apple Inc., Cupertino, CA 95014, USA | - | - |
| MetaboAnalyst software | Pang et al., 2021, PMID: 34019663 | - | |
| -0.5ml チューブ用ラック, 96-Format | Azenta Life Sciences, Burlington, MA 01803, USA | 66-51026 | for aqueous humor samples |
| 1.9ml チューブ用ラック, 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 | -- |