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生物工程学报 Chinese Journal of Biotechnology DOI: 10.13345/j.cjb.170350 罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 Mar. 25, 2018, 34(3): 407 420 2018 Chin J Biotech, All rights reserved 生物技术与方法 407 PCR DNA KRAS 罗宇文, 李瑶 200433,. PCR DNA KRAS., 2018, 34(3): 407 420. Luo YW, Li Y. Detection of KRAS mutation in colorectal cancer patients cfdna with droplet digital PCR. Chin J Biotech, 2018, 34(3): 407 420. 摘要 : 基于微滴式数字聚合酶链式反应 (Droplet digital polymerase chain reaction, ddpcr) 设计一种检测肠癌游离循环 DNA (Circulating cell free DNA, cfdna) 中 KRAS (V-Ki-ras2 Kirsten ratsarcoma viral oncogene homolog) 基因突变的新方法并评估其灵敏度和准确性 根据肠癌病人 KRAS 基因的突变类型设计并合成, 采用 ddpcr 扩增并评估其灵敏度和准确性 ; 根据 AMRS-PCR 引物设计原理设计 KRAS 基因的实时定量 PCR 扩增引物并评估其准确性, 进而比较 ddpcr 和 qpcr 二者之间的优缺点 ; 最后针对 52 例肠癌病人的 cfdna 采用 ddpcr 进行检测, 研究 ddpcr 在 cfdna KRAS 基因突变检测的应用 成功使用 ddpcr 和 qpcr 两种方法对 KRAS 野生型及 7 种突变型建立检测方法, 使用质粒标准品及实际样品验证该两种方法可行并对其假阳性率 线性范围及检测下限等性能进行了评价, 最后成功对 52 例临床患者和 20 例正常人的血浆 cfdna 样本进行检测, 临床灵敏度为 97.64%, 临床特异性为 81.43% ddpcr 的检测性能优于 qpcr,lod 达到个位数 DNA 拷贝, 最低可确认突变浓度达到 0.01% 0.04% 样本提取效率在方法学建立中也十分重要, 直接影响到灵敏度和 Cut Off 值的判定 临床患者检测结果显示其 KRAS 突变率接近报道水平 : 微滴式数字聚合酶链式反应, 肠癌游离循环 DNA,KRAS, 液态活检 Received: September 8, 2017; Accepted: December 11, 2017 Corresponding author: Yao Li. Tel: +86-21-51630559; E-mail: yaoli@fudan.edu.cn

408 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech Detection of KRAS mutation in colorectal cancer patients cfdna with droplet digital PCR Yuwen Luo, and Yao Li Institute of Genetics, School of Life Sciences, Fudan University, Shanghai 200433, China Abstract: This study aims to develop a new method for the detection of KRAS mutations related to colorectal cancer in cfdna, and to evaluate the sensitivity and accuracy of the detection. We designed a method of cfdna based KRAS detection by droplets digital PCR (ddpcr). The theoretical performance of the method is evaluated by reference standard and compared to the ARMS PCR method. Two methods, ddpcr and qpcr, were successfully established to detect KRAS wild type and 7 mutants. Both methods were validated using plasmid standards and actual samples. The results were evaluated by false positive rate, linearity, and limit of detection. Finally, 52 plasma cfdna samples from patients and 20 samples from healthy people were tested, the clinical sensitivity is 97.64%, clinical specificity is 81.43%. ddpcr method shows higher performance than qpcr. The LOD of ddpcr method reached single digits of cfdna copies, it can detect as low as 0.01% to 0.04% mutation abundance. Keywords: droplet digital PCR colorectal cancer, cell free DNA, KRAS, liquid biopsy DNA (Circulating cell free DNA cfdna) DNA 180 bp cfdna DNA (Circulating cell free tumor DNA ctdna) [1] cfdna [2] [3] cfdna PCR 30 pg 1% PCR (Droplet digital pcr ddpcr) PCR 0.001% [4] PCR PCR DNA PCR [5] [6] PCR (Limits of detection LOD) [7] ddpcr PCR [8-9] PCR PCR ddpcr cfdna KRAS ( PCR) LOD PCR

罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 409 PCR PCR 1 材料与方法 1.1 标准品处理 KRAS 12 13 7 G12C G12V G12D G12R G12S G12A G13D ( ( ) ) XbaⅠ( ( ) ) 1.2 血浆 cfdna 的提取 52 20 45 Cell-Free DNA BCT (218962 Streck Inc. USA) 5 ml 1 600 g 20 min 1 6000 g 10 min QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit (Qiagen) cfdna QIAamp Mini PCR 50 μl K 60 1 h 30 μl 20 1.3 微滴式数字 PCR 引物设计及扩增 Beacon Designer 8.10 (Primer Biosoft) (http://www.softpedia.com/get/science-cad/ Beacon-Designer.shtml) Blast 7 KRAS KRAS KRAS cfdna KRAS (5 -GACTGAATATAAACT TGTGGTA-3 ; 5 -GTCCACAAAATGATTCTGA-3 ) FAM Taqman KRAS HEX Taqman 1 ( ) PCR (Bio-Rad) 8 Sample 8 PCR 8 20 μl 1 buffer control (Bio-Rad) (Bio-Rad) 8 Oil 70 μl (Bio-Rad) 8 (Bio-Rad) QX200 Droplet Generator(Bio-Rad) 20 000 (Bio-Rad) 8 Sample 表 1 微滴式数字 PCR 探针序列 Table 1 Sequence of digital PCR probes Type Sequence G12C FAM-5 -ACTCTTGCCTACGCCACAAG-3 -BHQ1 G12S FAM- 5 -ACTCTTGCCTACGCCACTAG-3 -BHQ1 G12R FAM-5 -ACTCTTGCCTACGCCACGAG-3 -BHQ1 G12V FAM-5 -ACTCTTGCCTACGCCAACAG-3 -BHQ1 G12D FAM-5 -ACTCTTGCCTACGCCAT CAG-3 -BHQ1 G12A FAM-5 -ACTCTTGCCTAC GCCAGCAG-3 -BHQ1 G13D FAM-5 -ACTCTT GCCTACGTCACCAG-3 -BHQ1 W T HEX-5 -ACTCTTGCCTACGCCACCAG-3 -BHQ1 010-64807509 cjb@im.ac.cn

410 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech 96 PCR PCR 2.5 /s PCR 96 QX200 Droplet Reader (Bio-Rad) QuantaSoft (Bio-Rad) RED FAM HEX QuantaSoft PCR ( copies/μl) 1.4 聚合酶链式扩增阻碍突变系统引物设计及检测 ARMS- PCR PCR 使用通用引物, PNA PNA 2 PNA ( ) 5 -TGGAGCTGGT GGCGTAGGC-P04-3 HEX Taq-man 5 -HEX-TCTGAATTAGCTGTATCGTCAAG GCACTCT-BHQ1-3 1.5 方法学论证 1.5.1 cfdna cfdna 表 2 qpcr 引物序列 Table 1 Sequence of qpcr primers Type Sequence (5 3 ) G12C AACTTGT GGTAGTTGGAGCGT G12S ATAAACTTG TGGTAGTTGGAGCTA G12R ATAAACTT GTGGTAGTTGGAGCCC G12V AAACTT GTGGTAGTTGGAGCGGT G12D CTTGTG GTAGTTGGAGCTTA G12A AACTTGTGG TAGTTGGAGCTGC G13D GTGGTAGTTG GAGCTGGTAA Universal ACCTCTATTGTTGGATCATATTCGT C OD 260 (OD 260 >1) OD 260 /OD 280 (1.6<OD 260 /OD 280 <1.9) cfdna cfdna 1.5.2 ddpcr qpcr LOD (Limit of quantification LOQ) (CV%) 1.5.3 ddpcr 52 20 ddpcr KRAS Cut Off 1.5.4 (Limit of blank LOB) LOD LOQ 1 LOB LOB LOD LOD LOQ LOD LOQ LOQ LOD LOD 95% LOD LOD

罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 411 图 1 Fig. 1 检测方法动态范围关系图 Dynamic range schematic of diagnostic method. 1.6 统计学分析 SPSS v21.0 (http://spss. en.softonic.com/) qpcr ± ddpcr Ct / 95% 2 结果 2.1 ddpcr 理论性能检测 ddpcr 7 KRAS ( ) 3 100% 2A 2B ddpcr 10 000 10 000 PCR [10] 2 G12C G12D 0.01% 0.04% 0.1% CV 25% 0% R 2 0.98 3 2.2 健康人样本的 ddpcr 检测及理论 LOD 值 20 ddpcr ( 4) 2 copies/μl 1 2 droplets ddpcr LOD LOD 95% (LOD 1) ddpcr FPR=false droplets number/wells (False positive rate FPR) FPR 95% ( ) [11] LOD 95% LOD (LOD 2) 3 LOD 2 010-64807509 cjb@im.ac.cn

412 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech 图 2 ddpcr 扩增微滴图 ( 以 G12D 标准品梯度稀释检测结果为例 ). (A) ddpcr 扩增微滴一维图,Ch1 为 FAM 通道 ( 突变型 ),Ch2 为 HEX 通道 ( 野生型 ). 黑灰色微滴为无扩增阴性微滴, 蓝色和绿色微滴分别为 FAM 和 HEX 通道中 PCR 阳性扩增微滴, 突变比例从左至右依次降低. (B) ddpcr 扩增微滴二维图, 纵轴为 FAM 荧光增量, 横轴为 HEX 荧光增量, 微滴在坐标系内聚类为 4 簇 : 左下为无模板微滴, 左上为仅有 FAM 信号的微滴, 右下为仅有 HEX 信号的微滴, 右上为同时发出 FAM 与 HEX 信号的双阳性微滴. Fig. 2 ddpcr amplification chart (G12D as an example). (A) ddpcr 1D amplification charts, Ch1 is FAM Channel (mutant type) and Ch2 is HEX channel (wild type). In these charts, black points signify PCR negative droplets, blue and green points respectively signify PCR positive droplets in FAM channel and HEX channel, the mutation abundances descend from left to right. (B) ddpcr 2D amplification chart, Y axis shows amplitude in FAM channel and X axis shows amplitude in HEX channel, the droplets are separated in 4 clusters: lower left points signify no template droplets, upper left points signify the FAM signal positive droplets, lower right points signify HEX signal positive droplets, upper right points signify double positive droplets in both FAM and HEX channel.

罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 413 图 3 KRAS 基因不同突变型标准品梯度稀释线性方程图. (A) KRAS 基因 G12C 突变型标准品梯度稀释线性方程图. (B) KRAS 基因 G12D 突变型标准品梯度稀释线性方程图. (C) KRAS 基因 G12A 突变型标准品梯度稀释线性方程图. (D) KRAS 基因 G12V 突变型标准品梯度稀释线性方程图. (E) KRAS 基因 G12R 突变型标准品梯度稀释线性方程图. (F) KRAS 基因 G12S 突变型标准品梯度稀释线性方程图. (G) KRAS 基因 G13D 突变型标准品梯度稀释线性方程图. G12D 及 G12C 的浓度梯度为 100% 0.01%,10 倍稀释 ; 其余突变型的稀释梯度为 1% 0.2% 0.1% 0.04% Fig. 3 ddpcr linear curves of KRAS mutant abundances. (A) shows linear curve of KRAS G12C type. (B) shows linear curve of KRAS G12D type. (C) shows linear curve of KRAS G12A type. (D) shows linear curve of KRAS G12V type. (E) shows linear curve of KRAS G12R type. (F) shows linear curve of KRAS G12S type. (G) shows linear curve of KRAS G13D type. The samples of G12D and G12C are tenfold diluted from 100% to 0.01%, the dilution gradients of other mutant types are 1%, 0.2%, 0.1% and 0.04%. 010-64807509 cjb@im.ac.cn

414 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech 图 4 Fig. 4 阴性对照检测的微滴一维图 1D droplets chart of negative control tests. 表 3 两种不同方法判定的 ddpcr KRAS 突变检测法的 LOD Table 3 LODs of ddpcr KRAS detection evaluated by 2 different algorithms LOD G12C G12S G12R G12V G12D G12A G13D LOD algorithm 1 (copies/well) 1.39 1.63 2.26 2.21 1.80 1.72 1.80 LOD algorithm 2 (positive droplets/well) 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00 Note: LOD algorithm 1 is according to normal distribution, LOD algorithm 2 is according to Poisson distribution, There are significant differences between LODs and negative controls in all mutant type, P < 0.05. QX200 ddpcr 20 000 0.89 nl 20 μl copies/μl=20 ( ln(1 PD/20 000))/0.89 PD LOD=3 positive droplets/well 3.49 QX200 ddpcr 100 000 20 000 20 000 ( ) 3.49 0.017% 0.01% 0.04% CV<25% PCR KRAS LOD 0.01% 0.04%

罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 415 2.3 实时定量 PCR 理论性能检测 5 Ct>35 0.1% Ct 12% Ct 2 50% qpcr ( ) Ct 2.4 健康人样本的实时定量 PCR 检测及理论 LOD 值 16 PCR Ct 50 Ct 40 Ct PCR LOD 4 LOD 0.1% Ct G12S 0.1% 表 4 qpcr 法在各突变检测位点的理论 LOD (Ct 值 ) Table 4 The oretical LODs of qpcr methods in all mutant type (Ct value) Mutant G12S G12R G12C G12D G12A G12V G13D type LOD 27.23 35.98 30.59 32.82 37.23 35.00 34.33 Note: There are significant differences between LODs and negative controls in all mutant type, P<0.05. 2.5 误差与重复性 6 ddpcr qpcr LOQ CV ddpcr CV qpcr 2.6 ddpcr 实际样本检测结果 ddpcr 7 KRAS LOD 1 LOD PCR cfdna ( 5) LOD 1 图 5 qpcr 浓度梯度 Ct 值曲线 Fig. 5 Ct/concentration gradient curve of qpcr. 图 6 ddpcr 与 qpcr 变异系数对照图 Fig. 6 Comparison of variable coefficients between ddpcr and qpcr. X axis shows. 010-64807509 cjb@im.ac.cn

416 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech 表 5 基于 ddpcr 测得临床样本 KRAS 野生型 突变型拷贝数换算出的突变含量 Table 5 Clinical sample mutation abundances calculated from ddpcr detection results of KRAS wild and mutant type copy numbers Sample G12R G12C G12A G12S G12D G12V G13D 1 4.48% 10.13% 0.00% 14.89% 0.00% 1.52% 10.52% 2 8.76% 0.00% 0.00% 9.79% 2.12% 0.00% 1.86% 3 3.51% 0.00% 2.39% 4.99% 0.00% 0.00% 5.54% 4 20.73% 4.76% 4.41% 15.00% 2.78% 3.88% 12.18% 5 37.50% 19.60% 17.65% 38.14% 47.10% 26.83% 45.51% 6 3.35% 4.35% 0.00% 12.89% 0.00% 1.50% 16.29% 7 1.33% 0.10% 0.25% 0.80% 0.26% 0.30% 0.00% 8 0.00% 0.00% 1.96% 0.00% 8.09% 4.44% 0.00% 9 14.15% 0.00% 0.00% 22.48% 0.00% 0.00% 7.69% 10 12.28% 8.23% 5.24% 8.11% 0.00% 3.06% 0.00% 11 65.12% 0.00% 54.55% 75.12% 55.10% 71.05% 0.00% 12 44.83% 0.00% 38.14% 10.42% 43.50% 4.59% 0.00% 13 45.65% 0.00% 42.86% 55.45% 20.62% 1.93% 13.73% 14 0.00% 0.00% 8.97% 0.00% 17.53% 3.61% 0.00% 15 0.00% 50.00% 0.00% 44.13% 4.11% 0.00% 0.00% 16 1.11% 0.37% 4.63% 1.39% 0.28% 0.40% 0.00% 17 11.71% 0.00% 5.19% 18.75% 7.53% 3.19% 0.00% 18 23.00% 0.00% 21.11% 2.95% 5.98% 0.00% 0.00% 19 14.89% 0.00% 5.14% 6.86% 0.00% 3.41% 0.00% 20 0.00% 0.06% 0.00% 0.13% 0.06% 0.03% 0.00% 21 1.64% 1.25% 0.00% 4.97% 0.00% 1.35% 0.00% 22 3.10% 2.27% 1.26% 17.43% 1.23% 8.11% 0.00% 23 13.73% 0.00% 15.79% 0.00% 0.00% 1.26% 0.00% 24 50.00% 0.00% 3.23% 56.00% 2.74% 23.08% 0.00% 25 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 26 0.00% 28.57% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 13.73% 27 0.00% 6.04% 0.00% 0.00% 5.41% 0.00% 0.00% 28 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 1.57% 0.00% 29 0.00% 0.00% 0.00% 2.32% 0.00% 0.00% 0.00% 30 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 1.19% 0.00% 31 0.00% 1.45% 0.00% 3.38% 62.79% 0.00% 0.00% 32 0.00% 0.00% 0.00% 0.54% 0.00% 1.71% 0.00% 33 0.48% 0.00% 0.00% 9.88% 0.00% 6.54% 0.00% 34 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 56.90% 0.00% 0.00% 35 0.00% 0.00% 10.83% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 36 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 45.00% 0.00% 0.00% 37 0.00% 0.00% 0.00% 35.38% 0.81% 0.00% 0.00% 38 0.00% 33.33% 25.00% 1.99% 48.28% 1.01% 13.95% 39 0.00% 10.45% 4.19% 0.00% 5.51% 6.35% 0.00% 40 0.00% 0.98% 1.43% 1.13% 0.46% 0.69% 0.00% 41 0.00% 6.18% 3.34% 0.00% 1.15% 0.00% 1.39% 42 0.00% 0.00% 4.19% 0.00% 5.23% 8.31% 0.00% 43 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 3.60% 0.00% 44 0.00% 1.57% 0.00% 0.00% 1.10% 0.00% 0.00%

罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 417 5 45 0.00% 0.00% 0.00% 1.16% 11.50% 0.00% 0.00% 46 0.00% 1.58% 0.00% 0.00% 0.52% 1.08% 0.89% 47 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 3.33% 48 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 49 0.00% 6.25% 12.00% 0.00% 0.00% 11.29% 3.41% 50 0.00% 0.40% 0.00% 0.00% 2.24% 0.32% 0.00% 51 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 0.00% 52 0.00% 2.57% 0.49% 0.00% 0.00% 0.59% 0.00% Note: the bold numbers show the positive repeated verification results of samples under LOD (false negative in single test). The numbers with underline show the negative repeated verification results of samples under LOD (false positive in single test). 52 364 2.2 LOD 47 44 3 = /( + ) = /( + ) 97.64% 81.43% 2.7 cfdna 提取得率 cfdna ( 7) 5.19 ng/ml OD 260 ddpcr 95% 3 20 000 DNA 0.1% 3 000 DNA 3 DNA LOD LOD 6 图 7 Fig. 7 本研究中 52 个结直肠癌病人血液 cfdna 提取效率 Blood cfdna extraction efficiency of 52 colorectal cancer patients sample in this study. 010-64807509 cjb@im.ac.cn

418 ISSN 1000-3061 CN 11-1998/Q Chin J Biotech 表 6 以本次研究结果建立的采血量与样本极限 LOD 关系表 Table 6 Relationship between total blood capacity and sample LOD according to the result of this study Sample LOD Total copies Mass Extraction efficiency (ng/ml) Total blood requirement (ml) 1/1 000 3 000 10 ng ~2 1/10 000 30 000 100 ng 5.19 ~20 1/100 000 300 000 1 μg ~200 3 讨论 KRAS RAS EGFR 12p12.1 p21 [12] EGFR 38% KRAS >96% 12 13 [13] KRAS EGFR EGFR [14] KRAS 30% 40% KRAS 12 13 7 [15] KRAS DNA [16] 1974 Sorrells RB [17] (DNA RNA) [18] cfdna [19] (FISH) [20] TKI ddpcr [21-22] ddpcr LOD 3.49 copies/well LOD 0.01% 0.04% R 2 25% qpcr Ct ddpcr LOD LOQ

罗宇文等 / 基于微滴式数字 PCR 检测肠癌病人游离环状 DNA KRAS 突变的新方法 419 ddpcr LOD qpcr qpcr qpcr (P<0.05) ddpcr ARMS PCR PCR ddpcr Ct 0.06% LOD ddpcr qpcr ddpcr KRAS 35.43% (38% ) (P>95) (P<0.05) 52 97.64% 81.43% cfdna cfdna ddpcr cfdna Cut Off ddpcr LOD Cut Off Cut Off cfdna REFERENCES [1] Li SW, Han L, Ma P, et al. New hope of tumor diagnosis-circulating free DNA detection. Chin J Lab Pathol, 2015, 7(2): 119 121, 89 (in Chinese).,,,. - DNA., 2015, 7(2): 119 121, 89. [2] Snyder MW, Kircher M, Hill AJ, et al. Cell-free DNA comprises an in vivo nucleosome footprint that informs its tissues-of-origin. Cell, 2016, 164(1/2): 57 68. [3] Abbosh C, Birkbak NJ, Wilson GA, et al. Phylogenetic ctdna analysis depicts early-stage lung cancer evolution. Nature, 2017, 545(7655): 446 451. [4] Hindson BJ, Ness KD, Masquelier DA, et al. High-throughput droplet digital PCR system for absolute quantitation of DNA Copy number. Anal Chem, 2011, 83(22): 8604 8610. [5] Low H, Chan SJ, Soo GH, et al. Clarity digital PCR system: a novel platform for absolute quantification of nucleic acids. Anal Bioanal Chem, 2017, 409(7): 1869 1875. [6] Jones M, Williams J, Gärtner K, et al. Low copy target detection by droplet digital PCR through application of a novel open access bioinformatic pipeline, definetherain. J Virol Methods, 2014, 202: 46 53. [7] Whale AS, Huggett JF, Cowen S, et al. Comparison of microfluidic digital PCR and conventional quantitative PCR for measuring copy number variation. Nucleic Acids Res, 2012, 40(11): e82. [8] Dingle TC, Sedlak RH, Cook L, et al. Tolerance of droplet-digital PCR vs real-time quantitative PCR to inhibitory substances. Clin Chem, 2013, 59(11): 1670 1672. [9] Rački N, Dreo T, Gutierrez-Aguirre I, et al. Reverse transcriptase droplet digital PCR shows high resilience to PCR inhibitors from plant, soil and water samples. Plant Methods, 2014, 10(1): 42. [10] Tsui NB, Kadir RA, Chan KC, et al. Noninvasive prenatal diagnosis of hemophilia by microfluidics digital PCR analysis of maternal plasma DNA. Blood, 2015, 117(13): 3684 3691. [11] Milbury CA, Zhong Q, Lin J, et al. Determining lower limits of detection of digital PCR assays for cancer-related gene mutations. Biomol Detect Quantific, 010-64807509 cjb@im.ac.cn

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