Detecção de DNA livre de células em amostras de plasma de sangue de pacientes com câncer

Summary

Neste artigo apresentamos um protocolo detalhado para a técnica de biópsia líquida não invasiva, incluindo coleta de sangue, separação de plasma e casaco buffy, extração de DNA cfDNA e germinal, quantificação de DNA cfDNA ou germinal, e análise de enriquecimento de fragmentos cfDNA.

Abstract

Identificar mutações em tumores de pacientes com câncer é um passo muito importante no manejo da doença. Essas mutações servem como biomarcadores para o diagnóstico de tumor, bem como para a seleção do tratamento e sua resposta em pacientes com câncer. O método padrão-ouro atual para detectar mutações tumorais envolve um teste genético do DNA tumoral por meio de biópsias tumorais. No entanto, este método invasivo é difícil de ser realizado repetidamente como um teste de acompanhamento do repertório mutacional tumoral. A biópsia líquida é uma técnica nova e emergente para detectar mutações tumorais como uma abordagem de biópsia fácil de usar e não invasiva.

As células cancerígenas se multiplicam rapidamente. Paralelamente, inúmeras células cancerígenas sofrem apoptose. Detritos dessas células são liberados no sistema circulatório de um paciente, juntamente com pedaços de DNA finamente fragmentados, chamados fragmentos de DNA livre de células (CFDNA), que carregam mutações de DNA tumoral. Portanto, para identificar biomarcadores à base de CFDNA utilizando a técnica de biópsia líquida, amostras de sangue são coletadas dos pacientes com câncer, seguidas pela separação de plasma e casaco buffy. Em seguida, o plasma é processado para o isolamento do CFDNA, e o respectivo casaco buffy é processado para o isolamento do DNA genômico de um paciente. Ambas as amostras de ácido nucleico são então verificadas quanto à sua quantidade e qualidade; e analisado para mutações usando técnicas de sequenciamento de última geração (NGS).

Neste manuscrito, apresentamos um protocolo detalhado para biópsia líquida, incluindo coleta de sangue, plasma e separação de casacos buffy, extração de DNA cfDNA e germinal, quantificação de DNA cfDNA ou germinal, e análise de enriquecimento de fragmentos cfDNA.

Introduction

Os avanços tecnológicos levaram ao sequenciamento de centenas de genomas cancerígenos e transcritos¹. Isso contribuiu para a compreensão das paisagens das mudanças moleculares em diferentes tipos de câncer². Outros estudos sobre essas paisagens ajudaram a caracterizar as alterações sommáticas sequenciais e as fusões gene-gene³ que estão envolvidas na progressão do câncer ou tumor, interrompendo seriamente as vias de apoptose⁴. Portanto, mutações somáticas e fusões gene-gene podem fornecer informações sobre tumores servindo como biomarcadores em pacientes individuais para um determinado tumor tipo⁵, identificando o prognóstico de tumores primários existentes^6,categorizando tumores secundários baseados em alterações moleculares⁷e identificando alvos tumorais drogados⁸. Essas informações podem facilitar na seleção do tratamento personalizado para pacientes com câncer e na determinação de respostas positivas e negativas ao tratamento⁹. No entanto, a obtenção de material tumoral para identificação de perfil genômico do tecido tumoral é um procedimento invasivo¹⁰. Além disso, uma biópsia tumoral compreende apenas uma pequena parte de um tumor heterogêneo; e pode, portanto, não ser representativo para o perfil molecular de todo o tumor¹¹. O monitoramento serial e a genotipagem tumoral requerem uma coleta repetida de tecidos tumorais, o que, geralmente, não é viável devido à invasão do procedimento de biópsia tumoral e às questões de segurança decorrentes desses procedimentos¹².

A técnica de biópsia líquida, por outro lado, ganhou uma tremenda atenção na oncologia de precisão na última década^13,14. Deve-se principalmente à não invasiva dessa técnica, e à possibilidade de ser repetida em vários momentos, possibilitando assim uma técnica de monitoramento fácil de usar e segura para os cursos da doença^15,16. A biópsia líquida é baseada em um fenômeno que as células tumorais se multiplicam rapidamente, e simultaneamente muitas delas sofrem apoptose e necrose. Isso leva à liberação de detritos celulares apoptóticos no sangue dos pacientes, juntamente com os fragmentos de DNA que são cortados em tamanhos precisos durante a apoptose¹⁷. A apoptose de células não cancerosas também leva à liberação de seus detritos celulares no sangue, no entanto, a taxa de apoptose nessas células é relativamente muito menor do que as células tumorais¹⁸. O racional da técnica de biópsia líquida é capturar moléculas associadas ao tumor, como DNA, RNA, proteínas e células tumorais^14,19 que circulam continuamente no sangue. Várias técnicas²⁰ podem ser usadas para a análise dessas moléculas, incluindo Sequenciamento de Próxima Geração (NGS), reação em cadeia de polimerase de gotícula digital (ddPCR), PCR em tempo real e ensaio imunosorbente ligado à enzima (ELISA). A técnica de biópsia líquida permite identificar biomarcadores que são características das células tumorais. Essas moléculas biomarcadores não são apenas liberadas de partes específicas de um tumor, mas sim de todas as partes do tumor²¹. Assim, os marcadores identificados na biópsia líquida representam o perfil molecular de todo um tumor heterogêneo, além de outros tumores no corpo, tendo vantagens sobre a técnica baseada em biópsia^{tecidual 22}.

O cfDNA tem um curto tempo de meia-vida no sangue circulante que varia de alguns minutos a 1-2 horas²³. No entanto, o curto tempo de meia-vida do CFDNA facilita análises em tempo real, avaliando a resposta ao tratamento e avaliações dinâmicas do tumor. Os níveis de CFDNA derivados do tumor indicam prognóstico do estágio/tamanho do tumor evidenciado por diversos estudos, que mostraram relação entre os níveis de CFDNA e os desfechos de sobrevivência²⁴. Além disso, estudos comprovaram que o CFDNA tem uma melhor capacidade de previsão do que os marcadores tumorais existentes²⁵. O prognóstico do CFDNA é ainda mais acentuado após o tratamento do câncer, níveis mais elevados de CFDNA após o tratamento correlaciona-se bem com uma taxa reduzida de sobrevivência e resistência ao tratamento. Considerando que os níveis mais baixos de CFDNA após a terapia geralmente correspondem à resposta positiva ao tratamento. Além disso, o CFDNA facilita a detecção precoce da resposta ao tratamento do que os métodos tradicionais de detecção.

O CFDNA aumenta a possibilidade de detecção precoce de mutações associadas ao câncer: durante a doença em estágio inicial¹⁵, o aparecimento dos sintomas²⁶ e antes do diagnóstico de câncer até 2 anos²⁷. Como o CFDNA é liberado de múltiplas regiões tumorais ou focos, sua análise fornece uma visão abrangente do genoma tumoral que representa²⁸. Portanto, o CFDNA permite detectar mutações somáticas que podem ter sido perdidas nas amostras de tecido²⁹. Como a heterogeneidade intra-tumoral e mutações subclonais podem ser detectadas pelo sequenciamento profundo de regiões genômicas que abrangem milhares de bases, daí a análise do CFDNA permite descobrir subtipos moleculares específicos com assinaturas genômicas distintas¹³. Para obter um nível semelhante de informação através da amostra de tecido muitas biópsias sólidas teriam sido necessárias.

Além disso, os níveis de CFDNA em pacientes com uma doença localizada, como câncer de cólon, ovário e pulmão após tratamento cirúrgico e/ou quimioterapia, demonstraram ser um poderoso marcador prognóstico para a recidiva do câncer e os resultados do tratamento²⁰. Além disso, em pacientes com câncer de cólon, mama e pulmão, análises de CFNA do sangue puderam detectar com sucesso as alterações específicas do tumor, o que levou à previsão precisa de recidiva com vários meses de antecedência¹³. Além disso, os marcadores de resistência ao tratamento, como mutações kras em pacientes com CRC recebendo terapia anti-EGFR³⁰; VAFs para genes como PIK3CA, MED1 ou EGFR em pacientes com câncer de mama após o tratamento com várias terapias³¹; e a mutação de resistência EGFR T790M em pacientes com câncer de pulmão tratada com TKIs³² direcionados ao EGFR também podem ser identificadas pela análise de CFDNA.

Em resumo, a análise cfDNA pode ser utilizada para identificar biomarcadores precisos no campo da oncologia^13,33. Neste protocolo, amostras de sangue de 3 pacientes com glioma e 3 controles saudáveis foram processadas para obter DNA genômico de WBCs e CFDNA do plasma. No câncer de glioma, mutações em IDH, TERT, ATRX, EGFR e TP53 servem como diagnóstico, bem como marcadores prognósticos que podem ajudar no diagnóstico precoce de tumores glioma, classificando diferentes tipos de tumores de glioma, orientando o tratamento preciso para o paciente individual e entendendo a resposta ao tratamento^34,35. O status mutacional desses genes pode ser identificado usando cfDNA derivado do sangue. Neste manuscrito, apresentamos um protocolo detalhado de CFDNA derivado do plasma que tem sido usado para estudar alterações mutacionais no câncer de glioma¹². Esse protocolo de biópsia líquida baseado em CFDNA explicado neste artigo pode ser usado para estudar alterações mutacionais em muitos outros tipos de câncer. Além disso, um estudo recente mostrou que a biópsia líquida baseada em CFDNA pode detectar 50 tipos diferentes de^{cânceres 36}.

A coleta, o armazenamento e o envio de amostras de sangue são etapas cruciais neste protocolo, pois a temperatura descontrolada durante essas etapas causa lise dos WBCs, levando à liberação de DNA genômico do WBC no plasma e causando contaminação da amostra de CFDNA, que afeta o resto do procedimento³⁷. A hemólise devido à temperatura descontrolada pode prejudicar os processos de preparação da amostra a jusante do CFDNA, como as etapas³⁸do PCR . O soro contém uma alta proporção de cfDNA germinal em vez de plasma, embora apresente um grande ruído de fundo para cfDNA³⁹associada ao tumor . Portanto, para isolar o CFDNA associado ao tumor, o plasma é uma amostra adequada³⁹. O sangue extraído em um anticoagulante contendo tubo de coleta de sangue deve ser centrifutor imediatamente ou dentro de até duas horas, para separar o plasma e evitar a contaminação por CFDNA. Neste protocolo são utilizados tubos comerciais dedicados de coleta de sangue cfDNA (ver Tabela de Materiais),que são uma alternativa ao anticoagulante contendo tubos de coleta de sangue. Estes tubos dedicados de coleta de sangue preservam cfDNA e cfRNA, e previne a lise de WBCs por até 30 dias a temperatura ambiente, e até 8 dias a 37 °C. Isso facilita a manutenção da temperatura apropriada durante um carregamento de amostras de sangue e até que o plasma e o WBC sejam separados⁴⁰.

Existem três tipos de metodologias de extração de CFDNA atualmente disponíveis: isolamento de fase, coluna de spin baseada em membrana de silício e isolamento à base de contas^{magnéticas 41}. O método da coluna spin baseada em membrana de silício rendeu uma alta quantidade de cfDNA com alta integridade em comparação com outros métodos de extração de CFDNA⁴².

A avaliação quantitativa do DNA é um requisito fundamental na biópsia líquida, há a necessidade de desenvolver um procedimento simples, acessível e padronizado para sua fácil implementação e amplo uso. Três métodos comumente utilizados para quantificação de CFDNA são espectrofotométrico, fluorimétrico e qPCR. O método fluorimétrico é comprovado melhor em relação aos outros métodos relativos à precisão, custo e facilidade de condução⁴³.

A integridade e pureza do CFDNA podem ser estimadas por eletroforese agarose ou eletroforese capilar. A eletroforese agarose não mostra sensibilidade na baixa concentração de CFDNA nem tem alta resolução para mostrar o tamanho preciso do fragmento de cfDNA. Por outro lado, a eletroforese capilar tem uma vantagem sobre a eletroforese agarose, superando os desafios associados e, portanto, amplamente utilizada pelos pesquisadores para a análise do tamanho do fragmento de CFDNA. Neste protocolo, a distribuição do tamanho do fragmento do CFDNA isolado foi estimada utilizando um instrumento automatizado de eletroforese capilar (ver Tabela de Materiais).

Protocol

Antes da coleta de sangue, é necessário o consentimento informado dos sujeitos participantes da pesquisa e deve ser obtido. A pesquisa descrita neste manuscrito foi realizada de acordo com o Rabin Medical Center, o Comitê de Ética de Israel (código de ética: 0039-17-RMC) e a Faculdade de Medicina Der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, comitê de ética da Alemanha (código de ética: D 405/14). 1. Coleta e armazenamento de amostras de sangue em tubos de conservante cfDNA ou cfRNA</p…

Representative Results

Separação plasmáticaO sangue de 8,5-9 mL coletado em tubos de conservação cfDNA ou cfRNA produz cerca de ~4 mL de plasma em volume. O volume de plasma separado do sangue coletado nos tubos EDTA pode variar dependendo da temperatura. A exposição de tubos EDTA contendo sangue a uma temperatura superior a 37 °C leva à diminuição do volume de plasma44. Resultados do ensaio do ensaio do fluorômetroa concentração de CFDN…

Discussion

A coleta de sangue de um paciente em um tubo, embarque e armazenamento são etapas iniciais cruciais na biópsia líquida. O manuseio inadequado pode prejudicar a qualidade do plasma e, portanto, pode interferir nos resultados da biópsia líquida⁴⁷. Se uma amostra de sangue for coletada em um tubo sanguíneo EDTA, o plasma deve ser separado dentro de duas horas de coleta de sangue para evitar a lise dos WBCs e liberar seu DNA genômico no plasma⁴⁸. Os WBCs também podem so…

Materials

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