Dieses Protokoll bietet eine reproduzierbare Methode zur Visualisierung der Genamplifikation in formalinfixierten, paraffineingebetteten (FFPE) Gewebeproben.
Die fokale Genamplifikation, wie z. B. die extrachromosomale DNA (ecDNA), spielt eine wichtige Rolle bei der Krebsentstehung und Therapieresistenz. Während sequenzierungsbasierte Methoden eine unvoreingenommene Identifizierung von ecDNA ermöglichen, bleiben zytogenetische Techniken, wie z. B. die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH), zeit- und kosteneffizient für die Identifizierung von ecDNA in klinischen Proben. Die Anwendung von FISH in formalinfixierten, paraffineingebetteten (FFPE) Gewebeproben bietet einen einzigartigen Weg zum Nachweis amplifizierter Gene, insbesondere wenn keine lebensfähigen Proben für die Karyotypuntersuchung zur Verfügung stehen. Allerdings fehlt es an Konsensverfahren für diese Technik. Dieses Protokoll bietet umfassende, vollständig optimierte Schritt-für-Schritt-Anweisungen für die Durchführung von FISH zum Nachweis der Genamplifikation, einschließlich ecDNA, in FFPE-Gewebeproben, die einzigartige Herausforderungen mit sich bringen, die mit diesem Protokoll überwunden und standardisiert werden sollen. Durch die Befolgung dieses Protokolls können Forscher reproduzierbar hochwertige Bildgebungsdaten erfassen, um die Genamplifikation zu beurteilen.
Die Untersuchung der fokalen Onkogenamplifikation ist von entscheidender Bedeutung, da sie die Entstehung, das Fortschreiten und die Therapieresistenz von Krebs fördert1. Wichtig ist, dass Onkogene und immunregulatorische Gene als extrachromosomale DNAs (ecDNA) amplifiziert werden können, deren asymmetrische Vererbung die genetische Heterogenität bei Krebs fördert 2,3. ecDNA wurde mit Therapieresistenz und ungünstigen klinischen Ergebnissen in Verbindung gebracht 4,5,6.
Formalinfixierte, in Paraffin eingebettete (FFPE) Gewebeproben stellen eine umfangreiche Archivressource in pathologischen Laboratorien dar und bieten reichlich Informationen für retrospektive Studien. Die Extraktion molekularer Daten aus FFPE-Proben durch PCR oder Sequenzierung stellt jedoch aufgrund der Fragmentierung, des Abbaus und der Vernetzung von Nukleinsäuren während der Fixierung eine Herausforderungdar 7. Unter den verfügbaren Techniken für die molekulare Analyse von FFPE-Geweben hat sich die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) bei der Visualisierung spezifischer DNA-Sequenzen als wirksam erwiesen8.
Trotz der Weiterentwicklung moderner molekulardiagnostischer Verfahren bietet die Fähigkeit von FISH, die Genamplifikation auf Einzelzellebene zu visualisieren und zu quantifizieren, wertvolle Einblicke in die molekularen Mechanismen, die der Tumorgenese und den klinischen Ergebnissen zugrunde liegen. Durch die Verwendung von fluoreszenzmarkierten Sonden, die komplementär zum Zielgen von Interesse sind, kann FISH die Lokalisierung eines Onkogens bequem aufklären und auf die Form der Onkogen-Amplifikation (wie ecDNA) innerhalb einzelner Zellen schließen, die sonst mit anderen Technologien unmöglich oder teuer wäre. Daher bietet FISH eine kostengünstige Möglichkeit, die Heterogenität von Tumoren und die klonale Evolution zu beurteilen9. Darüber hinaus haben Fortschritte in der Automatisierung, Bildgebung und computergestützten Analyse die Hochdurchsatzanalyse von FISH-Daten erleichtert und ermöglichen so eine robuste Quantifizierung der Genamplifikation über große Gewebekohortenhinweg 10.
Die Anwendung von FISH auf FFPE-Gewebe birgt jedoch inhärente Herausforderungen, einschließlich der Vernetzung von Artefakten und der Hintergrundautofluoreszenz. Die Überwindung dieser Hindernisse erfordert eine sorgfältige Optimierung jedes Verfahrens, um genaue und reproduzierbare Ergebnisse zu gewährleisten. Dieses Papier bietet ein Schritt-für-Schritt-Protokoll, das vollständig optimiert ist, für die Anwendung von FISH zur Untersuchung der Genamplifikation in FFPE-Gewebeproben. Mit Hilfe einer Sonde, die auf den ERBB2 (HER2)-Genlocus abzielt, zeigen wir, dass FISH den ERBB2-Amplifikationsstatus in FFPE-Proben von Brustkrebspatientinnen robust nachweisen kann. Es ist sogar möglich abzuschätzen, ob ERBB2 als ecDNAs amplifiziert wird. Durch die Synthese der vorhandenen Literatur und unserer experimentellen Ergebnisse verdeutlichen wir die methodischen Überlegungen, technischen Herausforderungen und potenziellen Fallstricke der FISH-basierten Analyse. Wir diskutieren auch die klinische Relevanz von Genamplifikationsprofilen bei verschiedenen Krebsarten und unterstreichen ihre prognostische Bedeutung und ihr Potenzial für personalisierte therapeutische Strategien.
Zusammenfassend unterstreicht diese Arbeit die Bedeutung von FISH als wertvolles Werkzeug für die Untersuchung der Genamplifikation in FFPE-Gewebeproben, das beispiellose Einblicke in die Tumorbiologie bietet und die klinische Entscheidungsfindung in der Onkologie leitet. Durch die kontinuierliche Verfeinerung und Integration mit komplementären molekularen Assays ist die FISH-basierte Analyse in der Lage, unser Verständnis der Krebspathogenese weiter zu verbessern und die Patientenergebnisse im Zeitalter der Präzisionsmedizin zu verbessern.
Dieses Forschungsprotokoll wurde vom Institutional Review Board (IRB) des Southwestern Medical Center der University of Texas genehmigt. Vor der Operation wurde von allen Patienten eine Einverständniserklärung eingeholt.
1. Vorbereitung von Reagenzien und Materialien
2. Vorbehandlung der Proben
HINWEIS: Der hier verwendete Objektträger enthält die Probe.
3. FISH und Bildgebung
Wir verwendeten FFPE-Proben von HER2-positivem und -negativem Brustkrebs, um das Ergebnis der FISH-Bildgebung zu demonstrieren. Die Amplifikation von HER2 (kodiert durch das ERBB2-Gen ) ist aufgrund der Verfügbarkeit und Wirksamkeit von molekularen HER2-Targeting-Therapien ein günstiger Marker. Im Gegensatz dazu sehen sich Patientinnen mit dreifach negativem Brustkrebs, bei denen die Expression von HER2, Östrogenrezeptor (ER) und Progesteronrezeptor (PR) fehlt, aufgrund begrenzter therapeutischer Optionen mit schlechten Ergebnissen konfrontiert. Daher ist die Bestimmung des HER2-Status für die Erforschung und Behandlung von Brustkrebs von entscheidenderBedeutung 15.
In der dreifach negativen Brustkrebsprobe zeigen die meisten Zellkerne zwei unterschiedliche Punkte, die HER2/ERBB2-FISH-Signale darstellen. Einige Kerne haben aufgrund der Schnittverzerrung möglicherweise nur einen Punkt (Abbildung 2, links). Im Gegensatz dazu weisen HER2-positive Proben reichlich FISH-Signale mit zwei unterschiedlichen Mustern auf. Ein Muster zeigt verstreute Punkte im gesamten Zellkern (Abbildung 2, Mitte). Dieses Muster ist ein Merkmal der ecDNA-Morphologie, da ecDNAs möglicherweise kein einzigartiges und organisiertes Kerngebiet besetzen16. Darüber hinaus führt die asymmetrische Segregation von ecDNAs während der Mitose zur Variation der Kopienzahl, was zu einer Signalheterogenität zwischen den Zellkernenführt 17. Einige Zellkerne können gelegentlich Cluster aufweisen, was auf ecDNA-Hubshinweist 18 (Abbildung 2, rechts). Die andere Art der HER2-Amplifikation zeigt hauptsächlich stäbchenförmige, kondensierte Aggregate. Diese Morphologie deutet wahrscheinlich auf eine chromosomenbasierte Amplifikation hin, wie z. B. homogen färbende Regionen (HSR)19 oder durch den Breakage-Fusion-Bridge-Zyklus (BFB)20. Bemerkenswert ist, dass ecDNA-, HSR- und BFB-Amplifikation im selben Zellkern koexistieren können. Daher wird empfohlen, mehrere Kerne zu untersuchen, um auf die Form der fokalen Amplifikation zu schließen.
Abbildung 1: Schematische Darstellung von FISH in FFPE-Proben. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Repräsentatives FISH-Bild in FFPE-Proben von Brustkrebs. Vergrößerung: 600x; Maßstab: 10 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
FISH ist eine schnelle und kostengünstige Option für die zytogenetische Diagnose. Insbesondere bei der Bestimmung, ob ecDNA bei Krebs vorhanden ist, bleibt die FISH-Evidenz der Goldstandard1. FISH in FFPE-Gewebe ermöglicht eine schnelle Bestimmung des Genstatus in den Biopsieproben eines Patienten, was eine schnellere Diagnose und die Verfolgung von Veränderungen während des gesamten Krankheitsverlaufs ermöglicht. Diese Technik ist besonders wertvoll für die Untersuchung klinischer Proben, die bereits für die Pathologie entnommen wurden.
Dieses Protokoll umfasst mehrere kritische Schritte. Der erste Schritt ist die gründliche Entparaffinierung. Restparaffin kann die FISH-Hybridisierung stören. Wenn die Probe nach Schritt 2 immer noch wachsartig erscheint, sollte sie erneut mit frischem Xylol oder dessen Ersatz behandelt werden.
Zweitens sind die Proteinextraktion und -verdauung von entscheidender Bedeutung. Diese Prozesse verbessern nicht nur die Zugänglichkeit der DNA für die FISH-Sonde, sondern reduzieren auch die Autofluoreszenz erheblich. Dieses Protokoll umfasst drei Deproteinisierungsschritte. Während die Behandlung mit 0,2 N HCl und 10 mM Zitronensäure unkompliziert ist, kann der Proteinase-K-Verdau optimiert werden müssen. Eine Überverdauung ist der häufigste Fehler bei der Verwendung von Proteinase K, der zu haloförmigen Zellkernen führt. Durch die Verkürzung der Verdauungszeit wird die Morphologie der Zellkerne verbessert. Darüber hinaus wird empfohlen, nicht mehr als vier Proben gleichzeitig zu verdauen, um den Zeitunterschied zwischen der ersten und der letzten Probe zu minimieren. Es ist wichtig zu beachten, dass selbst ein intakter Zellkern unter hoher Vergrößerung und hochauflösender Mikroskopie als Halo erscheinen kann. Das liegt daran, dass sich der Zellkern nicht auf der gleichen Fokusebene befindet. Daher wird empfohlen, mehrere Z-Stapel zu verwenden und eine maximale Projektion durchzuführen, um die Kernmorphologie zu untersuchen.
Schließlich wird eine Quench-Autofluoreszenz empfohlen. Obwohl die Säureextraktion und der Proteinase-K-Verdau den proteinabgeleiteten Hintergrund signifikant reduzieren können, können fluoreszierende Metaboliten die Bildgebungsqualität beeinträchtigen.
Obwohl FISH eine beispiellose räumliche Auflösung bei der Identifizierung der fokalen Genamplifikation bietet, hat es Einschränkungen. Erstens sind der Inhalt und der Durchsatz im Vergleich zu PCR- oder Next-Generation-Sequencing-basierten (NGS)-basierten Ansätzen gering. In der Regel können ein bis drei FISH-Sonden in verschiedenen Farben ohne spezielle Ausrüstung auf einen einzigen Objektträger aufgebracht werden. Nichtsdestotrotz haben Fortschritte in der Automatisierungstechnologie FISH mit hohem Gehalt und hohem Durchsatz, wie z. B. die In-situ-Sequenzierung 21, möglich gemacht. Zweitens erfordert das Design der FISH-Sonde vorherige Informationen. Die laufenden Bemühungen zur Identifizierung wiederkehrender fokaler Amplifikationsereignisse bei Krebs haben die Entwicklung von vorgefertigten FISH-Panels für Labor- und klinische Anwendungen ermöglicht. Zum Beispiel werden Onkogene der MYC-Familie häufig als ecDNA bei kleinzelligem Lungenkrebs amplifiziert, um Chemotherapieresistenz zu vermitteln. Daher kann ein FISH-Panel, das auf die MYC-, MYCL- und MYCN-Gene abzielt, die Bestimmung des Behandlungsansprechens in Biopsien beschleunigen. Im Vergleich dazu ermöglicht NGS ein unvoreingenommeneres Screening von Genen von Interesse. Von den NGS-basierten Technologien kann ecDNA jedoch nur durch die Ganzgenomsequenzierung mit rechenintensiver Analyse22 charakterisiert werden.
Zusammenfassend stellen wir robuste und umfassende Anweisungen zur Untersuchung der fokalen Genamplifikation in FFPE-Proben vor. Durch die Untersuchung des FISH-Signalmusters wird eindeutig klar, ob und wie ein Genlocus amplifiziert wird. Wir erwarten die Integration von maschinellem Lernen in die Bildanalyse23 von Interphase-Zellkernen, um zytogenetische Informationen bezüglich der Kopienzahl und der Form der Amplifikation (Chromosom oder ecDNA) zu extrahieren, wodurch der molekulare Diagnoseprozess rationalisiert und unser Verständnis der pathogenetischen Mechanismen bei Krebs verbessert wird.
S.W. ist Mitglied des wissenschaftlichen Beirats von Dimension Genomics Inc.
S.W. ist Stipendiat des Cancer Prevention and Research Institute of Texas (RR210034) und wird von diesem unterstützt
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DAPI | Tocris Bioscience | 5748 | Nucleus staining |
Dextran sulfate 50% solution | EMD Millipore Sigma | S4030 | Probe hybridization buffer |
ERBB2 (HER2) FISH Probe | Empire Genomics | ERBB2-20-RE | FISH probe |
Ethanol | Decon Labs | 2716 | Dehydrating and hydrating tissue |
Formamide | Thermo Scientific Chemicals | 205821000 | Probe hybridization buffer |
Formula 83 (Xylene substitute) | CBG Biotech | CH0104A | Removing paraffin |
Hydrochloric acid | Fisher Chemical | A144-500 | Sample pretreatment |
IGEPAL CA-630 | Thermo Scientific Chemicals | J19628K2 | Slide washing |
Proclin 300 | Sigma-Aldrich | 48914-U | Preservative for SSC buffer (optional) |
Proteinase K (800 units/mL) | New England Biolabs | P8107S | Protein digestion |
RNase A (20 mg/mL) | New England Biolabs | T3018L | Probe hybridization buffer |
Slide Moat Hybridization System | Boekel Scientific | 280001 | Sample denature and hybridization. Alternative hot plates are acceptable. |
Sodium chloride | Fisher Chemical | S2713 | SSC buffer |
Sodium citrate dihydrate | Fisher BioReagents | FLBP3271 | SSC buffer and sample pretreatment |
Tris-EDTA (TE) buffer | Fisher BioReagents | BP2473500 | Proteinase K digestion buffer |
Tween-20 | Fisher BioReagents | BP337-500 | Probe hybridization buffer |
Vectashield antifade mounting media | Vector Laboratories | H190010 | Slide mounting |
Vector TrueVIEW | Vector Laboratories | SP8400 | Autofluorescence quenching kit |
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