$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Utrwalanie formaliny, a następnie zatapianie parafiny (FFPE) jest standardową procedurą długoterminowego przechowywania próbki patologicznej w biobankingu1. Próbki te stanowią cenne źródło do badań histologicznych, jak również analiz molekularnych, zwłaszcza badań genetycznych2. Kolejnymi zaletami tkanek FFPE są lepsze długotrwałe przechowywanie, niższe koszty i łatwiejsze warunki przechowywania. Naszą intencją jest zapewnienie niezawodnego i łatwego w użyciu protokołu do powtarzalnej izolacji kwasów nukleinowych z niewielkich ilości skrawków FFPE, ponieważ wysokiej jakości ekstrakcja DNA jest pierwszym kluczowym krokiem w szerokim zakresie technik molekularnych, a tkanki FFPE są najbardziej dostępnym źródłem próbek.
Nowe podejścia naukowe, takie jak sekwencjonowanie nowej generacji (NGS) i badania "omiczne", wymagają wysokiej jakości kwasów nukleinowych3,4,5. Ekstrakcja DNA z próbek tkanek FFPE pozostaje trudnym przedsięwzięciem. DNA z próbek FFPE może się znacznie różnić pod względem jakości i ilości w zależności od jego wieku i warunków utrwalania. Formalina, najczęściej stosowany związek, prowadzi do sieciowania DNA-białko6,7,8 i powoduje niespecyficzne losowe przerwanie sekwencji nukleotydów9. Może to znacząco wpłynąć na dalsze analizy genomowe, ponieważ sieciowanie może uniemożliwić amplifikację reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR)6,10. Ze względu na zanieczyszczenia podczas procesu utrwalania, czystość DNA wyizolowanego z próbek FFPE jest często ograniczona. W ostatnich latach opracowano różne metody izolacji DNA, głównie z próbek tkanek nowotworowych2,11,12,13.
Ogólnie rzecz biorąc, protokoły ekstrakcji kwasów nukleinowych z tkanki FFPE można podzielić na trzy główne grupy. Pierwszą, najczęściej stosowaną grupą metod są dostępne na rynku systemy kolumnowe oparte na krzemionce14. Druga grupa obejmuje ręczne metody ekstrakcji fazy organicznej za pomocą fenolu i chloroformu, po raz pierwszy opisane przez Josepha Sambrooka i Davida W. Russella15. Jako trzecia grupa, w ciągu ostatnich lat powstały zautomatyzowane systemy, takie jak systemy obsługi cieczy, a także systemy oparte na cząstkach paramagnetycznych16. Każdy z trzech wymienionych systemów ma inne zalety i wady, takie jak niebezpieczne chemikalia (np. ksylen, fenol, chloroform), wysokie koszty17, manpower18 i zużycie czasu19. Zwłaszcza w przypadku trudnych próbek tkanek, a także analiz o wysokiej przepustowości, standaryzacja, odtwarzalność, stosunkowo niska czasochłonność, siła robocza i koszty są najważniejszymi cechami w znalezieniu odpowiedniej metody izolacji kwasów nukleinowych20. Wiadomo, że zautomatyzowane metody ekstrakcji dają lepsze powtarzalne wyniki i są bardziej czułe w przypadku małych biopsji. Ponadto potrzebna jest mniejsza ilość tkanki lub krwi i zmniejsza się ryzyko zatkania układu z powodu dużej ilości parafiny. Chociaż maszyny do automatycznej ekstrakcji kwasów nukleinowych i potrzebne zestawy są droższe w porównaniu z metodami ręcznymi, nadal przekonują ze względu na mniej problematyczne procesy ekstrakcji. Wyszukiwanie w literaturze zawiera wiele publikacji, które ilustrują bezpośrednie porównanie ręcznych, kolumnowych i zautomatyzowanych metod ekstrakcji DNA i RNA z różnych tkanek i organizmów, takich jak rośliny, zwierzęta i ludzie, a także komórki w hodowli20,21,22. W literaturze znajdują się również dowody na to, że DNA i RNA wyizolowane z 10-letniej zamrożonej tkanki mogą być wykorzystywane do dalszych analiz, takich jak PCR, ilościowy PCR, NGS, analizy metylacji i klonowanie9,23,24,25,26.
Głównym problemem z, na przykład, starą ludzką tkanką naczyniową, jak również małymi biopsjami tkanek, szczególnie w odniesieniu do próbek FFPE, jest brak komórek w wysoce zwapniałych zmianach miażdżycowych, co w konsekwencji prowadzi do niskich stężeń kwasów nukleinowych1. Chociaż kilka metod ekstrakcji DNA z tkanki FFPE zostało już ustalonych i jest szeroko stosowanych, ręczne metody przygotowania próbek wymagają długiego czasu pracy27, a do deparafinowania niezbędne są odczynniki toksyczne, takie jak ksylen lub fenol2. Jak opisano, proces deparafinowania jest kluczowym, czasochłonnym etapem (np. około 30 minut), który znacząco wpływa na jakość i ilość wyekstrahowanego DNA (np. toksyczne skutki dla DNA, takie jak fragmentacja i degradacja roztworu deparafinowania oraz wysokie temperatury)28. Niedawno opracowane nowe protokoły ekstrakcji DNA koncentrują się na wykorzystaniu innych nietoksycznych roztworów deparafinowania, strategii naprawczych i zautomatyzowanych technologii perełek. W szczególności wykazano, że zautomatyzowane i półautomatyczne metody są skuteczne w ekstrakcji DNA dzięki skutecznemu odzyskiwaniu, braku zanieczyszczenia krzyżowego i łatwemu wykonaniu29. Opracowaliśmy protokół, który pokonuje te ograniczenia. W rezultacie, nasza technika pozwala na skrócenie czasu przetwarzania i pracy przy zachowaniu najwyższych standardów ilościowych i jakościowych.
Szczególnie dla powtarzalnych analiz o wysokiej przepustowości, takich jak genotypowanie, badania epigenomiczne i sekwencjonowanie RNA, obsługa próbki FFPE za pomocą systemów oczyszczania opartych na kolumnach jest często trudna i czasochłonna (np. długie etapy deparafinowania, zapychanie kolumn i długie czasy pracy). Głównym problemem jest zatykanie się membran krzemionkowych z powodu dużej ilości parafiny. Inne okoliczności, które mogą pogorszyć izolację wysokiej jakości kwasów nukleinowych, to niewielkie ilości tkanek, takie jak mikrobiopsje skóry, małe tkanki myszy, bardzo tłuste lub zwapniałe tkanki, takie jak płytki, skostniałe tkanki i stare próbki. Zwłaszcza w diagnostyce i kryminalistyce zautomatyzowane i półautomatyczne systemy, takie jak obsługa cieczy lub metody ekstrakcji oparte na cząstkach paramagnetycznych, stały się w ciągu ostatnich kilku lat coraz bardziej istotne30,31, głównie ze względu na stosunkowo krótki czas pracy i możliwość standaryzacji. Większość z już opublikowanych protokołów doskonale sprawdza się w przypadku tkanek gładkich z dużą lub średnią ilością komórek, takich jak biopsje guza lub tkanki roślinne13,22,32. Literatura na temat metod półautomatycznych metod opartych na cząsteczkach stosowanych do izolowania DNA ze stosunkowo trudnych do opanowania tkanek, takich jak utrwalone pojedyncze komórki, zwapniałe naczynia, tkanka bogata w kolagen i tkanka tłuszczowa o niskiej liczbie komórek, jest słabo opisana33.
W tym badaniu opisano zoptymalizowaną półautomatyczną metodę izolacji DNA z naczyniowych odcinków zatopionych w parafinie, porównując ją z dwoma ręcznymi protokołami opartymi na kolumnach. Do walidacji wykorzystano ilość, czystość i stopień fragmentacji DNA. Jako punkt wyjścia wykorzystano dostępny na rynku protokół DNA krwi, a następnie zoptymalizowano ręczne kroki półautomatycznego systemu pod kątem wykorzystania FFPE, a także świeżych mrożonych próbek tkanek z tkanek ludzkich i zwierzęcych, łącząc etapy z FFPE i protokołu tkankowego. Zautomatyzowany krok tego protokołu jest wstępnie zainstalowany w instrumencie i zależy od używanego zestawu (w tym przypadku zestawu DNA krwi). Dzięki opisanemu półautomatycznemu systemowi opartemu na kartridżu możliwe jest wyizolowanie DNA z krwi, świeżo zamrożonej tkanki, tkanki utrwalonej w formalinie, a nawet pojedynczych komórek za pomocą tego samego protokołu, maszyny, zestawu i materiałów eksploatacyjnych, zamiast używania różnych protokołów i zestawów do instrumentu, jak jest to zalecane przez firmę. Istnieją tylko niewielkie różnice w protokołach, takie jak jeden bufor i niektóre czasy inkubacji dla różnych zastosowań, co sprawia, że protokół ten jest bardzo przydatny do ekstrakcji DNA ze wszystkich rodzajów tkanek. Nasz protokół jest przede wszystkim zoptymalizowany pod kątem zwapniałych, ubogich w komórki i włóknistej ludzkiej tkanki naczyniowej, ale oczywiście może być stosowany i dalej optymalizowany dla wszystkich rodzajów trudnych tkanek wymienionych powyżej.
Podsumowując, dla badaczy zajmujących się miażdżycą tętnic (np. aorty, tętnic szyjnych, tętnic wieńcowych) oferujemy łatwy w użyciu protokół punkt po punkcie do półautomatycznej ekstrakcji DNA z naczyniowych próbek FFPE.