NGS-baserad diagnostik av Gastrointestinal stromacellstumör (GIST) vid Centrum för Molekylär Diagnostik 2015-12-01
Centrum för molekylär diagnostik (CMD) inrättades i oktober 2014 i syfte att stärka klinisk diagnostik baserat på den s.k. nya generationens sekvenseringsteknik (NGS) inom Region Skåne. CMD tillhör organisatoriskt Medicinsk service-förvaltningen. Vid CMD samverkar verksamhetsområden inom Medicinsk service/labmedicin, Skånes Universitetssjukhus (SUS) och forskargrupper vid Lunds Universitet (LU). Inom CMD utarbetas korta översikter för NGS-baserad diagnostik vid olika sjukdomstillstånd. Dessa översikter författas av arbetsgrupper för olika diagnoser med en representant från CMD som sammankallande och dokumentansvarig. Aktuell översikt berör NGS-baserad diagnostik av gastrointestinal stromacellstumör (GIST). Arbetsgruppen består av följande personer: Fredrik Mertens, Professor/överläkare, Klinisk Genetik, Labmedicin Skåne (sammankallande och dokumentansvarig) Emma Mårtensson, Sjukhusgenetiker, Klinisk Genetik, Labmedicin Skåne Per Leveén, processledare molekylärpatologi, Klinisk Patologi. Labmedicin Kajsa Ericson-Lindquist, medicinsk ansvarig molekylärpatologi, Klinisk Patologi, Labmedicin Henryk Domanski, specialist, Klinisk Patologi, Labmedicin Mikael Eriksson, specialist, Onkologiska kliniken, SUS 2
Bakgrund Gastrointestinal stromacellstumör (GIST) är en ovanlig tumörsjukdom; incidensen i Sverige beräknas till 1,5/100.000/år. 1 Medelålder vid diagnos är c:a 60-65 år. Vid sarkomcentrum i Lund blir tumörer från c:a 25-30 patienter per år föremål för genetisk diagnostik avseende behandlingspredikterande mutationer. Drygt hälften av alla GIST utgår från magsäcken och en tredjedel från tunntarmen. Resterande fall är lokaliserade till andra regioner i gastrointestinalkanalen, inkluderande oment och mesenterium, eller debuterar som disseminerad sjukdom. Kliniska tecken på GIST innefattar diffusa magbesvär, anemi pga kronisk eller akut blödning, obstruktion, etc. En andel upptäcks accidentellt i samband med utredning för andra åkommor. Tumörerna sprids regionalt (intraabdominellt, retroperitonealt) och metastaserar oftast till levern. 1 Diagnostik av GIST vilar på morfologisk analys i kombination med immunhistokemi för bl a KIT proteinet (CD117); endast c:a 5% av GIST är negativa för KIT. Viktigaste differentialdiagnos är leiomyom och leiomyosarkom. 1,2 Behandlingen avgörs av tumörstorlek och -lokalisation, spridningsgrad, histopatologisk bild samt, i utvalda fall, mutationsstatus; små tumörer (<2 cm) med låg mitosaktivitet påverkar inte patientens överlevnad, medan tumörer som är >10 cm och har en hög mitosaktivitet nästan alltid progredierar. Kirurgi är idag den enda kurativa behandlingen. Vid inoperabel tumörsjukdom är behandling med tyrosinkinashämmare (TKI) det viktigaste alternativet. Detta beror på att c:a 60-85% uppvisar mutationer i KIT genen, ledande till aktivering av KIT-beroende signalvägar. De vanligaste (två tredjedelar av fallen) KIT mutationerna är belägna i exon 11 (som kodar för juxtamembranös domän), följt av exon 9 (extracellulär domän; 10%), exon 13 och exon 17 (tyrosinkinasdomäner). 1,2 Mutationerna varierar från punktmutationer till komplicerade kombinationer av deletioner och insertioner. 2 C:a 50% av rapporterade mutationer i COSMIC databasen klassas som insertion, deletion eller komplex; den stora majoriteten av dessa är belägna i exon 11. Majoriteten av KIT exon 11 mutationer är interstitiella deletioner i början av exonet (kodon 550-579) eller punktmutationer i slutet av exonet (kodon 557, 559, 560 eller 576). En liten andel (5-10%) uppvisar mutation i PDGFRA genen, ffa exon 18, istället för i KIT genen. 1,2 Mutationsspektrum i KIT och PDGFRA varierar med tumörens storlek och lokalisation. 1-3 Insertioner, deletioner eller komplexa mutationer i PDGFRA utgör c:a 15% av de mutationer som rapporterats i COSMIC databasen, varav den stora majoriteten sitter i exon 12. En mycket liten andel av GIST uppvisar mutation i andra exon av KIT eller PDGFRA eller är mutations-negativa. Sådana fall är ofta kliniskt avvikande (ung ålder, association till neurofibromatos typ 1, Carney triad eller Carney-Stratakis syndrom) och kan ha mutation i NF1 eller i en SDH gen. 1 Vissa studier antyder att även sekundära kromosomavvikelsemönster påverkar kliniskt förlopp. 4 I de fall där behandling med TKI övervägs är mutationsstatus viktigt, eftersom typ och lokalisation av mutation påverkar känslighet. Sålunda svarar t ex de flesta (c:a 70%) GIST med mutationer i exon 11 av KIT mycket väl på standardbehandling (400 mg/dag) med imatinib, medan de med den vanligaste substitutionen (D842V) i PDGFRA exon 18 inte svarar på imatinib, och majoriteten (c:a 70%) med mutation i exon 9 av KIT svarar dåligt, och behöver högre dos imatinib eller annan TKI (t ex sunitinib eller nilotinib). 1,2 Vid sjukdomsprogression och/eller efter längre tids 3
behandling med TKI ses ofta klonal evolution med uppkomst av subkloner med nya KIT mutationer som inte längre svarar på given behandling. 5 Inom Region Skåne utfördes årligen ca 25 mutationsanalyser för exon 9, 11, 13 och 17 av KIT och exon 12 och 18 av PDFGRA under perioden 2011-2014. Provtagningsrutiner och provhantering för NGS-baserad diagnostik Utgångspunkten för den NGS-baserade diagnostiken är paraffininbäddad formalinfixerad vävnad (s.k. FFPE vävnad). Molekylärpatolog ansvarar för materialets lämplighet för analys, genom att granska tumörvävnad från de histologiska och/eller cytologiska preparat som finns arkiverade. Ett representativt tumörområde väljs ut med hög andel tumörceller. Ofta kan detta utgöra en liten del av den vävnadsbit som finns i en FFPE klots. Ett antal tunna snitt av utvald tumörvävnad tas, typiskt 4st 5um snitt, samt nya HTX-snitt för att verifiera att representativt material analyserats. (utförs av VO Klinisk Patologi). Vid tillfälle kan provpreparatet även bestå av färsk tumörvävnad som skickas via Klinisk Patologi till Genetiska Kliniken för DNA extraktion och mutationsanalys; om provmängden tillåter utförs även genomisk array. Även cytologimaterial efter finnåls- eller mellannålsbiopsi kan vara aktuellt. Detta skickas då antingen färskt till Genetisk Kliniken för DNA extraktion eller så extraheras DNA vid Klinisk Patologi efter paraffininbäddning. Prov, tillsammans med mutationsremiss, transporteras till Genetiska Kliniken. Provtransport sker snarast efter utskärning/punktion för färsk vävnad och en dag i veckan för extraherat DNA från FFPE vävnad. Vid ankomst av prov och remiss till Genetiska kliniken registreras provet och remissen scannas i klinikens patientdatabas. Vid registrering erhåller varje prov ett unikt löpnummer, som därefter används såväl i det laborativa arbetet som vid dataanalysdelen. Kopplingen mellan löpnummer och persondata är fram till besvaring endast tillgänglig för behörig personal vid Genetiska kliniken. Sekvensering kommer att utföras en gång per vecka. Sålunda kommer svar på NGS-analysen att meddelas inom två veckor efter provets ankomst till Genetiska Kliniken. Nukleinsyra extraktion och DNA kvalitetskontroll Från provet (FFPE snitt) extraheras DNA på Klinisk Patologi. Först avparaffiniseras provet med hjälp av lösningsmedel (xylen), varefter den rena tumörvävnaden bryts ner enzymatiskt så att DNA och RNA frisläpps i lösning. DNA/RNA isolering sker därefter automatiserat med ett kommersiellt extraktionskit (QIAamp DNA FFPE Tissue Kit, Qiagen). Formalinfixering av tumörvävnad leder till degradering av nukleinsyror. Det är därför av stor betydelse att uppskatta hur utbredd DNA degraderingen är innan molekylärgenetisk analys genomförs. Extraherat DNA analyseras med hjälp av ett automatiserat gelelektroforessystem (Tapestation) för att bestämma hur stor mängd av det totala DNAt som motsvarar en viss storlek. Detta är ett viktigt steg för att kunna förutse vilka prover som kommer att ge ett tillförlitligt mutationssvar. Vid behov kan även en kvantitativ PCR-analys tillämpas för att ge ytterligare information om DNAprovets kvalitet. Om DNA-kvaliteten bedöms vara otillräcklig för att kunna erhålla ett tillförlitligt resultat i mutationsanalysen återrapporteras detta omgående till Klinisk Patologi, där ett beslut tas om preparatet trots allt ska gå vidare till mutationsanalys 4
eller om nytt material ska begäras. Detta förfarande förkortar avsevärt svarstiden för prov som sannolikt inte skulle ge informativa svar i NGS-analysen. NGS-baserad diagnostik för identifiering av somatiska mutationer Prov vars DNA passerat kvalitetskontrollen går vidare till den NGS-baserade mutationsanalysen. Metoden som används vid Genetiska kliniken är baserad på Ion Torrent NGS-teknologi (www.thermofisher.com) i kombination med en riktad genpanel (Ion AmpliSeq TM Cancer Hotspot Panel v2). Den riktade genpanelen innefattar utvalda regioner från 50 cancerrelaterade gener (Tabell 1). Tabell 1. Målgener för Ion AmpliSeq TM Cancer Hostpot Panel v2 a ABL1 EZH2 JAK2 PTEN AKT1 FBXW7 JAK3 PTPN11 ALK FGFR1 KDR RB1 APC FGFR2 KIT RET ATM FGFR3 KRAS SMAD4 BRAF FLT3 MET SMARCB1 CDH1 GNA11 MLH1 SMO CDKN2A GNAS MPL SRC CSF1R GNAQ NOTCH1 STK11 CTNNB1 HNF1A NPM1 TP53 EGFR HRAS NRAS VHL ERBB2 IDH1 PDGFRA ERBB4 IDH2 PIK3CA a Gener i rött är de som är aktuella för GIST diagnostik. Gener i blått kan vara av diagnostiskt intresse vid andra ben- och mjukdelstumörer. För dessa gener analyseras de (delar av) exon som rapporterats ha hög mutationsfrekvens i tumörsjukdom, baserat på förekomst av rapporterade somatiska tumörförändringar via exempelvis COSMIC (http://cancer.sanger.ac.uk). Den laborativa delen av NGS analysen kan delas upp i tre steg: 1) preparering av ett s.k. DNAprovbibliotek för varje prov, 2) sammanslagning (poolning) av provbibliotek och förberedelse av prov för sekvensering, s.k. templatpreparering och 3) själva sekvenseringen. Ett DNA-provbibliotek betyder här en vätskelösning av ett stort antal olika amplifierade DNA fragment för vilka DNA sekvensen ska bestämmas; det aktuella kitet innehåller 207 primerpar, som ska amplifiera 207 DNA fragment med en nukleotidlängd på 111-187 (genomsnitt 154) nukleotider. De utvalda regionerna amplifieras samtidigt i en PCR reaktion, och specifika oligonukleotidadaptorer kopplas på varje fragment för att möjliggöra sekvensering och samkörning av flera prover (från olika patienter). Tack vare NGS-teknikens massiva kapacitet kan många prov prepareras parallellt, poolas, och sekvenseras samtidigt, vilket medger ett högt provflöde. Sekvenseringen sker därefter på ett Ion PGM-instrument. Den laborativa delen av mutationsanalysen (bibliotekspreparation och sekvensering) utförs generellt 1 gång per vecka, men kan vid behov, som t.ex. för särskilt brådskande prover, startas fler gånger per vecka. 5
Tabell 2. Specifikation av vilka regioner av KIT och PDGFRA som täcks av Ion AmpliSeq TM Cancer Hostpot Panel v2 a Gen Exon c. position p. position KIT 2 c.68-174 p.22-58 KIT 9 c.1482-1540 p.494-514 KIT 10 c.1611-1647 p.537-549 KIT 11 c.1648-1761 p.550-587 KIT 13 c.1880-1982 p.627-661 KIT 14 c.1991-2052 p.664-684 KIT 15 c.2142-2172 p.714-724 KIT 17 c.2407-2484 p.803-828 KIT 18 c.2495-2572 p.832-858 PDGFRA 12 c.1654-1749 p.552-583 PDGFRA 14 c.1931-2002 p.644-668 PDGFRA 15 c.2013-2127 p.671-709 PDGFRA 18 c.2457-2562 p.819-854 a Referenssekvenser för positioner: KIT och PDGFRA NC_000004.12 Analys av somatiska varianter från NGS data NGS-tekniken genererar en massiv sekvensmängd för varje prov. För att kunna identifiera somatiska mutationer (varianter) i denna stora datamängd för de 50 generna sker ett antal dataanalyssteg i samband med sekvensering. Först måste sekvensdata från PGM-instrumentet (Thermo Fisher) matchas mot ett humant referensgenom för att definiera vilka sekvenser som hör till en viss undersökt genregion, t.ex. exon 11 i KIT. Base calling, alignment och identifiering av mutationsvarianter (variant calling) utförs i Ion Torrents Torrent Suite-mjukvara, med genomversion GRCh37/hg19 som referenssekvens. För annotering och filtrering av varianter används mjukvaran Ion Reporter (Thermo Fisher). Varianter i intron och vanligt förekommande SNP:ar exkluderas. För att utöka känsligheten för detektion av deletioner i KIT och PDGFRA kompletteras analysen med ett internt utvecklat bioinformatiskt verktyg, baserat på BLAST-algoritmen. Återrapportering av mutationsresultat till VO Klinisk Patologi Efter att identifierade varianter från sekvenseringen har annoterats, filtrerats, och klassats sammanställs en rapport över samtliga kvarvarande varianter (mutationer). Mutationsrapporten färdigställs inom Region Skånes IT-struktur, med hjälp av internt utvecklade rapportmallar, varefter rapport samt grunddata över identifierade varianter överförs till VO Klinisk Patologi för vidare sammanställning/formatering och slutgiltig återrapportering till remitterande kliniker. Lagring av sekvensdata Rådata i form av de filer som används för basecalling, samt processad sekvensdata i form av BAM-filer (sekvenser som har alignats till referensgenomet) och vcf-filer 6
(detekterade varianter) lagras på PGM-instrumentets server under en begränsad tid, samtidigt som en back-up-export sker till Region Skånes servrar. Data som sedermera tas bort från instrumentets server arkiveras automatiskt på Region Skånes servrar. Rådata som behövs för den initiala signalprocessningen arkiveras ej. Svarstider NGS-baserad diagnostik Arbetsschemat för NGS-baserad diagnostik innebär att 1 analys utförs per vecka på bestämda dagar, där varje lab- och dataanalys tar 3-4 arbetsdagar i anspråk efter att DNA från tumörvävnad ankommit till avdelningen. Referenser 1. Miettinen MM, Corless CL, Debiec-Rychter M, et al. Gastrointestinal stromal tumours. In: Fletcher CDM, Bridge JA, Hogendoorn PCW, Mertens F (Eds.) WHO Classification of Tumours of Soft Tissue and Bone. Lyon:IARC Press, 2013, pp. 164-167. 2. Poveda A, Garciá del Muro X, López-Guerrero JA, et al. GEIS 2013 guidelines for gastrointestinal sarcomas (GIST). Cancer Chemother Pharmacol 2014;74:883-898. 3. Emile JF, Brahimi S, Coindre JM, et al. Frequencies of KIT and PDGFRA mutations in the MolecGIST prospective population-based study differ from those of advanced GISTs. Med Oncol 2012;29:1765-1772. 4. Silva M, Veiga I, Ribeiro FM, et al. Chromosome copy number changes carry prognostic information independent of KIT/PDGFRA point mutations in gastrointestinal stromal tumors. BMC Medicine 2010;8:26. 5. Casali PG. Successes and limitations of targeted cancer therapy in gastrointestinal stromal tumors. Prog Tumor Res 2014;41:51-61. 7