A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
במאמר זה אנו מציגים פרוטוקול מפורט עבור טכניקת ביופסיה נוזלית לא פולשנית, כולל איסוף דם, פלזמה והפרדת מעיל באפי, cfDNA ומיצוי DNA נבט, כימות של CFDNA או DNA נבט, וניתוח העשרת שבר cfDNA.
זיהוי מוטציות בגידולים של חולי סרטן הוא צעד חשוב מאוד בניהול מחלות. מוטציות אלה משמשות סמנים ביולוגיים לאבחון הגידול, כמו גם לבחירת הטיפול ותגובתו בחולי סרטן. השיטה הנוכחית של תקן הזהב לגילוי מוטציות בגידול כרוכה בבדיקה גנטית של דנ"א גידולי באמצעות ביופסיות גידול. עם זאת, שיטה פולשנית זו קשה להתבצע שוב ושוב כבדיקת מעקב של רפרטואר מוטציה הגידול. ביופסיה נוזלית היא טכניקה חדשה ומתפתחת לגילוי מוטציות בגידולים כגישה ביופסיה קלה לשימוש ולא פולשנית.
תאים סרטניים מתרבים במהירות. במקביל, תאים סרטניים רבים עוברים אפופטוזיס. פסולת מתאים אלה משתחררים לתוך מערכת הדם של המטופל, יחד עם חתיכות DNA מקוטע דק, הנקרא DNA ללא תאים (cfDNA) שברים, אשר נושאים מוטציות DNA הגידול. לכן, לזיהוי סמנים ביולוגיים מבוססי cfDNA באמצעות טכניקת ביופסיה נוזלית, דגימות דם נאספות מחולי הסרטן, ואחריו הפרדת פלזמה ומעיל באפי. לאחר מכן, פלזמה מעובדת לבידוד של cfDNA, ואת מעיל באפי בהתאמה מעובד לבידוד של ה-DNA הגנומי של המטופל. שתי דגימות חומצת גרעין נבדקות לאחר מכן עבור כמות ואיכותן; ונותחו עבור מוטציות באמצעות טכניקות רצף הדור הבא (NGS).
בכתב יד זה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט לביופסיה נוזלית, כולל איסוף דם, פלזמה והפרדת מעיל באפי, הפקת דנ"א cfDNA ונבט, כימות של CFDNA או DNA נבט, וניתוח העשרת שבר cfDNA.
ההתקדמות הטכנולוגית הובילה לריצוף של מאות גנומים וסרטן ותעתיקים1. זה תרם להבנת נופים של שינויים מולקולריים על פני סוגי סרטן שונים2. מחקרים נוספים על נופים אלה סייעו לאפיין את השינויים הסומטיים הרציפים והיתוךגנים-גנים 3 המעורבים בהתקדמות סרטן או גידול, על ידי שיבוש סדרתי של מסלולי אפופטוזיס4. לכן, מוטציות סומטיות והיתוך גנים-גנים יכולים לספק מידע על גידולים על ידי לשמש סמנים ביולוגיים בחולים בודדים עבור סוג גידול מסוים5, זיהוי גידולים ראשוניים קיימים פרוגנוזה6, סיווג גידולים משניים המבוססים על שינויים מולקולריים7, וזיהוי מטרות גידול תרופתי8. מידע כזה עשוי להקל בבחירת טיפול מותאם אישית לחולי סרטן ובקביעת תגובות טיפול חיוביות ושליליות9. עם זאת, קבלת חומר הגידול לזיהוי פרופיל גנומי של רקמת הגידול הוא הליך פולשני10. יתר על כן, ביופסיה גידול מורכב רק חלק קטן של גידול הטרוגניים; ולכן, לא להיות מייצג את הפרופיל המולקולרי של הגידול כולו11. ניטור סדרתי ו genotyping הגידול דורשים אוסף חוזר ונשנה של רקמות הגידול, אשר, בדרך כלל, אינו ריאלי בשל פולשנות של הליך ביופסיה הגידול ואת בעיות הבטיחות הנובעות הליכים כאלה12.
טכניקת הביופסיה הנוזלית, לעומת זאת, צברה תשומת לב עצומה באונקולוגיה מדויקת בעשור האחרון13,14. זה בעיקר בשל אי פולשניות של טכניקה זו, ואת האפשרות של זה חוזר על עצמו בנקודות זמן מרובות, ובכך מאפשר טכניקה קלה לשימוש ניטור בטוח עבור קורסי המחלה15,16. ביופסיה נוזלית מבוססת על תופעה שתאי הגידול מתרבים במהירות, ובמקביל רבים מהם עוברים אפופטוזיס ונמק. זה מוביל לשחרור פסולת תא אפופטוטי לדם של המטופלים, יחד עם שברי ה- DNA שנחתכים בגדלים מדויקים במהלך אפופטוזיס17. האפופטוזיס של תאים לא סרטניים מוביל גם לשחרור הפסולת התאית שלו לדם, עם זאת, שיעור האפופטוזיס בתאים אלה נמוך יחסית לתאי הגידול18. הרציונל של טכניקת הביופסיה הנוזלית הוא ללכוד מולקולות הקשורות לגידולים כגון DNA, RNA, חלבונים ותאי גידול14,19 אשר מסתובבים ברציפות בדם. טכניקות שונות20 ניתן להשתמש לניתוח של מולקולות אלה כולל הדור הבא רצף (NGS), תגובת שרשרת פולימראז טיפה דיגיטלית (ddPCR), PCR בזמן אמת, ואנזים מקושר immunosorbent assay (ELISA). טכניקת ביופסיה נוזלית מאפשרת זיהוי סמנים ביולוגיים שהם מאפיינים של תאים סרטניים. מולקולות סמן ביולוגי אלה אינן משתחררות רק מחלקים מסוימים של גידול, אלא מכל חלקי הגידול21. לפיכך, סמנים שזוהו בביופסיה נוזלית מייצגים את הפרופיל המולקולרי של גידול הטרוגנטי שלם, בנוסף לגידולים אחרים בגוף, ובכך, יש יתרונות על טכניקה מבוססת ביופסיה רקמה22.
cfDNA יש זמן מחצית חיים קצר בדם במחזור הנע בין כמה דקות 1-2 שעות23. עם זאת, זמן מחצית החיים הקצר של cfDNA מקל על ניתוחים בזמן אמת על ידי הערכת תגובת הטיפול והערכות גידול דינמי. רמות cfDNA שמקורן בגידול מצביעות על פרוגנוסטיזציה של שלב הגידול / גודל העיד על ידי מספר מחקרים, אשר הראו קשר בין רמות cfDNA ותוצאות ההישרדות24. יתר על כן, מחקרים הוכיחו כי cfDNA יש יכולת חיזוי טובה יותר מאשר סמני הגידול הקיימים25. הפרוגנוסטיזציה של cfDNA בולטת עוד יותר לאחר טיפול בסרטן, רמות גבוהות יותר של cfDNA בעקבות הטיפול בקורלציה טובה עם שיעור הישרדות מופחת, ועמידות לטיפול. בעוד, רמות נמוכות יותר של cfDNA בעקבות טיפול בדרך כלל מתאים עם תגובה טיפולית חיובית. בנוסף, cfDNA מאפשר גילוי מוקדם של תגובת טיפול מאשר שיטות הגילוי המסורתיות.
CFDNA מגביר את האפשרות של גילוי מוקדם של מוטציות הקשורות לסרטן: במהלך מחלה בשלב מוקדם15, תחילת הסימפטומים26 ולפני אבחון סרטן עד 2 שנים27. כמו cfDNA משתחרר מאזורי גידול מרובים או מוקדים, הניתוח שלה מספק תצוגה מקיפה של הגנום הגידול הוא מייצג28. לכן, cfDNA מאפשר לזהות מוטציות סומטיות שאולי הוחמצו בדגימות הרקמה29. כמו הטרוגניות תוך גידול מוטציות תת שבטיות ניתן לזהות על ידי רצף עמוק של אזורים גנומיים פורש אלפי בסיסים, ומכאן הניתוח של cfDNA מאפשר לחשוף תת סוגים מולקולריים ספציפיים עם חתימות גנומיות ברורות13. כדי להשיג רמה דומה של מידע באמצעות דגימת רקמה ביופסיות מוצקות רבות היה צורך.
יתר על כן, רמות cfDNA בחולים עם מחלה מקומית כגון המעי הגס, השחלות, וסרטן הריאות לאחר טיפול כירורגי ו / או כימותרפיה, הוכיח להיות סמן פרוגנוסטי רב עוצמה עבור הישנות סרטן ותוצאות הטיפול20. יתר על כן, בחולים עם סרטן המעי הגס, השד והריאות, ניתוחים של cfDNA מהדם יכול לזהות בהצלחה את השינויים ספציפיים לגידול, מה שהוביל לחיזוי מדויק של הישנות מספר חודשים מראש13. יתר על כן, סמני עמידות לטיפול, כגון מוטציות KRAS בחולים עם CRC קבלת טיפול נגד EGFR30; VAFs עבור גנים כגון PIK3CA, MED1 או EGFR בחולים עם סרטן השד לאחר הטיפול עם טיפולים שונים31; מוטציית התנגדות EGFR T790M בחולי סרטן ריאות שטופלו TKIs ממוקד EGFR32 ניתן לזהות גם על ידי ניתוח cfDNA.
לסיכום, ניתוח cfDNA יכול לשמש לזיהוי סמנים ביולוגיים מדויקים בתחום האונקולוגיה13,33. בפרוטוקול זה, דגימות דם של 3 חולי גליומה ו 3 פקדים בריאים עובדו כדי לקבל DNA גנומי מ WBCs ו cfDNA מהפלזמה. בסרטן גליומה, מוטציות IDH, TERT, ATRX, EGFR, ו TP53 משמש אבחון, כמו גם סמנים פרוגנוסטיים שעשויים לעזור באבחון מוקדם של גידולים גליומה, סיווג סוגים שונים של גידולים גליומה, המנחה את הטיפול המדויק עבור המטופל הפרט והבנת התגובההטיפולית 34,35. מצב מוטציה של גנים אלה ניתן לזהות באמצעות cfDNA שמקורו בדם. בכתב יד זה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט של cfDNA שמקורו בפלזמה ששימש לחקר שינויים מוטציה בסרטן גליומה12. כזה cfDNA מבוססי פרוטוקול ביופסיה נוזלית הסביר במאמר זה יכול לשמש לחקר שינויים מוטציה בסוגים רבים אחרים של סרטן. יתר על כן, מחקר שנערך לאחרונה הראה כי ביופסיה נוזלית מבוססת cfDNA יכולה לזהות 50 סוגים שונים של סרטן36.
איסוף דגימת דם, אחסון, ומשלוח הם צעדים מכריעים בפרוטוקול זה, כמו טמפרטורה בלתי מבוקרת במהלך שלבים אלה גורם תמוגה של WBCs, המוביל לשחרור של DNA גנומי מן WBC לתוך הפלזמה ולגרום לזיהום של מדגם cfDNA, אשר משפיע על שאר ההליך37. המוליזה עקב טמפרטורה בלתי מבוקרת עלולה לפגוע בתהליכי הכנת מדגם במורד הזרם של cfDNA, כגון שלבים PCR38. הסרום מכיל שיעור גבוה של נבט cfDNA ולא פלזמה, למרות שהוא מציג רעש רקע גדול עבור cfDNA הקשורים לגידול39. לכן, עבור בידוד cfDNA הקשורים לגידול, פלזמה היא מדגם מתאים39. דם נמשך צינור איסוף דם המכיל קרישה צריך להיות צנטריפוגה מיד או בתוך שעתיים, כדי להפריד את הפלזמה כדי למנוע זיהום cfDNA. בפרוטוקול זה, צינורות ייעודיים לשימור cfDNA דם שימור משמשים (ראה טבלה של חומרים), המהווים חלופה נוגדי קרישה המכילים צינורות איסוף דם. אלה צינורות איסוף דם ייעודי לשמר cfDNA ו cfRNA, ומונע תמוגה של WBCs עד 30 ימים בטמפרטורת הסביבה, ועד 8 ימים ב 37 °C (69 °F). זה מקל על שמירה על הטמפרטורה המתאימה במהלך משלוח דגימת דם ועד הפלזמה ו- WBC מופרדים40.
ישנם שלושה סוגים של מתודולוגיות מיצוי cfDNA זמין כיום: בידוד פאזה, טור ספין מבוסס סיליקון קרום, ובידוד מבוסס חרוז מגנטי41. שיטת עמודת ספין מבוססת ממברנת סיליקון הניבה כמות גבוהה של cfDNA עם שלמות גבוהה בהשוואה לשיטות חילוץ cfDNA אחרות42.
ההערכה הכמותית של ה- DNA היא דרישה בסיסית בביופסיה נוזלית, יש צורך לפתח הליך פשוט, סביר ומתוקנן ליישומם הקל ולשימוש רחב. שלוש שיטות נפוצות לכימות cfDNA הן ספקטרופוטומטריות, פלואורימטריות ו- qPCR. השיטה הפלואורימטרית מוכחת טוב יותר על פני שיטות אחרות לגבי הדיוק, העלות וקלות ההולכה43.
השלמות והטוהר של cfDNA ניתן להעריך על ידי אלקטרופורזה agarose או אלקטרופורזה נימי. אלקטרופורזה אגרוז לא מראה רגישות בריכוז נמוך של cfDNA וגם אין רזולוציה גבוהה כדי להראות גודל שבר מדויק של cfDNA. מצד שני, אלקטרופורזה נימי יש יתרון על אלקטרופורזה agarose על ידי התגברות על האתגרים הקשורים, ולכן, בשימוש נרחב על ידי החוקרים לניתוח גודל שבר cfDNA. בפרוטוקול זה, התפלגות גודל הקטע של cfDNA מבודד הוערך באמצעות מכשיר אלקטרופורזה נימי אוטומטי (ראה טבלה של חומרים).
לפני איסוף הדם, נדרשת הסכמה מדעת של הנבדקים המשתתפים במחקר ויש להשיגה. המחקר המתואר בכתב יד זה בוצע בהתאם לעמידה במרכז הרפואי רבין, בוועדת האתיקה הישראלית (קוד אתי: 0039-17-RMC) ובפקולטה לרפואה דר כריסטיאן-אלברכטס-אוניברסיטת זו קיל, ועדת האתיקה של גרמניה (קוד אתי: ד' 405/14).
1. איסוף ואחסון דגימת דם בצינורות משמרים cfDNA או cfRNA
2. הפרדת מעיל פלזמה ומעיל באפי ואחסון
3. טיהור של cfDNA במחזור מ 1 מ"ל של פלזמה
הערה: שלב זה מבוצע עם ערכה מסחרית (ראה טבלת חומרים). כל המאגרים מסופקים עם הערכה.
4. טיהור דנ"א גנומי ממעיל באפי
הערה: ערכה מסחרית המשמשת בפרוטוקול זה מוזכרת בטבלת החומרים. מאגרים ריאגנטים המוזכרים בפרוטוקול הבא כלומר, מאגר תמוגה A, מאגר תמוגה B, חוצץ לשטוף X, לשטוף חוצץ Y, מאגר פרוטאינאז, מאגר Elution, ו Proteinase K הם חלק ערכה מסחרית זו.
5. כימות של cfDNA ודנ"א גנומי באמצעות פלואורומטר
6. התפלגות גודל שבר DNA של cfDNA על ידי מנתח שבר
הפרדת פלזמה
8.5-9 דם מ"ל שנאסף cfDNA או cfRNA צינורות משמרים מניב סביב ~ 4 פלזמה מ"ל בנפח. נפח הפלזמה המופרדת מדם שנאסף בצינורות EDTA עשוי להשתנות בהתאם לטמפרטורה. חשיפה של צינורות EDTA המכילים דם בטמפרטורה גבוהה מ 37 מעלות צלזיוס מוביל לירידה בתפוקת נפחהפלזמה 44.
איסוף הדם של המטופל בצינור, משלוח ואחסון הם צעדים ראשוניים חיוניים בביופסיה נוזלית. טיפול לא נכון יכול לפגוע באיכות הפלזמה, ולכן, יכול להפריע לתוצאות הביופסיה הנוזלית47. אם דגימת דם נאספת בצינור דם EDTA, הפלזמה חייבת להיות מופרדת בתוך שעתיים של איסוף הדם, כדי למנוע תמוגה של WBCs ושח...
המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כלכליים מתחרים.
המחברים מבקשים להודות לחברי המעבדה לגנומיקה של סרטן וביו-מחשב של מחלות מורכבות על תשומות התצפית החדות שלהם והשתתפותם בדיונים מרובים בשלבים שונים של פרויקט זה. התמיכה במימון כוללת את האגודה למלחמה בסרטן (מענק ICA ל-M.F-M 2017-2019) ואת מענק קמין מרשות החדשנות (עבור מ.פ.מ).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2100 Bioanalyzer Instrument | Agilent Technologies, Inc. | G2939BA | The 2100 Bioanalyzer system is an established automated electrophoresis tool for the sample quality control of biomolecules. |
Adjustable Clip for Priming Station | Agilent Technologies, Inc. | 5042-1398 | Used in combination with syringe to apply defined pressure for chip priming. |
Agilent High Sensitivity DNA Kit | Agilent Technologies, Inc. | 5067-4626 | The High Sensitivity DNA assays are often used for sample quality control for next-generation sequencing libraries |
cf-DNA/cf-RNA Preservative Tubes | Norgen Biotek Corp. | 63950 | Norgen's cf-DNA/cf-RNA Preservative Tubes are closed, evacuated plastic tubes for the collection and the preservation of cf-DNA, circulating tumor DNA, cf-RNA and circulating tumor cells in human whole blood samples during storage and shipping |
Chip Priming Station | Agilent Technologies, Inc. | 5065-4401 | Used to load gel matrix into a chip with a syringe provided with each assay kit— used for RNA, DNA, and protein assays. Includes priming station, stop watch, and 1 syringe clip |
Electrode Cleaner Kit | Agilent Technologies, Inc. | 5065-9951 | Prevents cross-contamination. Removes bacterial or protein contaminants from electrodes. |
Filters for Gel Matrix | Agilent Technologies, Inc. | 185-5990 | Used for proper mixing of DNA dye concentrate and DNA gel matrix |
IKA Basic Chip Vortex | IKA-Werke GmbH & Co. KG | MS-3-S36 | Used for proper mixing of DNA ladder and DNA sample on Bioanalyzer assay chips |
NucleoSpin Tissue kit | MACHEREY-NAGEL | 740952.5 | With the NucleoSpin Tissue kit, genomic DNA can be prepared from tissue, cells (e.g., bacteria), and many other sources. |
QIAamp circulating nucleic acid kit | Qiagen | 55114 | The QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit enables efficient purification of these circulating nucleic acids from human plasma or serum and other cell-free body fluids. |
QIAvac 24 Plus vacuum manifold | Qiagen | 19413 | The QIAvac 24 Plus vacuum manifold is designed for vacuum processing of QIAGEN columns in parallel. |
QIAvac Connecting System | Qiagen | 19419 | In combination with the QIAvac Connecting System, the QIAvac 24 Plus vacuum manifold can be used as a flow-through system. The sample flow-through, containing possibly infectious material, is collected in a separate waste bottle. |
Qubit 2.0 fluorometer | Invitrogen | Q32866 | The Qubit 2.0 Fluorometer is an easy-to-use, analytical instrument designed to work with the Qubit assays for DNA, RNA, and protein quantitation. |
Qubit assay tubes | Thermo Fisher Scientific | Q32856 | Qubit assay tubes are 500 µL thin-walled polypropylene tubes for use with the Qubit Fluorometer. |
Qubit dsDNA HS Assay Kit | Thermo Fisher Scientific | Q32851 | The Qubit dsDNA HS (High Sensitivity) Assay Kit is designed specifically for use with the Qubit Fluorometer. The assay is highly selective for double-stranded DNA (dsDNA) over RNA and is designed to be accurate for initial sample concentrations from 10 pg/µL to 100 ng/µL. |
Vacuum Pump | Qiagen | 84010 | used for vacuum processing of QIAGEN columns |
Miscellaneous | |||
50 ml centrifuge tubes | |||
Crushed ice | |||
Ethanol (96–100%) | |||
Heating block or similar at 56 °C (capable of holding 2 ml collection tubes) | |||
Isopropanol (100%) | |||
Microcentrifuge | |||
Phosphate-buffered saline (PBS) | |||
Pipettes (adjustable) | |||
Sterile pipette tips (pipette tips with aerosol barriers are recommended to help prevent cross-contamination) | |||
Water bath or heating block capable of holding 50 mL centrifuge tubes at 60 °C |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved