Technologie kan de DNA-sequentiebepaling voor het diagnosticeren van bepaalde DNA-mutaties op zijn kop zetten

Artsen gebruiken steeds vaker genetische handtekeningen om ziekten te diagnosticeren en de beste zorg te bepalen, maar het gebruik van DNA-sequencing en andere technieken om genomische herrangschikkingen te detecteren, blijft duur of beperkt in mogelijkheden. Echter, een innovatieve doorbraak ontwikkeld door onderzoekers van Virginia Commonwealth University Massey Cancer Center en de VCU Department of Physics belooft DNA-herrangschikkingsmutaties te diagnosticeren tegen een fractie van de kosten met verbeterde nauwkeurigheid.

Onder leiding van VCU-fysicus Jason Reed, Ph.D., ontwikkelde het team een ​​techniek die een proces combineert genaamd digitale polymerasekettingreactie (dPCR) met high-speed atomic force microscopy (HSAFM) om een ​​beeld te creëren met zo’n resolutie op nanoschaal dat gebruikers dat kunnen meten verschillen in de lengtes van genen in een DNA-sequentie. Deze variaties in genlengte, bekend als polymorfismen, kunnen de sleutel zijn voor het nauwkeurig diagnosticeren van vele vormen van kanker en neurologische aandoeningen.

Een studie waarin de methode wordt beschreven, is onlangs in het tijdschrift gepubliceerd ACS Nano, en het onderzoeksteam rapporteerden hun resultaten tijdens de jaarlijkse bijeenkomsten van de Association of Molecular Pathology en de American Society of Hematology. Eerder onderzoek naar de HSAFM-technologie werd in 2017 beschreven door VCU Massey Cancer Center.

“De technologie die nodig is om herschikkingen van DNA-sequenties te detecteren, is duur en beperkt in beschikbaarheid, maar de geneeskunde vertrouwt steeds meer op de informatie die het verstrekt om kankers en vele andere ziekten nauwkeurig te diagnosticeren en te behandelen”, zegt Jason Reed, Ph.D., lid van de Cancer Biologisch onderzoeksprogramma bij VCU Massey Cancer Center en universitair hoofddocent bij de afdeling Fysica van het VCU College of Humanities and Sciences. “We hebben een systeem ontwikkeld dat een routinematig laboratoriumproces combineert met een goedkope maar krachtige atoommicroscoop die veel voordelen biedt ten opzichte van standaard DNA-sequencing voor deze toepassing, tegen een fractie van de kosten.”

dPCR gebruikt het DNA-polymerase-enzym om monsters van DNA of RNA exponentieel te klonen voor verdere experimenten of analyse. Het monster wordt vervolgens op een atomair vlakke plaat geplaatst voor inspectie met behulp van HSAFM, die een extreem scherpe microscopische stylus, vergelijkbaar met de naald van een platenspeler, over het monster sleept om nauwkeurige metingen op moleculair niveau te maken. De techniek is door het team van Reed aangepast om optische lasers te gebruiken, zoals die in een dvd-speler, om monsters duizenden keren sneller te verwerken dan typische atoomkrachtmicroscopie. De onderzoekers ontwikkelden vervolgens computercode om de lengte van elk DNA-molecuul te achterhalen.

Het team beweert dat elke dPCR-reactie minder dan $ 1 kost om te scannen met hun techniek.

Om de klinische bruikbaarheid van het proces aan te tonen, werkte Reed samen met Amir Toor, MD, hematoloog-oncoloog en lid van het onderzoeksprogramma Developmental Therapeutics in Massey, en Alden Chesney, MD, universitair hoofddocent pathologie bij de afdeling Pathologie aan de VCU School of Medicine. Samen vergeleken ze de techniek van Reed met de huidige standaardtest om DNA-lengtepolymorfismen in het FLT3-gen te diagnosticeren bij patiënten met acute myeloïde leukemie. Patiënten met deze mutaties hebben doorgaans een agressievere ziekte en een slechte prognose in vergelijking met patiënten zonder de mutatie.

Reed’s techniek identificeerde nauwkeurig FLT3-genmutaties in alle monsters en kwam overeen met de resultaten van de huidige gouden standaardtest (LeukoStrat CDx FLT3 Mutation Assay) bij het meten van de lengtes van de gensegmenten. In tegenstelling tot de huidige test rapporteert Reed’s analyse echter ook de variant allel fractie (VAF). De VAF kan aantonen of de mutatie is geërfd en maakt de detectie mogelijk van mutaties die mogelijk door de huidige test worden gemist.

“We hebben ervoor gekozen om ons te concentreren op FLT3-mutaties omdat ze moeilijk te diagnosticeren zijn en de standaardtest beperkt is in mogelijkheden”, zegt Reed. “We zijn van plan deze technologie te blijven ontwikkelen en testen bij andere ziekten waarbij structurele DNA-mutaties betrokken zijn. We hopen dat het een krachtig en kosteneffectief hulpmiddel kan zijn voor artsen over de hele wereld die kanker en andere verwoestende ziekten behandelen die worden veroorzaakt door DNA-mutaties.”