Ten manuskrypt opisuje technikę wykrywania mutacji o niskiej częstotliwości w ctDNA, ER-Seq. Metoda ta wyróżnia się unikalnym zastosowaniem dwukierunkowej korekcji błędów, specjalnego filtra tła i wydajnej akwizycji molekularnej.
Artykuł metodologiczny
Ten manuskrypt opisuje technikę wykrywania mutacji o niskiej częstotliwości w ctDNA, ER-Seq. Metoda ta wyróżnia się unikalnym zastosowaniem dwukierunkowej korekcji błędów, specjalnego filtra tła i wydajnej akwizycji molekularnej.
Analiza krążącego DNA guza (ctDNA) za pomocą sekwencjonowania nowej generacji (NGS) stała się cennym narzędziem dla rozwoju onkologii klinicznej. Zastosowanie tej metody jest jednak trudne ze względu na jej niską czułość w analizie śladowej ilości ctDNA we krwi. Ponadto metoda może generować fałszywie dodatnie i ujemne wyniki z tego sekwencjonowania i późniejszej analizy. Aby poprawić wykonalność i wiarygodność wykrywania ctDNA w klinice, przedstawiamy tutaj technikę, która wzbogaca rzadkie mutacje do sekwencjonowania, Enrich Rare Mutation Sequencing (ER-Seq). ER-Seq może odróżnić pojedynczą mutację spośród 1 x 107 nukleotydów typu dzikiego, co czyni go obiecującym narzędziem do wykrywania zmian genetycznych o bardzo niskiej częstotliwości, a tym samym będzie bardzo przydatny w badaniu heterogeniczności choroby. Dzięki unikalnej ligacji adaptera sekwencjonowania, metoda ta umożliwia skuteczne odzyskiwanie cząsteczek ctDNA, przy jednoczesnej korekcji błędów dwukierunkowych (sens i antysens). Nasz wybór sond o długości 1021 kb wzbogaca pomiar regionów docelowych, które obejmują ponad 95% mutacji związanych z nowotworem w 12 nowotworach. Ta ekonomiczna i uniwersalna metoda umożliwia wyjątkowo udaną akumulację danych genetycznych. Po skutecznym odfiltrowaniu błędu tła, ER-seq może precyzyjnie wykryć rzadkie mutacje. Korzystając ze studium przypadku, przedstawiamy szczegółowy protokół demonstrujący projekt sondy, konstrukcję biblioteki i metodologie wychwytywania docelowego DNA, a także proces analizy danych. Proces przeprowadzania tej metody trwa zwykle 1-2 dni.
Sekwencjonowanie nowej generacji (NGS), potężne narzędzie do badania tajemnic genomu, może dostarczyć dużej ilości informacji, które mogą ujawnić zmiany genetyczne. Zastosowanie analizy NGS w klinice stało się bardziej powszechne, zwłaszcza w medycynie spersonalizowanej. Jednym z największych ograniczeń NGS jest jednak wysoki poziom błędów. Chociaż uważa się, że nadaje się do badania mutacji dziedzicznych, analiza rzadkich mutacji jest znacznie ograniczona1,2, zwłaszcza podczas analizy DNA uzyskanego z "płynnej biopsji".
Krążące DNA nowotworowe (ctDNA) to bezkomórkowe DNA (cfDNA) we krwi, które jest wydalane z komórek nowotworowych. W większości przypadków ilość ctDNA jest bardzo niska, co sprawia, że jego wykrycie i analiza są bardzo trudne. Jednak ctDNA ma wiele atrakcyjnych cech: jego izolacja jest minimalnie inwazyjna, można go wykryć we wczesnych stadiach wzrostu guza, poziom ctDNA odzwierciedla skuteczność terapeutyczną, a ctDNA zawiera mutacje DNA znalezione zarówno w zmianach pierwotnych, jak i przerzutowych3,4,5. Dlatego, biorąc pod uwagę szybki rozwój techniki i analizy NGS, zastosowanie detekcji ctDNA stało się bardziej atrakcyjne.
Do wykrywania ctDNA stosowano różne podejścia do sekwencjonowania równoległego, ale żadne z tych podejść nie zostało zaakceptowane do rutynowego użytku w klinikach ze względu na ich ograniczenia: niską czułość, brak wszechstronności i stosunkowo wysoki koszt6,7,8. Na przykład sekwencjonowanie dupleksowe, oparte na znaczniku unikalnego identyfikatora (UID), wielokrotnie koryguje błędy w konsensusie dwukierunkowo, korygując większość błędów sekwencjonowania. Jednak wykonalność tej metody została utracona ze względu na jej wysoki koszt i niskie wykorzystanie danych9,10. Podobnie, CAPP-Seq i jego ulepszona wersja, CAPP-IDES11,12, mają większą praktyczność w wykrywaniu cfDNA, chociaż dokładność i uniwersalność tych metod wymaga poprawy.
Aby sprostać obecnej potrzebie dokładnego wykrywania i analizy ctDNA, opracowaliśmy nową strategię, Wzbogacanie Sekwencjonowania Rzadkich Mutacji (ER-Seq). Podejście to łączy w sobie: unikalne adaptery sekwencjonowania do skutecznego odzyskiwania cząsteczek ctDNA, z dwukierunkową korekcją błędów i możliwością odróżnienia pojedynczej mutacji spośród > 1 × 107 nukleotydów typu dzikiego; Sondy 1021 kb, które wzbogacają pomiar regionów docelowych, które obejmują ponad 95% mutacji związanych z nowotworem z 12 nowotworów, w tym raka płuc, raka jelita grubego, raka żołądka, raka piersi, raka nerki, raka trzustki, raka wątroby, raka tarczycy, raka szyjki macicy, raka przełyku i raka endometrium (Tabela 1); oraz podstawowe badania przesiewowe w bazie danych, dzięki czemu skuteczne i łatwe jest precyzyjne wykrywanie rzadkich mutacji w ctDNA.
Aby zbudować bazową bazę danych, znajdź wszystkie mutacje genów za pomocą ER-Seq z wielu próbek tego samego typu (~1000 na początku). Te rzeczywiste mutacje muszą zostać zweryfikowane za pomocą kilku innych wiarygodnych metod wykrywania i analizy. Następnie podsumuj wzorzec fałszywych mutacji i zgrupuj wszystkie fałszywe mutacje, aby zbudować początkową bazową bazę danych. Kontynuuj dodawanie fałszywych mutacji znalezionych w kolejnych eksperymentach sekwencjonowania do tej bazy danych. W związku z tym ta bazowa baza danych staje się dynamicznie rozszerzoną bazą danych, co znacznie poprawia dokładność sekwencjonowania.
Aby promować postęp w diagnozowaniu i monitorowaniu nowotworów, prezentujemy ER-Seq, tanią i wykonalną metodę pozyskiwania uniwersalnych danych. Przedstawiamy studium przypadku, które zostało poddane analizie ER-Seq, wykazując jego dokładność w wykrywaniu rzadkich mutacji i możliwość zastosowania w klinice.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Próbki guza i próbki krwi zostały pobrane zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez Komisję Etyki Szpitala Ludowego Uniwersytetu Pekińskiego. Uzyskano pisemną świadomą zgodę pacjentów na wykorzystanie ich próbek. Uczestnicy zostali poddani badaniom przesiewowym według następujących kryteriów: kobieta, zaawansowany niedrobnokomórkowy rak płuca, mutacja EGFR p.L858R wskazywana przez wcześniejsze sekwencjonowanie Sangera, progresja choroby po dwóch sesjach terapii celowanej EGFR z erlotynibem oraz ER-Seq, który zastosowano do ctDNA w celu analizy przyczyny oporności i znalezienia nowych leków docelowych.
1. Ekstrakcja DNA z krwi obwodowej dla cfDNA i genomowego DNA (gDNA)
2. Przygotowanie biblioteki
UWAGA: Jeśli chodzi o konstrukcję biblioteki bazowej na fragmentaryzowanym DNA, cfDNA występuje we fragmentach o wielkości piku ~170 pz i dlatego nie musi być fragmentowany.
3. Ukierunkowane wychwytywanie DNA
UWAGA: Wzbogacanie celu zostało przeprowadzone za pomocą niestandardowej sondy do przechwytywania sekwencji, która jest specjalnie zaprojektowana dla regionu wzbogacania celu o długości 1021 kb, obejmującego znane mutacje związane z nowotworem z 12 różnych typów nowotworów. Modyfikacje protokołu producenta są szczegółowo opisane w poniższych krokach.
4. Sekwencjonowanie
5. Przepływ pracy analizy danych
UWAGA: Rysunek 3 przedstawia ogólny przepływ pracy i proces analizy danych. Parametry i polecenia analizy danych są pokazane poniżej.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wzbogacone o 1021 kb sondy docelowe używane w ER-Seq są pokazane w Tabeli 1, która obejmuje ponad 95% mutacji genów w 12 powszechnych nowotworach. Szeroka gama tych sond sprawia, że proces ten ma zastosowanie u większości pacjentów z rakiem. Ponadto nasze unikalne adaptery do sekwencjonowania i podstawowe badania przesiewowe bazy danych umożliwiają precyzyjne wykrywanie rzadkich mutacji.
Ze wzgl...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Istnienie krążącego DNA guza (ctDNA) zostało odkryte ponad 30 lat temu, jednak stosowanie analiz ctDNA nadal nie jest rutynowe w praktyce klinicznej. Zainteresowanie praktycznym zastosowaniem metod ctDNA wzrosło wraz z rozwojem technologii wykrywania i analizy ctDNA. Monitorowanie guza za pomocą ctDNA oferuje minimalnie inwazyjne podejście do oceny mikroskopijnej choroby resztkowej, odpowiedzi na terapię i profili molekularnych guza na tle ewolucji guza i heterogeniczności wewnątrznowotworowej13,14
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca jest wspierana przez Geneplus-Beijing Institute.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| QIAamp Zestaw krążących kwasów nukleinowych | Qiagen | 55114 | Ekstrakcja DNA z krwi obwodowej dla cfDNA |
| QIAamp DNA Blood Mini Kit | Qiagen | 51105 | Ekstrakcja DNA z krwi obwodowej dla gDNA |
| Quant-iT dsDNA HS Assay Kit | Invitrogen | Q32854 | Pomiar stężenia cfDNA |
| Quant-iT dsDNA BR Zestaw testowy | Invitrogen | Q32853 | Pomiar koncentracja biblioteki |
| Odczynniki Agilent DNA 1000 | Agilent | 5067-1504 | Pomiar cfDNA i fragmentów biblioteki |
| Zestaw NEBNext UltraII do przygotowania biblioteki Illumina | NEB | E7645L | |
| Odczynnik Agencourt SPRIselect | Beckman | B23317 | przesiewowe i oczyszczanie fragmentów DNA |
| Tris-HCl (10 mM, pH 8,0)-100ML | Sigma | 93283 | rozpad |
| Sondy blokujące xGen IDT | — — | Niestandardowa sonda xGen | |
| Ludzkie Cot-1 DNA | Life | 15279-011 | Ukierunkowane wychwytywanie DNA |
| Dynabeads M-270 Streptawidin | Life | 65305 | Ukierunkowane wychwytywanie DNA |
| xGen Odczynniki blokujące | IDT | 1072281 | Ukierunkowane wychwytywanie DNA |
| KAPA HiFi HotStart ReadyMix | KAPA | KK2602 | biblioteki wzbogacania PCR po wychwyceniu |
| Zestaw kwantyfikacyjny biblioteki KAPA | KK4602 | Biblioteka pomiarów stężenia | |
| NextSeq 500 High Output Kit v2 ((150 cykli) | illumina | FC-404-2002 | Wirówka sekwencyjna5810 |
| eppendorf | 5810 | ||
| Nanodrop8000 | Thermo Scientific | 8000 | Pomiar stężenia gDNA |
| Qubit 2.0 | Invitrogen | Quantify | |
| Agilent 2100 Bioanalizator | Agilent | ||
| ThermoMixer C | eppendorf | Inkubacja | |
| 16-rurkowy DynaMagTM-2 Magnet Life | 12321D | ||
| Koncentrator plus | eppendorf | ||
| PCR | AB | simplyamp | |
| QPCR | AB | 7500Dx | |
| NextSeq 500 | illumina |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie