Niniejszy protokół opisuje system testowy opracowany do wykrywania wariantów fuzji RNA, przeznaczony do pomiaru mutacji sterujących w osoczu pacjentów z NSCLC (Rysunek 1A). Zidentyfikowano produkty fuzji mRNA wynikające z ekspresji najczęstszych rearanżacji RET i ROS1 w populacji pacjentów z NSCLC13,14,15,16,17. Następnie zaprojektowano multipleksowe testy PCR w celu wykrycia ośmiu najczęstszych wariantów transkrypcyjnych dla każdego celu w NSCLC w ramach jednej reakcji. Najczęstsze translokacje w locus ROS1 generują połączenia z 5' fragmentami genów CD74, SDC4, SLC34A2, EZR lub TPM3 (Rysunek 1B). Najczęstsze translokacje w locus RET prowadzą do sąsiedztwa z KIF5B, dla którego test obejmuje sześć złączy eksonowych. Dodatkowe objęte testem partnerzy RET obejmują CCDC6 oraz TRIM33 (Rysunek 1C). Łącznie testy obejmują około 88% zmian w ROS1 i 99% zmian w RET znanych z występowania w populacji pacjentów z NSCLC17.
Specyficzność komponentów testu oceniono w pierwszej kolejności przy użyciu ośmiu pojedynczych RNA in vitro zawierających sekwencje mRNA dla transkryptów fuzyjnych objętych multipleksowymi testami ROS1 lub RET. Każdy rodzaj RNA przetestowano w odniesieniu do każdego pojedynczego testu wariantu wchodzącego w skład wersji multipleksowej. Nie stwierdzono reakcji krzyżowej tych testów, co wykazało 100% specyficzności analitycznej w ramach zaprojektowanych testów multipleksowych (dane nie zostały przedstawione). Aby wyznaczyć dolną granicę wykrywalności protokołu testowego, całkowite RNA pochodzące z linii komórkowych wykazujących wariant fuzyjny uwzględniony w teście zmieszano z tłem normalnego RNA w stężeniach 5%, 1%, 0,2% i 0,04%. Multipleksowe testy PCR wariantów RET i ROS1 wykryły wariant fuzyjny w stężeniu nawet 0,2% (Rysunek 2A-B). Dodatkowo, preparat zawierający 5% RNA pochodzącego z linii komórkowej off-target (wykazującej transkrypt fuzyjny EML4-ALK) nie został wykryty w multipleksowych testach ROS1 i RET, co dodatkowo potwierdziło specyficzność (Rysunek 2A-B).
Badanie precyzji procesu RT-dPCR przeprowadzono dla ROS1 oraz RET. Materiał kontrolny do analizy, składający się z ekimolarnych RNA in vitro, przetwarzano w trzech stężeniach (wysokim, średnim i niskim) poprzez odwrotną transkrypcję i dPCR w trzech różnych powtórzeniach w ciągu jednego dnia (precyzja wewnątrzdzienna), przez trzy kolejne dni (precyzja między-dzienna) oraz z udziałem dwóch operatorów (precyzja międzyoperatorska). Wyniki badania precyzji wykazały dokładne wykrywanie zarówno analizowanego transkryptu fuzyjnego, jak i genu kontrolnego GUSB, który jest uwzględniony jako wewnętrzny wskaźnik kontroli jakości (Ryc. 2C-D).
Oprócz wewnętrznej kontroli GUSB, każda partia próbek klinicznych była analizowana z zestawem kontroli partii. Kontrola pozytywna została opracowana z mieszaniny analitycznego RNA in vitro, reprezentującego każdy z wariantów fuzji testowanych w RT-dPCR, a także analitycznego RNA in vitro dla GUSB. RNA to było dodawane (spiked) do lizatu normalnej ludzkiej osocza podczas ekstrakcji RNA i przetwarzane wraz z próbkami klinicznymi przez cały protokół. Kontrola bez odwrotnej transkrypcji (No RT) stanowiła kontrolę negatywną w celu potwierdzenia braku materiału zanieczyszczającego w procesie ekstrakcji RNA oraz wykazania specyficzności starterów względem RNA. Kontrolę No RT przygotowano z tego samego materiału co kontrolę pozytywną, jednak nie zawarto w niej enzymu w reakcji syntezy cDNA. Kontrola bez RNA (NRC) jest kontrolą negatywną potwierdzającą brak zanieczyszczających transkryptów w komponentach reakcji odwrotnej transkrypcji. Kontrolę tę wprowadzono do procesu na etapie syntezy cDNA, dodając do reakcji wodę zamiast matrycy RNA. Aby wyniki były dokładne, kontrole No RT i NRC muszą być negatywne w obu kanałach. Tabela 1 zawiera wykaz komponentów reakcji odwrotnej transkrypcji dla każdej kontroli. Przykłady wykresów 2D dla każdej z tych kontroli przedstawiono dla testów multipleksowych ROS1 (Rycina 3 A-C) oraz RET (Rycina 3 E-G). Warianty fuzji wykrywano za pomocą sondy fluorescein amidite (FAM) i są one reprezentowane na osi y, natomiast gen kontrolny GUSB wykrywano za pomocą sondy 5'-hexachloro-fluorescein-CE phosphoramidite (HEX), która znajduje się na osi x. Kontrole partii były oceniane przez okres 21 dni w celu określenia odporności testu. Krople pozytywne pod kątem fuzji oraz krople genu kontrolnego GUSB obserwowano dla ROS1 i RET we wszystkich 21 uruchomieniach przeprowadzonych w trakcie badania (Rycina 3D,H). Wszystkie kontrole negatywne (No RT i NRC) dały wyniki negatywne przez cały okres 21 dni (dane nie pokazano).
Umiejętność rozwiązywania problemów jest krytycznym elementem każdego protokołu testowego wykonywanego w warunkach laboratorium klinicznego. Przedstawiamy tutaj rzeczywiste przykłady suboptymalnych wyników uzyskanych przy użyciu protokołu RT-dPCR. Pierwszym z nich jest przykład wykresu 2D demonstrujący znaczenie kontroli bez odwrotnej transkryptazy (Rysunek 4A). W tym przykładzie obecne były krople pozytywne dla mutacji, mimo braku konwersji do cDNA z powodu braku enzymu. Wynik ten był prawdopodobnie spowodowany amplifikacją niespecyficznego genomowego DNA przez primery dPCR. W takim przypadku zaprojektowanie testu obejmującego intron zapobiegnie amplifikacji DNA genomowego. Alternatywnie można użyć enzymu DNazy wolnej od RNaz w celu wyeliminowania zanieczyszczającego DNA, jednak nie jest to zalecane przy detekcji rzadkich celów, ponieważ podczas inkubacji z enzymem może dojść do częściowej degradacji RNA. Kolejny przykład wykresu 2D przedstawia NRC z kroplami pozytywnymi w obu kanałach (Rysunek 4B). Wskazuje to na zanieczyszczenie na którymś etapie przygotowania RT-dPCR. W takim przypadku zaleca się utylizację wszelkich potencjalnie zanieczyszczonych odczynników użytych w badaniu, dokładną dekontaminację całego sprzętu i ponowne wykonanie testu ze świeżymi komponentami reakcyjnymi. Trzeci przykład wykresu 2D przedstawia rozproszenie kropel wzdłuż linii 45° (Rysunek 4C). Jest to często spowodowane ścinaniem i łączeniem się kropel. Ostrożna manipulacja kroplami przed cyklem termicznym jest niezbędna, ponieważ krople są podatne na uszkodzenia. Zalecamy stosowanie zautomatyzowanego generowania kropel, jeśli jest ono dostępne. Przy przenoszeniu kropel generowanych ręcznie należy upewnić się, że wybrano zalecane końcówki o szerokim otworze i stosuje się staranną technikę pipetowania. Przenoszenie kropel wymaga powolnego aspirowania i dozowania, z których każde powinno trwać 5-6 s; kluczowe jest, aby otwór końcówki pipety nie dotykał kartridża z kroplami ani dołka. Podczas dozowania należy trzymać końcówkę pipety na poziomie cieczy i powoli ją unosić w miarę dozowania kropel (patrz wideo w celu demonstracji). Ostatni przykład wykresu 2D demonstruje brak separacji między populacjami kropel pozytywnych i negatywnych (Rysunek 4D). Może to mieć kilka przyczyn. Silne inhibitory PCR, takie jak detergenty stosowane w buforach lizujących, oraz nadmiar silnie zdegradowanego DNA mogą powodować utratę separacji. W takim przypadku należy rozważyć dodanie etapu oczyszczania między syntezą cDNA a dPCR (tak jak opisano w kroku 5 niniejszego protokołu). Wreszcie, brak separacji może być również wynikiem suboptymalnych warunków amplifikacji, dlatego należy rozważyć optymalizację etapu PCR.
Dane przedstawione na Rysunku 5 reprezentują czasy realizacji badań dla 984 rzeczywistych próbek pacjentów i demonstrują szybkość tego przepływu pracy testowej. Wyniki raportowano lekarzowi prowadzącemu już w ciągu 48 godzin (79% przypadków) od otrzymania próbki, a w 95% przypadków w ciągu 72 godzin. Podsumowując, zastosowanie probówek do pobierania krwi stabilizujących krążące RNA, zoptymalizowanych procedur ekstrakcji RNA z krwi oraz analizy RT-dPCR przeprowadzonej zgodnie z zoptymalizowanym protokołem z odpowiednimi kontrolami wewnętrznymi i seryjnymi może zapewnić szybki system testowy do dokładnego wykrywania wariantów fuzji RNA istotnych w NSCLC.

Rysunek 1: Przegląd etapów przetwarzania próbek krwi w celu wykrycia wariantów fuzji z wykorzystaniem testów swoistych dla najczęstszych wariantów RET i ROS1 w NSCLC. (A) Badanie próbki rozpoczyna się od pobrania krwi pełnej i wysłania probówki BCT w zestawie do pobierania materiału do laboratorium klinicznego. Krążące RNA jest odzyskiwane z wielu źródeł w osoczu wzbogaconym w płytki krwi, poddawane odwrotnej transkrypcji z zastosowaniem starterów specyficznych dla genów, a następnie oczyszczane do wykorzystania w dPCR. Próbki są przetwarzane przy użyciu systemu komercyjnego, który obejmuje generowanie kropelek (emulsję), amplifikację oraz zliczanie kropelek. Dane są analizowane przy użyciu komercyjnego oprogramowania. Wyniki testów są następnie dokumentowane i raportowane lekarzowi zlecającemu badanie. Proces jest zaprojektowany tak, aby przebiegał w czasie 72 godzin od momentu otrzymania próbki do wydania wyniku. W testach multipleksowych objęto osiem wariantów dla (B) ROS1 oraz (C) RET. Adaptacja ze strony internetowej Biodesix za zgodą autora. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Walidacja analityczna. Linie komórkowe wykazujące ekspresję fuzji (A) SDC4-ROS1 oraz (B) CCDC6-RET rozcieńczono w tle całkowitego ludzkiego RNA typu dzikiego (WT RNA). Dla każdego wariantu fuzji granica detekcji została ustalona na poziomie 0,2% częstości wariantu, stosując zdefiniowane kryteria dla każdego testu wariantu. Wszystkie próbki powyżej tego progu zawierały również co najmniej 21 kopii genu kontrolnego. W celu wykazania swoistości testu przebadano standard 5% EML4-ALK (ALK) w tle RNA typu dzikiego, co potwierdzono wynikiem negatywnym. Analityczne multipleksowe standardy RNA zmierzono w stężeniach wysokim, średnim i niskim dla (C) ROS1 oraz (D) RET. Precyzję oceniano w trzech seriach w tym samym dniu (powtarzalność wewnątrz-dniowa), w trzech seriach w trzech kolejnych dniach (powtarzalność między-dniowa) oraz z udziałem dwóch niezależnych operatorów (powtarzalność między-operatorska). Przedstawiono średnie liczby kopii oraz odchylenia standardowe. Adaptacja ze strony internetowej firmy Biodesix za zgodą autora. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Przykłady kontroli przetwarzania serii oraz dane dotyczące powtarzalności. Wykres 2D wyników dPCR dla multipleksowego testu ROS1 dla (A) kontroli pozytywnej, (B) kontroli bez odwrotnej transkryptazy oraz (C) kontroli bez matrycy RNA. (D) Kontrole przeprowadzano przez 21 kolejnych dni (z wyłączeniem weekendów i świąt). Średnia liczba kopii +/- odchylenie standardowe dla kontroli pozytywnej ROS1 wynosiła 439 +/- 141. W każdym dniu przeprowadzano również kontrole bez odwrotnej transkryptazy oraz bez matrycy, które wszystkie okazały się negatywne (dane nie przedstawiono). Wykres 2D wyników dPCR dla multipleksowego testu RET dla (E) kontroli pozytywnej, (F) kontroli bez odwrotnej transkryptazy oraz (G) kontroli bez matrycy RNA. (H) Kontrole przeprowadzano przez 21 kolejnych dni (z wyłączeniem weekendów i świąt). Średnia liczba kopii +/- odchylenie standardowe dla kontroli pozytywnej RET wynosiła 586 +/- 182. Nie przedstawiono kontroli bez odwrotnej transkryptazy oraz bez matrycy, które również przeprowadzano każdego dnia i które były negatywne. Zaadaptowano ze strony internetowej firmy Biodesix za zgodą właściciela. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rycina 4: Rozwiązywanie problemów w RT-dPCR. Wykresy 2D przedstawiające suboptymalne wyniki dPCR uzyskane w przypadku (A) kontaminacji w kontroli bez odwrotnej transkryptazy, (B) kontaminacji w kontroli bez RNA, (C) ścinania i łączenia się kropli oraz (D) słabo zoptymalizowanych warunków PCR lub inhibicji PCR. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 5Czas realizacji (TAT). Czas oczekiwania (TAT, w godzinach) zestawiono dla testów z zapytaniem o wariant RNA (n = 984). Dane nie obejmują weekendów, dni świątecznych oraz próbek wstrzymanych do >24 h ze względu na niepełne informacje kliniczne w formularzach zleceń badań laboratoryjnych. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Tabela 1: Przygotowanie odczynników do odwrotnej transkrypcji dla kontrol procesowych.
| Komponent | Objętość |
2x dPCR supermix do sond
(bez 2’-deoksyurydyny 5’-trifosforanu) | 10 µL |
zestaw 20 wariantów starterów/sond docelowych
(startery 450 nmol/L, sonda FAM 250 nmol/L) | 1 µL |
zestaw starterów/sond dla celu kontrolnego 20x
(startery 450 nmol/L, sonda HEX 250 nmol/L) | 1 µL |
| woda wolna od nukleaz | 1 µL |
| cDNA | 7 µL |
Tabela 2: Przygotowanie master mixu do dPCR.
| Krok cyklu | Temperatura | Czas | # Cykle | Szybkość narastania temperatury |
| Aktywacja enzymu | 95 °C | 10 min | 1 | ~2 oC/s |
| Denaturacja | 94 °C | 30 s | 40 |
| Przyłączanie/elongacja | 55 °C | 1 min |
| Dezaktywacja enzymu | 98 °C | 10 min | 1 |
| Odczekać (opcjonalnie) | 4 °C | nieskończony | 1 | ~1 oC/s |
Tabela 3: Warunki cyklu termicznego.