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Method Article
Hier stellen wir ein Protokoll für die halbautomatische DNA-Extraktion aus formalinfixierten, in Paraffin eingebetteten Läsionen menschlicher Halsschlagadern vor. Die Gewebelyse wird ohne toxisches Xylol durchgeführt, gefolgt von einem automatisierten DNA-Extraktionsprotokoll, das einen zweiten Lyseschritt, die Bindung der DNA an paramagnetische Partikel für die Bindung auf Zellulosebasis, Waschschritte und die DNA-Elution umfasst.
Formalin-fixierte, in Paraffin eingebettete (FFPE) Gewebe stellen eine wertvolle Quelle für molekulare Analysen und klinische genomische Studien dar. Diese Gewebe sind oft arm an Zellen oder schwer zu verarbeiten. Daher müssen Nukleinsäuren sorgfältig isoliert werden. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden zur DNA-Isolierung für Gewebe aus vielen Krankheiten, vor allem Krebs, etabliert. Leider wird genomische DNA, die aus FFPE-Geweben extrahiert wird, aufgrund der Vernetzung zwischen Nukleinsäuresträngen und Proteinen sowie durch zufällige Brüche in der Sequenz stark abgebaut. Daher ist die DNA-Qualität dieser Proben deutlich reduziert, was sie zu einer Herausforderung für weitere molekulare Downstream-Analysen macht. Weitere Probleme bei schwierigen Geweben sind z.B. der Mangel an Zellen in verkalkten atherosklerotischen Läsionen und Fettgewebe des Menschen, kleine Hautbiopsien und folglich eine geringe Verfügbarkeit der gewünschten Nukleinsäuren, wie es auch in altem oder fixiertem Gewebe der Fall ist.
In unseren Laboren haben wir eine Methode zur DNA-Extraktion aus formalinfixierten atherosklerotischen Läsionen unter Verwendung eines halbautomatischen Isolationssystems etabliert. Wir verglichen diese Methode mit anderen kommerziell erhältlichen Extraktionsprotokollen und konzentrierten uns auf weitere nachgelagerte Analysen. Reinheit und Konzentration der DNA wurden mittels Spektrometrie und Fluorometrie gemessen. Bewertet wurden der Grad der Fragmentierung und die Gesamtqualität.
Die höchste DNA-Quantität und -Qualität wurde mit dem modifizierten Blut-DNA-Protokoll für das automatisierte Extraktionssystem anstelle des kommerziellen FFPE-Protokolls erreicht. Mit diesem Schritt-für-Schritt-Protokoll waren die DNA-Ausbeuten von FFPE-Proben im Durchschnitt viermal höher und weniger Proben bestanden den Extraktionsprozess, was bei Biopsien kleiner Gefäße von entscheidender Bedeutung ist. Amplikongrößen von 200–800 bp konnten mittels PCR nachgewiesen werden. Diese Studie zeigt, dass die aus unserem FFPE-Gewebe gewonnene DNA zwar stark fragmentiert ist, aber dennoch für eine erfolgreiche Amplifikation und Sequenzierung kürzerer Produkte verwendet werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die automatisierte Technologie in unseren Händen das beste System für die DNA-Extraktion zu sein scheint, insbesondere für kleine FFPE-Gewebeproben.
Die Formalinfixierung mit anschließender Paraffineinbettung (FFPE) ist ein Standardverfahren zur Langzeitkonservierung pathologischer Proben im Biobanking1. Diese Proben stellen eine wertvolle Quelle für histologische Studien sowie molekulare Analysen, insbesondere genetische Studien,dar 2. Weitere Vorteile von FFPE-Geweben sind eine bessere Langzeitlagerung, geringere Kosten und einfachere Lagerbedingungen. Unsere Absicht ist es, ein zuverlässiges und einfach zu handhabendes Protokoll für die reproduzierbare Nukleinsäureisolierung aus kleinen Mengen von FFPE-Schnitten bereitzustellen, da eine qualitativ hochwertige DNA-Extraktion der erste entscheidende Schritt in einer Vielzahl von molekularen Techniken ist und FFPE-Gewebe die am besten verfügbare Probenquelle sind.
Neue wissenschaftliche Ansätze, wie z. B. Next-Generation-Sequencing (NGS) und "Omics"-Forschungsansätze, erfordern eine hohe Qualität der Nukleinsäuren 3,4,5. Die Extraktion von DNA aus FFPE-Gewebeproben ist nach wie vor eine Herausforderung. DNA aus FFPE-Proben kann je nach Alter und Fixierungsbedingungen in Qualität und Quantität stark variieren. Formalin, die am häufigsten verwendete Verbindung, führt zur DNA-Protein-Vernetzung 6,7,8 und bewirkt einen unspezifischen zufälligen Bruch in der Nukleotidsequenz9. Dies kann sich erheblich auf nachgelagerte genomische Analysen auswirken, da die Vernetzung die Amplifikation der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) deaktivieren kann 6,10. Aufgrund von Verunreinigungen während des Fixierungsprozesses ist die Reinheit der aus FFPE-Proben isolierten DNA oft eingeschränkt. In den letzten Jahren wurden verschiedene Methoden zur DNA-Isolierung etabliert, meist aus Krebsgewebeproben 2,11,12,13.
Generell können Protokolle für die Extraktion von Nukleinsäuren aus FFPE-Gewebe in drei Hauptgruppen unterschieden werden. Die erste, am häufigsten verwendete Gruppe von Verfahren umfasst kommerziell erhältliche Säulensysteme auf Kieselsäurebasis14. Die zweite Gruppe umfasst manuelle Extraktionsmethoden in der organischen Phase mit Phenol und Chloroform, die erstmals von Joseph Sambrook und David W. Russellbeschrieben wurden 15. Als dritte Gruppe haben sich in den letzten Jahren automatisierte Systeme etabliert, wie z.B. Liquid-Handling-Systeme sowie paramagnetische partikelbasierte Systeme16. Jedes der drei genannten Systeme hat unterschiedliche Vor- und Nachteile, wie z. B. gefährliche Chemikalien (d. h. Xylol, Phenol, Chloroform), hohe Kosten17, Arbeitskraft18 und Zeitaufwand19. Insbesondere für die schwierigen Gewebeproben sowie Hochdurchsatzanalysen sind Standardisierung, Reproduzierbarkeit, relativ geringer Zeit-, Personal- und Kostenaufwand die wichtigsten Merkmale bei der Suche nach einem geeigneten Verfahren zur Nukleinsäureisolierung20. Es ist bekannt, dass automatisierte Extraktionsmethoden bessere reproduzierbare Ergebnisse liefern und für kleine Biopsien empfindlicher sind. Darüber hinaus wird weniger Gewebe oder Blut benötigt und das Risiko einer Verstopfung des Systems durch hohe Mengen an Paraffin wird reduziert. Obwohl Maschinen zur automatisierten Nukleinsäureextraktion und die benötigten Kits im Vergleich zu manuellen Methoden teurer sind, überzeugen sie dennoch durch weniger problematische Extraktionsprozesse. Die Literaturrecherche bietet eine Vielzahl von Publikationen, die einen direkten Vergleich zwischen manuellen, säulenbasierten und automatisierten DNA- und RNA-Extraktionsmethoden aus verschiedenen Geweben und Organismen wie Pflanzen, Tieren und Menschen sowie Zellen in Kultur veranschaulichen 20,21,22. Es gibt auch Hinweise in der Literatur, die zeigen, dass DNA und RNA, die aus 10 Jahre altem schockgefrorenem Gewebe isoliert wurden, für nachgelagerte Analysen wie PCR, quantitative PCR, NGS, Methylierungsanalysen und Klonierungverwendet werden können 9,23,24,25,26.
Das Hauptproblem bei z.B. gealtertem humanem Gefäßgewebe sowie kleinen Gewebebiopsien, insbesondere bei FFPE-Proben, ist der Mangel an Zellen in den stark verkalkten atherosklerotischen Läsionen, was folglich zu niedrigen Konzentrationen von Nukleinsäurenführt 1. Obwohl mehrere Methoden zur DNA-Extraktion aus FFPE-Gewebe bereits etabliert und weit verbreitet sind, erfordern die manuellen Probenvorbereitungsmethoden eine lange praktische Zeit27 und toxische Reagenzien wie Xylol oder Phenol sind für die Entparaffinisierung erforderlich2. Wie beschrieben, ist der Entparaffinierungsprozess ein entscheidender, zeitaufwändiger Schritt (z. B. etwa 30 Minuten), der die Qualität und Quantität der extrahierten DNA deutlich beeinflusst (z. B. toxische Wirkungen auf die DNA, wie z. B. Fragmentierung und Abbau der Entparaffinierungslösung und hohe Temperaturen)28. Kürzlich entwickelte neue DNA-Extraktionsprotokolle konzentrieren sich auf die Verwendung anderer ungiftiger Entparaffinierungslösungen, Reparaturstrategien und automatisierter Bead-Technologien. Insbesondere hat sich gezeigt, dass automatisierte und halbautomatische Methoden bei der DNA-Extraktion erfolgreich sind, da sie eine effiziente Rückgewinnung, keine Kreuzkontamination und eine einfache Leistung aufweisen29. Wir haben ein Protokoll etabliert, das diese Einschränkungen überwindet. Dadurch ermöglicht unsere Technik eine Reduzierung der Bearbeitungs- und Hands-on-Zeit bei höchsten quantitativen und qualitativen Standards.
Insbesondere bei reproduzierbaren Hochdurchsatzanalysen wie Genotypisierung, epigenomischen Studien und RNA-Sequenzierung ist die Handhabung von FFPE-Proben mit säulenbasierten Aufreinigungssystemen oft schwierig und zeitaufwändig (z. B. lange Entparaffinisierungsschritte, Säulenverstopfung und lange Hands-on-Zeiten). Das Hauptproblem ist die Verstopfung der Kieselsäuremembranen durch den hohen Paraffingehalt. Weitere Umstände, die die Isolierung von hochwertigen Nukleinsäuren verschlechtern können, sind kleine Gewebemengen wie Mikrobiopsien der Haut, kleines Mausgewebe, sehr fettiges oder verkalktes Gewebe wie Plaques, verknöchertes Gewebe und gealterte Proben. Insbesondere in der Diagnose und Forensik sind automatisierte und halbautomatische Systeme wie Liquid Handling oder paramagnetische partikelbasierte Extraktionsmethoden in den letzten Jahren immer wichtiger geworden30,31, vor allem aufgrund der relativ geringen Hands-on-Zeiten und der Möglichkeit der Standardisierung. Die meisten der bereits veröffentlichten Protokolle eignen sich perfekt für glatte Gewebe mit hohen oder mittleren Zellmengen, wie z. B. Tumorbiopsien oder Pflanzengewebe 13,22,32. Die Literatur über Methoden für halbautomatische partikelbasierte Methoden, die zur Isolierung von DNA aus relativ schwer zu handhabendem Gewebe wie fixierten Einzelzellen, verkalkten Gefäßen, kollagenreichem Gewebe und Fettgewebe mit geringer Zellzahl verwendet werden, ist nur unzureichend beschrieben33.
In dieser Arbeit wird eine optimierte halbautomatische Methode zur DNA-Isolierung aus vaskulären Paraffin-eingebetteten Schnitten beschrieben und mit zwei manuellen säulenbasierten Protokollen verglichen. Für die Validierung wurden die DNA-Menge, die Reinheit und das Ausmaß der Fragmentierung verwendet. Als Ausgangspunkt diente das kommerziell erhältliche Blut-DNA-Protokoll, und die manuellen Schritte des halbautomatischen Systems wurden anschließend für die Verwendung von FFPE sowie frischen gefrorenen Gewebeproben aus menschlichem und tierischem Gewebe optimiert, wobei Schritte aus dem FFPE- und dem Gewebeprotokoll kombiniert wurden. Der automatisierte Schritt dieses Protokolls ist auf dem Gerät vorinstalliert und hängt vom verwendeten Kit (hier dem Blut-DNA-Kit) ab. Mit dem beschriebenen halbautomatischen kartuschenbasierten System ist es möglich, DNA aus Blut, frisch gefrorenem Gewebe, formalinfixiertem Gewebe und sogar einzelnen Zellen mit dem gleichen Protokoll, der gleichen Maschine, dem gleichen Kit und den gleichen Verbrauchsmaterialien zu isolieren, anstatt verschiedene Protokolle und Kits für das Instrument zu verwenden, wie es vom Unternehmen empfohlen wird. Es gibt nur geringfügige Unterschiede in den Protokollen, wie z.B. einen Puffer und einige Inkubationszeiten für die verschiedenen Anwendungen, was dieses Protokoll sehr nützlich für die Extraktion von DNA aus allen Arten von Geweben macht. Unser Protokoll ist in erster Linie für verkalktes, zellarmes und fibröses menschliches Gefäßgewebe optimiert, kann aber natürlich für alle Arten von schwierigen Geweben, die oben erwähnt wurden, verwendet und weiter optimiert werden.
Zusammengefasst bieten wir Forschern im kardiovaskulären Bereich, die sich mit Atherosklerose (z. B. Aorta, Halsschlagadern, Koronararterien) befassen, ein einfach zu bedienendes Punkt-für-Punkt-Protokoll für die halbautomatische DNA-Extraktion aus vaskulären FFPE-Proben.
Die Erlaubnis zur Entnahme von atherosklerotischen Proben der menschlichen Halsschlagader in unserer Biobank wurde von der örtlichen Ethikkommission des Krankenhauses (2799/10, Ethikkommission der Fakultät für Medizin der Technischen Universität München, München, Deutschland) genehmigt. Von allen Patienten wurde eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Die Versuche wurden in Übereinstimmung mit den Grundsätzen der Deklaration von Helsinki durchgeführt.
1. Vorbereitung des Gewebes
2. Lipidauflösung und Entparaffinisierung
HINWEIS:Dieser Schritt ist für die Entparaffinisierung und den Lipidaufschluss erforderlich. Der verwendete Puffer ist weniger toxisch als kommerzielle Entparaffinierungslösungen.
3. Proben- und Proteinverdauung
HINWEIS: Der native Verdau mit Protease K ist entscheidend, um saubere DNA-Extrakte ohne Proteine zu erhalten. Es reduziert auch alle vorhandenen kontaminierenden Proteine. Darüber hinaus werden auch Nukleasen zerstört, um die DNAzu retten 34. Dieser Schritt über Nacht ist auch für den vollständigen Probenaufschluss erforderlich.
4. Zelllyse
5. Vorbereitung der vordosierten Kartuschen
6. Automatisierte DNA-Extraktion
7. Beende den Lauf
Für die Erstellung des Protokolls wurden 5 FFPE-Gewebeblöcke von Patienten mit Arteriosklerose der Halsschlagader verwendet. Die DNA wurde sowohl mit einem optimierten halbautomatischen Protokoll (Kit C) als auch mit zwei kommerziell erhältlichen manuellen säulenbasierten Protokollen (Kit A und Kit B, siehe Materialtabelle) isoliert. Die DNA-Extraktion mit Kit A und B wurde gemäß dem Protokoll des Herstellers durchgeführt. Die einzige Änderung, die im Protokoll d...
DNA-Extraktionsmethoden für FFPE-Gewebe variieren in Qualität und Quantität der isolierten DNA, was sich zwangsläufig auf die Leistung weiterer nachgelagerter Analysen auswirkt. Daher wird die Automatisierung immer wichtiger, um den Workflow und die Standardisierung sowie das Qualitätsmanagement zu verbessern. Daher wurde in der vorliegenden Studie eine halbautomatische Methode zur DNA-Extraktion aus FFPE-Proben evaluiert, die bessere Ergebnisse als die anderen getesteten manuellen ...
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt besteht.
Die Etablierung des Protokolls für die automatisierte DNA-Extraktion wurde von Dr. Paul Muschler von der Firma Promega unterstützt. Wir danken Paul Muschler für seine Unterstützung und seinen wissenschaftlichen Beitrag. Wir danken auch unserem Kollegen Dr. Moritz von Scheidt (Deutsches Herzzentrum München) für die Bereitstellung des Maxwell-Instruments und die Unterstützung des experimentellen Teils. Alle Experimente wurden in den Laboren des Deutschen Herzzentrums (München, Deutschland) und des Klinikums rechts der Isar (München, Deutschland) durchgeführt. Die Forschung wurde von der DFG gefördert (PE 900/6-1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1.5 ml tubes for sample incubation | Eppendorf, Hamburg, Germany | 30120086 | |
1-Thioglycerol | Promega, Walldorf, Germany | A208 | |
Agilent tape station software 3.2 | Agilent, Waldbronn, Germany | ||
dsDNA HS Kit | ThermoFisher Scientific, Schwerte, Germany | Q32851 | |
FFPE DNA Purification Kits (Kit A) | Norgene Biotek, Heidelberg, Germany | 47400 | |
FFPE tissue samples n=5 | Munich Vascular Biobank,Munich, Germany | ||
GeneRead DNA FFPE Kit (Kit B) | Qiagen, Hilden, Germany | 180134 | |
Heating blocks, set to 80°C and 65°C | VWR,Darmstadt,Germany | 460-0250 | |
High Sensitivity D5000 reagents | Agilent, Waldbronn, Germany | 5067-5593 | |
High Sensitivity D5000 ScreenTape | Agilent, Waldbronn, Germany | 5067-5592 | |
Incubation Buffer | Promega, Walldorf, Germany | D920 | |
Maxwell Blood Kit RSC including: Lysis Buffer, Elution Buffer, Proteinase K | Promega, Walldorf, Germany | AS1400 | |
Maxwell RSC 48 Instrument | Promega, Walldorf, Germany | AS8500 | |
Microcentrifuge | Eppendorf, Hamburg, Germany | ||
NanoDrop 2000c Spectrometer | ThermoFisher Scientific, Schwerte, Germany | ND-2000C | |
Optical caps | Agilent, Waldbronn, Germany | 401425 | |
Optical tube strips | Agilent, Waldbronn, Germany | 401428 | |
Pipettors and pipette tips | Eppendorf, Hamburg, Germany | ||
Prism 6 for statistics, version 6.01 | GraphPad Inc., San Diego, California | ||
Qubit 3.0 Fluorometer | ThermoFisher Scientific, Schwerte, Germany | Q33216 | |
TapeStation 4200 | Agilent, Waldbronn, Germany | ||
Tecan Infinite M200 Pro | Tecan, Männedorf, Swizerland | IN-MNANO |
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