ES2269102T3 - Procedimientos para conservar la integridad del adn. - Google Patents

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ES2269102T3 ES00904537T ES00904537T ES2269102T3 ES 2269102 T3 ES2269102 T3 ES 2269102T3 ES 00904537 T ES00904537 T ES 00904537T ES 00904537 T ES00904537 T ES 00904537T ES 2269102 T3 ES2269102 T3 ES 2269102T3
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Frederick A. Huntress, Jr.
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Abstract

Procedimiento para conservar la integridad del ADN en una muestra seleccionada de entre una muestra de heces o una muestra que contiene células exfoliadas, com- prendiendo el procedimiento exponer la muestra a EDTA en un intervalo entre 0, 250 gramos de EDTA por gramo de muestra y aproximadamente 0, 782 gramos de EDTA por gramo de muestra, siendo la concentración de EDTA en la muestra de por lo me- nos 16 mM, para conservar la integridad de ADN en la muestra.

Description

Procedimientos para conservar la integridad del ADN.
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Referencia cruzada a una solicitud relacionada
La presente solicitud reivindica la prioridad y el beneficio de la solicitud de patente provisional U.S. número de serie 60/122.177, presentada el 25 de febrero de 1999.
Campo de la invención
La invención proporciona procedimientos para la extracción de ácido desoxirribonucleico ("ADN") de una muestra biológica. Más particularmente, la invención se refiere a procedimientos para la extracción de ADN de alto rendimiento de una muestra biológica heterogénea mediante la inhibición de la degradación del ADN.
Antecedentes de la invención
El ADN es una molécula relativamente estable que se aisla rutinariamente de las muestras biológicas. Recientemente, se han caracterizado muchas enfermedades que implican inestabilidades (por ejemplo mutaciones) en ADN genómico. Además, se han identificado muchos patógenos por la presencia o ausencia de un ADN particular en una muestra biológica. Muchas enfermedades, tales como el cáncer, se detectan óptimamente temprano en su evolución. Con el fin de que la detección precoz resulte eficaz, deben detectarse niveles relativamente bajos de ADN indicativo de cáncer contra un fondo elevado de otro ADN (por ejemplo ADN humano normal, ADN bacteriano, etc.). Este tipo de detección resulta técnicamente difícil y típicamente resulta en una sensibilidad de detección reducida. Además, en determinados espécimenes complejos, incluyendo las heces, el poco ADN específico de especie que existe, resulta rápidamente degradado, dificultando todavía más la detección específica de secuencia eficiente. De esta manera, existe una necesidad de procedimientos para conservar la integridad del ADN en una muestra, especialmente en muestras en las que el ADN que debe detectarse se encuentra en una proporción reducida respecto a otro ADN en la muestra y resulta rápidamente degradado.
El documento WO 93/20235A da a conocer un procedimiento para aislar ácidos nucleicos de un espécimen de heces, que se utiliza para detectar mutaciones asociadas con la neoplasia gastrointestinal. Los reactivos utilizados para llevar a cabo el aislamiento de los ácidos nucleicos también se dan a conocer.
El documento WO 98/58081A da a conocer procedimientos para la preparación de muestras de heces para incrementar el rendimiento de ADN relevante y proporciona además procedimientos para aislar y para analizar ADN diana para características indicativas de cáncer colorrectal. También se proporcionan procedimientos para cribar pacientes con presencia de lesiones colorrectales cancerosas o precancerosos.
El documento DE 195 30 132.3 da a conocer un procedimiento para purificar, estabilizar y/o aislar ácidos nucleicos de materiales biológicos, estando caracterizado dicho procedimiento porque se añade una matriz de absorción basada en carbohidratos (por ejemplo harina de patata) a una muestra de material biológico que contiene ácidos nucleicos con el fin de unirse a las impurezas.
En Science Vol. 256, páginas 102-105, 1992, Sidransky et al. enseñan que los tumores colorrectales (CR) habitualmente son curables si se detectan antes de la metástasis. Debido a que las alteraciones genéticas se asocian al desarrollo de estos tumores, pueden encontrarse genes mutantes en las heces de los individuos con neoplasmas de CR. Se analizaron las heces de nueve pacientes cuyos tumores contenían mutaciones de K-ras. En ocho de los nueve casos, las mutaciones ras resultaron detectables en ADN purificado a partir de las heces. Entre estos pacientes se incluían aquellos con neoplasmas benignos y malignos de epitelio colónico proximal y distal. De esta manera, los tumores colorrec-
tales pueden detectarse mediante un procedimiento no invasivo basado en la patogénesis molecular de la enfermedad.
Sumario de la invención
En un aspecto, la invención se refiere a un procedimiento para conservar la integridad del ADN en una muestra seleccionada de una muestra de heces o de una muestra que contiene células exfoliadas, comprendiendo el procedimiento exponer la muestra a EDTA en un intervalo de entre 0,250 gramos de EDTA por gramo de muestra y aproximadamente 0,782 gramos de EDTA por gramo de muestra, siendo la concentración de EDTA en la muestra de por lo menos 16 mM, para conservar la integridad del ADN en la muestra.
Los aspectos preferentes de la invención se indican en las reivindicaciones 2 a 6.
La presente invención proporciona procedimientos para conservar la integridad del ADN en una muestra. En una realización preferente, los procedimientos de la invención evitan la degradación del ADN mediada enzimáticamente. La conservación de la integridad del ADN facilita el aislamiento y detección del ADN.
Los procedimientos de la invención resultan especialmente útiles para extraer o detectar ADN en un espécimen biológico, especialmente uno que contenga niveles reducidos de ADN relevante. Un buen ejemplo de un espécimen que contiene niveles más reducidos de ADN relevante son las heces. Las heces humanas típicas contienen sólo cantidades reducidas de ADN humano intacto. La mayor parte del ADN humano en las heces de un individuo sano presumiblemente procede de células epiteliales exfoliadas, y ha experimentado degradación apoptótica. A medida que las heces en formación pasan a través del colon, las células epiteliales colónicas se desprenden sobre las heces como parte del recambio celular que se produce en el colon. Las heces también contienen células desprendidas de otras fuentes luminales (por ejemplo, pulmón, estómago, esófago, etc.). Las células desprendidas típicamente han pasado o están pasando la apoptosis, dejando ADN celular en fragmentos pequeños. Algunos enzimas, tales como la desoxirribonucleasa ("ADNasa") y la nucleasa microcócica contribuyen a la degradación de cualquier ADN humano intacto restante. Los procedimientos de la técnica anterior, aunque utilizan inhibidores de ADNasa, no han podido conseguir rendimientos significativos de ADN específico de especie intacto de las heces. Por lo tanto, estos procedimientos no han considerado la optimización de la inhibición de la degradación del ADN. Los procedimientos de la invención se basan en la comprensión de que la inhibición óptima del enzima o enzimas degradativos del ADN conserva eficazmente el ADN, espe-
cialmente los fragmentos de ADN grandes relevantes para el diagnóstico que se encuentran presentes en una muestra.
En un aspecto, la invención comprende inhibir la degradación de los ácidos nucleicos en una muestra y opcionalmente extraer un ADN diana con, por ejemplo, una extracción con fenol-cloroformo. Preferentemente, la inhibición de la degradación de los ácidos nucleicos resulta suficiente para producir un número crítico de moléculas de ADN analizable. En una realización, los procedimientos de la invención comprenden inhibir un enzima capaz de degradar el ADN en una muestra de heces. En una realización preferente, los procedimientos de la invención comprenden exponer una muestra de heces a un quelante iónico, tal como un quelante ion divalente. Los quelantes iónicos, en determinadas realizaciones inhiben la ADNasa. Entre los ejemplos de inhibidores preferentes se incluyen el ácido etilendiaminotetraacético ("EDTA"). Los procedimientos preferentes adicionales de la invención comprenden exponer una muestra de heces a un inhibidor de nucleasa microcócica, tal como EGTA, que también es un quelante ion divalente. Los inhibidores de la degradación del ADN pueden utilizarse solos o en combinación para conseguir niveles óptimos de conservación del ADN.
Los procedimientos de la invención se ponen en práctica utilizando cualquier inhibidor de la degradación del ADN. La cantidad de inhibidor varía dependiendo del inhibidor que se utilice. Sin embargo, debe utilizarse un inhibidor en una cantidad que conserve niveles significativos de ADN en la muestra para el análisis posterior. Los procedimientos para determinar los niveles suficientes de ADN se presentan más adelante. Estos procedimientos permiten al experto en la materia poner en práctica la invención con especificidad independientemente del inhibidor utilizado. De acuerdo con los procedimientos preferentes, se utiliza una cantidad de inhibidor que conserva suficiente ADN en la muestra para la detección de un ADN diana dentro de un nivel deseado de confianza estadística. Mediante la utilización de los procedimientos descritos en la presente memoria, el experto en la materia puede determinar una cantidad apropiada de cualquier inhibidor para la utilización en los procedimientos de la invención. La utilización de diversos inhibidores específicos se ejemplifica más adelante.
En otra realización preferente, los procedimientos de la invención comprenden obtener una muestra representativa de heces (circunferencial o transversal), exponiendo la muestra o una parte de la misma a un inhibidor de ADNasa, y aislando el ADN de la muestra. Un inhibidor preferente de ADNasa es el EDTA. Las cantidades preferentes de EDTA se encuentra comprendidas entre 0,042 g por gramo de heces y aproximadamente 0,782 g por gramo de heces, y especialmente entre 0,250 g por gramo de heces y aproximadamente 0,521 g por gramo de heces. El ADN puede extraerse, por ejemplo, mediante una extracción con fenol-cloroformo. Tras la extracción, el ADN puede analizarse mediante procedimientos conocidos de la técnica. Por ejemplo, la patente U.S. No. 5.830.665 y la patente U.S. No. 5.670.325 dan a conocer procedimientos para analizar el ADN que ha sido extraído de una muestra de heces.
Los procedimientos de la invención resultan útiles en cualquier muestra en la que se desee la inhibición de la degradación del ADN. Por ejemplo, los procedimientos de la invención resultan especialmente eficaces en muestras que comprenden células exfoliadas, especialmente células epiteliales exfoliadas. El ADN contenido en estas muestras típicamente se degrada rápidamente, dificultando el análisis de un ADN particular, especialmente de uno existente en proporción reducida dentro de la muestra. Por ejemplo, entre estas muestras se incluyen heces, esputo, orina, pus y calostro. Entre los procedimientos de la invención se incluyen inhibir la degradación del ADN en estas muestras, conservando de esta manera una cantidad suficiente de ADN para la detección sensible específica. Cualquiera de las características indicadas anteriormente, tales como los inhibidores de la degradación del ADN o las cantidades utilizadas de los inhibidores, pueden resultar útiles en muestras que contienen células exfoliadas.
Breve descripción de los dibujos
La fig. 1 muestra un gráfico de flujo que describe un aspecto de la invención.
La fig. 2 muestra un gel de separación de ADN aislado a partir de varios sobrenadantes homogeneizados de heces diferentes que contenían diversas concentraciones de EDTA.
La fig. 3 muestra un gel de separación de ADN aislado a partir de sobrenadante de heces homogeneizado que contenía diversas concentraciones de EDTA seguido de la captura y la amplificación.
La fig. 4 muestra un gel de separación de ADN aislado a partir de sobrenadante de heces homogeneizado que contenía diversas concentraciones de EDTA seguido de la captura, la adición de más ADN, y la amplificación.
La fig. 5 muestra un conjunto de curvas producido mediante análisis de regresión de los datos obtenidos utilizando el modelo tal como se describe para, por ejemplo, las Tablas 1 y 2.
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Descripción detallada de la invención I. Introducción
La presente invención proporciona procedimientos para un rendimiento incrementado de ADN en una muestra biológica mediante la conservación de la integridad del ADN en la muestra. Estos procedimientos resultan especialmente útiles cuando el ADN de interés ("el ADN diana") se encuentra presente en la muestra a una frecuencia reducida, o resulta rápidamente degradado. Más particularmente, entre los procedimientos de la invención se incluyen, por ejemplo, inhibir enzimas que degradan el ADN.
Previamente a la presente invención los expertos en la materia no han tratado la prevención de la degradación del ADN previamente a la extracción de una muestra. Típicamente, el ADN de interés se encuentra presente en las muestras en cantidades relativamente grandes (por ejemplo células tumorales, sangre), o los procedimientos se destinan a incrementar la sensibilidad al ADN de baja frecuencia, y no a conservar su integridad. Sin embargo, especialmente en el caso del ADN de baja frecuencia en una muestra heterogénea (por ejemplo una muestra con células y/o residuos celulares procedentes de múltiples tipos celulares y/o organismos), los procedimientos para incrementar la sensibilidad al ADN no han resultado completamente exitosos. Los procedimientos de la invención proporcionan un nuevo enfoque mediante la conservación de la integridad del ADN. Los procedimientos de la invención incrementan la probabilidad de detectar un ADN diana específico debido a que estos procedimientos resultan en más ADN diana intacto disponible en la muestra.
Con referencia a la figura 1, un procedimiento generalizado de la invención implica obtener una muestra (etapa 2) y exponerla a un inhibidor de la degradación del ADN (etapa 4). Tras exponer la muestra al inhibidor de la degradación del ADN, se extrae el ADN diana (etapa 6). La presencia o ausencia de este ADN diana extraído seguidamente se detecta (etapa 8).
En muestras heterogéneas, tales como heces, las ADNasas humanas endógenas y/o nucleasas bacterianas degradan el ADN. Entre los ejemplos de nucleasas se incluyen las ADNasas, tales como la desoxirribonucleasa I ("ADNasa I") y la nucleasa microcócica. La ADNasa y la nucleasa microcócica requieren un catión divalente para funcionar óptimamente. Para la ADNasa, entre los iones adecuados se incluyen Mn^{+2} y Mg^{+2}. Para la nucleasa microcócica, Ca^{+2} es un ion adecuado. Los quelantes iónicos, y particularmente los quelantes de iones divalentes, son capaces de inhibir las nucleasas. Los quelantes iónicos extraen los iones de su asociación con la nucleasa, inhibiendo de esta manera la función de la nucleasa. Por ejemplo, EDTA o EGTA utilizados en cantidades óptimas resultan quelantes iónicos útiles para la utilización en la presente invención.
Resultan útiles otros compuestos que inactivan, interfieren o enlentecen la degradación mediada por enzimas del ADN. Por ejemplo, los ligandos y/o anticuerpos que compiten o interfieren con el sitio activo de los enzimas degradativos del ADN, que inactivan estos enzimas, y/o que bloquean sistemas de mensajero que controlan los enzimas degradativos del ADN resultan útiles en la práctica de la invención. Los componentes de la extracción con fenol-cloroformo, a concentraciones más altas que aquéllas utilizadas típicamente durante la extracción, también son capaces de inhibir las nucleasas mediante separación y desnaturalización. Por ejemplo, el fenol desnaturaliza los enzimas degradativos del ADN, y se utiliza en procedimientos de la invención para conservar la integridad del ADN. Además, las proteinasas que degradan y/o desnaturalizan los enzimas degradativos del ADN resultan útiles.
Los procedimientos de la invención comprenden la utilización de cantidades óptimas de inhibidores degradativos del ADN con el fin de conservar suficiente ADN de alta integridad para el cribado diagnóstico. En las muestras heterogéneas, tales como heces, el ADN diana (por ejemplo el ADN mutado o las reducciones del número de ADNs de tipo salvaje indicativos de una mutación) se encuentra presente en cantidades reducidas. Una cantidad óptima de un inhibidor de la degradación del ADN es una cantidad que resulta en una mejora medible de la cantidad de ADN disponible en la muestra. De esta manera, el experto en la materia puede determinar empíricamente las cantidades óptimas de inhibidores de la degradación del ADN para la utilización en los procedimientos de la invención mediante la utilización de cantidades de inhibidor necesarias para conservar una fracción diagnósticamente relevante de ADN diana de alta integridad. Posteriormente se presenta un procedimiento para determinar las cantidades de ADN diagnósticamente relevantes.
La amplificación del ADN, y otros procedimientos estocásticos llevados a cabo en muestras heterogéneas pueden contribuir realmente a la incapacidad para medir el ADN de baja frecuencia. Por ejemplo, un ADN (mutante) típico asociado a cáncer en las etapas tempranas de oncogénesis representa aproximadamente 1% del ADN en una muestra heterogénea (por ejemplo heces). Si el ADN en la muestra se amplifica a una eficiencia de PCR del 30%, cualquier ADN particular presenta únicamente una probabilidad del 30% de resultar amplificado en cualquier ronda de PCR. De esta manera, si un ADN mutante presente inicialmente en la muestra al 1% de una muestra no resulta amplificado en la primera ronda de PCR, el ADN mutante representará únicamente aproximadamente el 0,7% del ADN en la muestra tras la ronda nº 1. Si no se amplifica ningún mutante en las primeras dos rondas (0,7 x 0,7, o una probabilidad del 49%), el ADN mutante representará sólo aproximadamente el 0,6% del ADN en la muestra que entra en la ronda nº 3 de la PCR. Si el ensayo posterior a la amplificación utilizado para detectar el mutante presenta una sensibilidad no superior al 0,5% para el mutante, puede no resultar posible detectar fiablemente la presencia del ADN mutante. De esta manera, el procedimiento de detección mismo de hecho puede contribuir a las dificultades para detectar el ADN de baja frecuencia, especialmente si no se encuentran presentes en la muestra cantidades suficientes de ADN intacto. De esta manera, un medio para determinar una cantidad apropiada de inhibidor para utilizar en los procedimientos de la invención es determinar la cantidad mínima de ADN intacto que debe encontrarse presente en una muestra para evitar los efectos estocásticos indicados anteriormente, y después utilizar suficiente inhibidor para producir por lo menos el número mínimo de moléculas de ADN en la muestra. Los procedimientos para calcular el número mínimo de moléculas de
ADN necesario para superar los efectos de los procesos estocásticos, tales como la PCR, se presentan posteriormente.
Un modelo útil para generar suficientes moléculas de ADN para la medición exacta funciona iterando procesos estocásticos en varias rondas de PCR. En el contexto del diagnóstico molecular de enfermedades, el modelo dicta el número de moléculas que debe presentarse a la PCR para garantizar fiablemente la amplificación del ADN diana deseado. El modelo incorpora una eficiencia prefijada de la PCR (establecida para cumplir requisitos de especificidad separados), y una proporción prefijada de ADN mutante a ADN total en la muestra que debe analizarse (que es una propiedad de la enfermedad que debe detectarse y de la naturaleza de la muestra). Basándose en estos valores de entrada, el modelo predice el número de moléculas que deben presentarse a la PCR para garantizar, dentro de un nivel predefinido de confianza estadística, que se amplificará y se detectará una molécula (diana) de baja frecuencia. Tras determinar el número de moléculas, el experto en la materia puede determinar el tamaño de muestra que debe utilizar (por ejemplo el peso, volumen, etc.), dependiendo de las características de la muestra (por ejemplo la fuente, la composición molecular, etc.). El modelo dicta el número de moléculas que debe presentarse a la PCR para garantizar fiablemente la amplificación y la detección.
El modelo ejemplar simula la selección de ADN para la amplificación a través de varias rondas de PCR. Para los fines del modelo, se selecciona una muestra que contiene una proporción de ADN mutante a total de 1:100 que se supone que se encuentra en el umbral clínico de enfermedad. Por ejemplo, en el cáncer colorrectal, el 1% del ADN humano en un espécimen (por ejemplo heces) se encuentra mutado (es decir, presenta una deleción, sustitución, reorganización, inversión u otra secuencia que es diferente que una secuencia de tipo salvaje correspondiente). A lo largo de un gran número de rondas de PCR, se seleccionarán las moléculas tanto mutantes como de tipo salvaje (es decir, se amplificarán) de acuerdo con su proporción en el espécimen (en este caso, nominalmente 1 de cada 100), suponiendo la presencia de moléculas anormales en la muestra. Sin embargo, en una ronda cualquiera, el número de cada especie que se amplifica viene determinado por una distribución de Poisson. A lo largo de muchas rondas, el procedimiento se ve sometido a errores estocásticos que reducen la capacidad de detectar ADN mutante de baja frecuencia. Sin embargo, las primeras rondas de PCR (principalmente las dos primeras rondas) resultan proporcionalmente más importantes cuando debe detectarse una especie de baja frecuencia, y cualquier ronda después de la ronda nº 10 resulta virtualmente insignificante. De esta manera, el modelo determina la probabilidad combinada de: (1) presentación de suficientes moléculas mutantes a la PCR, y (2) los efectos de la amplificación estocástica sobre aquellas moléculas de manera que a la salida de la PCR habrá un número suficiente de moléculas y una proporción suficiente de moléculas mutantes a número total de moléculas para garantizar la detección fiable.
El modelo utilizado para analizar el número de moléculas necesario en la primera ronda de PCR se generó como simulación "Monte Carlo" de mil experimentos, consistiendo cada experimento de 10 ciclos de PCR operando en cada molécula de la muestra. La simulación analizó: (1) obtener una muestra del espécimen; y (2) cada ronda de PCR iterativamente, para determinar si, en cada ronda, encontrándose presente un ADN mutante en la muestra, resultaba amplificado. Tras completar el muestreo iterativo, el modelo determinó el porcentaje de rondas en las que se había amplificado una cadena mutante, el porcentaje de mutantes que superaba un umbral predeterminado para la detección (en este ejemplo, 0,5% basado en la proporción de mutantes:total del 1%), el coeficiente de variación (CV) para el muestreo es-
tocástico en cada ronda por sí sola, y el coeficiente de varianza para el muestreo estocástico y la PCR combinados.
Se crea ruido estocástico en la PCR si la eficiencia de ésta no es ni 0% ni 100% (representando estos casos que no se produce ninguna amplificación en absoluto o la fidelidad perfecta de la amplificación específica). El nivel de señal de ruido, o fondo, en una PCR que se encuentra comprendido entre 0% y 100% varía con la eficiencia de la PCR. La desviación estándar del ruido estocástico, S, en una PCR viene dada por la ecuación S = \surdnpq, en la que n es el número de moléculas en la muestra, p es la eficiencia de la PCR, y q es 1-p. La Tabla 1 presenta los resultados obtenidos para los muestreos iterativos fijando la eficiencia de PCR al 100% y al 20%, y una proporción de mutantes:total del 0,5%.
La Tabla 1 representa los resultados del modelo en 12 experimentos realizados bajo diversas condiciones. La primera fila muestra el número nominal de moléculas que entran en la primera ronda de PCR (es decir, el número total de moléculas disponibles para la amplificación). La segunda fila muestra el porcentaje de moléculas (ADN) en el espécimen biológico que se espera que sea mutante. Para los indicios de cáncer colorrectal en ADN recuperado de heces, el umbral de relevancia clínica en la detección del cáncer de estado temprano es del 1%. Es decir, el 1% del ADN en una muestra derivada de un espécimen heterogéneo (por ejemplo heces) contiene una mutación asociada con el cáncer colorrectal. La 6ª fila es el umbral de detección del ensayo utilizado para medir el producto de PCR tras completar la PCR. Este número resulta significativo, tal como se observa después, debido a que debe producirse suficiente ADN mutante por PCR para resultar detectable sobre la señal aberrante del ADN de tipo salvaje y del ruido aleatorio de fondo. Bajo el título "Resultados", la primera fila proporciona la probabilidad de que por lo menos una molécula mutante se presente a la primera ronda de PCR. La segunda fila bajo el título de Resultados proporciona la probabilidad de detección de mutantes (tras la PCR) por encima del umbral de detección. Por ejemplo, en el experimento nº 4, los resultados indican que en el 87,9% de los experimentos realizados bajo las condiciones especificadas para el experimentos nº 4, el número de mutantes excederá el número umbral para la detección. Finalmente, las dos últimas filas proporcionan el coeficiente de variación para el muestreo y para la combinación de muestreo y PCR.
1
Tal como se muestra en la Tabla 1, incluso a una eficiencia de la PCR del 100%, se detecta el ADN mutante sólo en el 97,1% de las muestras al utilizar 1.000 moléculas de entrada (es decir, cuando se encuentran disponibles 1.000 moléculas de ADN para el cebado en el ciclo inicial de la PCR), aunque se amplifica el 100% del ADN en cualquier ronda dada de PCR. Cuando se presentan 10.000 moléculas, resulta prácticamente seguro que el ADN mutante resultará amplificado y detectado, tal como se muestra en los resultados del experimento nº 6 en la Tabla 1. Los errores estocásticos debido a la variación del número de moléculas de entrada se convierten en menos significativos con aproximadamente 500 moléculas de entrada o más (es decir, el CV de las variaciones estocásticas es prácticamente el mismo con independencia de que la eficiencia del PCR sea del 20% o del 100%). A una eficiencia más baja de la PCR (del 20% en la Tabla 1), el modelo muestra que la introducción de 50, 100, 200, 500 o incluso 1.000 moléculas en la PCR no garantiza ni la amplificación ni la detección. Tal como se muestra en el experimento nº 12, la introducción de 10.000 moléculas resulta en la amplificación de la diana mutante, y en una probabilidad elevada de su posterior detección. De esta manera, incluso con una PCR eficiente al 100%, se produce un número significativo de sucesos falsos negativos cuando el número de moléculas de entrada es inferior a 500.
Los análisis anteriores muestran que existe un intervalo único para el número de moléculas que debe presentarse a una PCR con el fin de conseguir la amplificación de un ADN de baja frecuencia y para permitir su detección. Este intervalo es una función de la eficiencia de la PCR, y del porcentaje de ADN (mutante) de baja frecuencia en la muestra, y del umbral de detección. El modelo anteriormente indicado se desarrolló y compiló en código de Visual Basic for Applications (Microsoft, Office 97) para simular una PCR tal como se ha descrito anteriormente. El nivel de confianza estadística en el que se midieron los resultados se mantuvo constante a aproximadamente el 99%. Sólo se variaron la eficiencia de la PCR y el porcentaje de ADN mutante. Tal como se ha comentado anteriormente, el modelo muestra iterativamente el ADN en una simulación "Monte Carlo" en mil experimentos, consistiendo cada experimento de 10 rondas de PCR. Los resultados se muestran a continuación, en la Tabla 2.
TABLA 2
2
La regresión de los datos obtenidos utilizando el modelo tal como se ha descrito anteriormente produjo el conjunto de curvas presentado posteriormente en la figura 5.
Utilizando la figura 5, el número óptimo de moléculas que deben presentarse a la PCR se determina mediante la selección de una eficiencia de PCR (o determinando la eficiencia por medios empíricos) y seleccionando un porcentaje de la muestra que se sospecha que es ADN mutante asociado a enfermedad. Esto, a su vez, impone un umbral de detección. No todas las estrategias de detección presentan umbrales de detección subyacentes similares, de manera que debe seleccionarse una tecnología apropiada. El porcentaje de ADN mutante puede determinarse a partir de consideraciones clínicas tal como se ha descrito de manera general anteriormente para el cáncer colorrectal.
Puede determinarse la eficiencia de PCR y el porcentaje esperado de mutantes con el fin de maximizar la probabilidad de obtener ADN mutante amplificado detectable. Por ejemplo, puede seleccionarse N, el número de moléculas de entrada de la curva "1%" en la figura 5, cuando se espera que el 5% de la muestra sea ADN mutante con el fin de incrementar la confianza del resultado del ensayo.
Este modelo, y particularmente la figura 5, resultan útiles al determinar las concentraciones óptimas de un inhibidor de degradación del ADN. Si se utiliza PCR para analizar el ADN tras exponer la muestra de ADN a un inhibidor de ADN, la figura 5 indicará cuántas moléculas de ADN diana deben conservarse para disponer de suficiente ADN analizable. De esta manera, la cantidad óptima de cualquier inhibidor de degradación del ADN puede determinarse como esa cantidad, o intervalo de cantidades, de inhibidor que produce un número suficiente de ADN analizable de acuerdo con la figura 5. Evidentemente este sistema de modelado puede aplicarse a técnicas de detección de ADN diferentes de la PCR. Específicamente, los expertos en la materia pueden aplicar este sistema de modelado a cualquier procedimiento y/o técnica de detección en la que resulte problemático el ruido estocástico. De esta manera, la cantidad óptima de cualquier inhibidor de degradación del ADN puede determinarse basándose en el número de moléculas de ADN que resulta suficiente para producir ADN analizable.
Tras determinar el número de moléculas para introducir en la PCR, se prepara una muestra que comprende ese número de moléculas (o un número superior) para la PCR de acuerdo a procedimientos estándar. El número de moléculas en una muestra puede determinarse directamente mediante, por ejemplo, procedimientos enumerativos, tales como aquellos enseñados en la patente U.S. No. 5.670.325. Alternativamente, el número de moléculas en una muestra compleja puede determinarse mediante concentración molar, peso molecular, o mediante cualquier otro medio conocido de la técnica. La cantidad de ADN en una muestra puede determinarse mediante espectrometría de masas, densidad óptica u otro medio conocido de la técnica. El número de moléculas en una muestra derivada de un espécimen biológico puede determinarse mediante numerosos medios de la técnica, incluyendo aquellos dados a conocer en las patentes U.S. Nos. 5.741.650 y 5.670.325.
Los procedimientos tales como los descritos anteriormente se utilizaron para determinar las cantidades mínimas u óptimas de inhibidores de degradación de ADN para la utilización en cualquier procedimiento de aislamiento, detección o amplificación de ADN en el que se producen procesos estocásticos. Mediante la utilización del modelo anteriormente descrito para determinar el número mínimo de moléculas que debe medirse para detectar fiablemente una especie de baja frecuencia, puede determinarse empíricamente cuánto debe utilizarse de cualquier inhibidor dado.
II. Ejemplo: detección de ADN en heces con EDTA como inhibidor de degradación del ADN A. Introducción
Los procedimientos de la invención resultan útiles para analizar ADN de heces para la detección del cáncer colorrectal. Si el cáncer colorrectal se diagnostica precozmente, puede tratarse eficazmente mediante extirpación quirúrgica del tejido canceroso. Los cánceres colorrectales se originan en el epitelio colorrectal y típicamente no se encuentran extensivamente vascularizados (y por lo tanto no son invasivos) durante las etapas tempranas de su desarrollo. La transición a un cáncer altamente vascularizado, invasivo y finalmente metastásico que se extiende por todo el cuerpo habitualmente tarda diez años o más. Si el cáncer se detecta previamente a la invasión, la extirpación quirúrgica del tejido cancerosos resulta una curación efectiva. Sin embargo, el cáncer colorrectal con frecuencia se detecta sólo al manifestarse síntomas clínicos, tales como dolor y deposiciones alquitranosas negras. Generalmente, estos síntomas se presentan únicamente cuando la enfermedad se encuentra bien establecida, con frecuencia tras producirse la metástasis, y la prognosis para el paciente es mala, incluso tras la resección quirúrgica del tejido canceroso. La detección precoz del cáncer colorrectal, por lo tanto, resulta importante debido a que puede reducir significativamente la morbilidad del paciente.
B. Experimentos
Los experimentos siguientes demuestran que EDTA, un inhibidor de ADNasa, incrementa el rendimiento de ADN de alta integridad de una muestra de heces con un incremento concomitante de la cantidad de ADN amplificable. En estos experimentos, se homogeneizaron tres alícuotas de heces (de 5 g cada una) en tampón (Tris 0,5 M, NaCl 10 mM, EDTA). La proporción de tampón a heces era de 7:1, de esta manera, se utilizaron 35 ml por cada 5 g de heces. El tampón contenía EDTA 0 mM, EDTA 16 mM, o EDTA 96 mM. A continuación, se diluyó cada una de las tres alícuotas con tampón adicional (que no contenía EDTA) hasta una proporción de tampón a heces final de 20:1. A continuación, se centrifugó cada alícuota, y el sobrenadante, que portaba la fracción degradante de ADN activo, se extrajo a un tubo limpio. Después, se añadió a cada tubo una mezcla de ADN de 2 \mug de ADN de E. coli y 100 ng de ADN genómico humano. Cada tubo se incubó durante 75 minutos a 37ºC. Después, se añadieron a cada tubo 42 \mul de proteinasa K y 250 \mul de SDS (dodecil sulfato sódico) al 10%, seguido de la incubación durante la noche a 37ºC. Tras la incubación durante la noche, el ADN en cada muestra se preparó mediante técnicas estándar. Ver, por ejemplo, SHORT PROTOCOLS IN MOLECULAR BIOLOGY \NAK\NAK 2.1-2.4, (Ausubel et al., 3a edición, 1995). Generalmente, se llevó a cabo una extracción con fenol, una extracción con fenol/cloroformo, y una extracción con fenol previamente al aislamiento del ADN. A continuación, se introdujo el ADN aislado en un tampón Tris estándar.
Se llevaron a cabo tres experimentos con el ADN aislado. El primer experimento demostró que la actividad degradativa del ADN presente en el sobrenadante homogenizado de heces resultaba inhibida por cantidades óptimas de EDTA, incrementando la cantidad de ADN de alta integridad. En este experimento, se aisló ADN del sobrenadante homogeneizado de heces, obtenido de alícuotas de heces homogeneizadas en tampón con EDTA 0 mM, 16 mM, o 96 mM. Se corrieron los ácidos nucleicos totales en un gel de separación. Los resultados se muestran en la figura 2, en la que las flechas identifican la localización de la banda amplia (o falta de la misma) que contiene el ADN de interés.
Los carriles 4, 5 y 6 representan muestras de ADN añadido a sobrenadante homogeneizado de heces, obtenido de heces homogeneizadas en tampones que contenían EDTA 0 mM, 16 mM, o 96 mM, respectivamente, que posteriormente se aisló. Obsérvese que cada carril muestra una banda de elevado peso molecular que representa ADN endógeno de la muestra de heces y una banda difusa del ADN exógeno. La intensidad de la banda y de la banda difusa en la fotografía (que se correlaciona con la cantidad de ADN en la banda, correspondiendo una mayor intensidad a una mayor cantidad de ADN) se incrementó con la concentración de EDTA en el tampón original. Los carriles 7 a 9 y 10 a 12 son réplicas de los carriles 4 a 6. La intensidad creciente de las bandas y de bandas difusas a medida que se incrementa la concentración de EDTA indica que se conservó la integridad del ADN al incrementar la concentración de EDTA en el tampón. De esta manera, se inhibió la actividad degradativa del ADN del sobrenadante homogenizado de heces con el EDTA de una manera aproximadamente dosis-dependiente.
Los carriles 1, 2 y 3, y los carriles 13, 14 y 15 eran muestras de control que contenían 2 \mug de ADN de E. coli y 100 ng de ADN humano exógeno en tampón preparado con EDTA 16 mM. Tal como se esperaba, cada carril mostraba una banda difusa representativa del ADN añadido.
En un segundo experimento, el ADN aislado tal como se ha descrito anteriormente se capturó y se amplificó. Los resultados de este experimento demostraron que EDTA no sólo inhibe la actividad degradativa de ADN presente en el sobrenadante de heces sino que también incrementa la cantidad de ADN amplificable. En este experimento, tras preparar el ADN tal como se ha descrito anteriormente, se llevó a cabo una captura híbrida estándar utilizando sondas de captura específicas para Kras con el fin de capturar el ADN de Kras. A continuación, el ADN de Kras se amplificó por PCR. La figura 3 muestra el efecto de EDTA sobre la conservación del ADN de Kras. La localización de la banda (o falta de la misma) que representa el ADN de Kras se identifica con una flecha.
Los carriles 4, 5 y 6 representan ADN de Kras que se amplificó a partir de ADN de molde que se añadió al sobrenadante homogeneizado de heces obtenido de heces homogeneizadas en tampón que contenía EDTA 0 mM, 16 mM o 96 mM, respectivamente. Obsérvese que la banda de Kras en el carril 4 se encontraba prácticamente ausente, mientras que la banda de Kras creció en intensidad (representando un incremento de la cantidad de ADN de Kras realmente presente) en los carriles 5 y 6 a medida que se incrementó la concentración de EDTA en el tampón. Los carriles 7 a 9 son réplicas de los carriles 4 a 6 y muestran un incremento similar de intensidad de banda (un incremento de la cantidad de ADN presente) a medida que se incrementa la concentración de EDTA en el tampón original. De esta manera, se amplificó más ADN de Kras, resultando en una señal más robusta a las concentraciones más elevadas de EDTA.
Además, en la población, los niveles de ADN que pueden amplificarse a partir de heces varían entre individuos. Se ha caracterizado la población en grupos A a F, donde A es el nivel más alto de ADN y F es el nivel no detectable de ADN. Los niveles elevados de ADN en el grupo A se deben a una actividad degradativa del ADN reducida en las heces ("heces de integridad elevada"). La adición de EDTA al tampón en el que se homogeneiza una alícuota de heces de un individuo del grupo A no se esperaría que produjese un gran efecto debido a que las heces del grupo A presentan una actividad degradativa del ADN reducida. De hecho, al amplificar el ADN de Kras a partir de ADN molde que se añadió al sobrenadante homogeneizado de heces obtenido de heces de grupo A homogeneizadas en tampón que contenía EDTA 0 mM, 16 mM o 96 mM, se observaron pocas diferencias en la cantidad de ADN de Kras amplificado (carriles 10, 11 y 12, respectivamente). Sólo podía observarse un ligero incremento de intensidad de banda de Kras entre EDTA 0 mM y EDTA 16 mM o 96 mM, representando únicamente un ligero incremento de la cantidad de ADN de Kras a las concentraciones inhibitorias de EDTA.
Los carriles 1 a 3, así como los carriles 13 a 15 representan muestras de ADN de Kras amplificado que no se expuso a sobrenadante de heces homogeneizadas. Tal como se esperaba, estos carriles de control mostraban una banda de igual intensidad en carriles que representaban ADN de Kras. Los carriles 16 y 17 son controles negativos y, tal como se esperaba, no mostraban ninguna banda que representase Kras, indicando que cualquier ADN de Kras observado se debía a ADN capturado y no a contaminantes. El carril 18 es un control negativo y, tal como se esperaba, no presentaba ninguna banda representativa del gen Kras, indicando que los productos de PCR eran de la muestra y no de contaminantes. Los carriles 19 a 21 eran controles positivos, en los que se amplificaron 50 pg, 100 pg o 200 pg de ADN humano en un fondo de ADN de E. coli, indicando que el ADN humano puede amplificarse en un fondo de E. coli en este sistema modelo. Finalmente, el carril 22 era un marcador de peso molecular.
En un tercer experimento, se utilizó el mismo protocolo que en el segundo experimento excepto en que se añadió ADN genómico humano a cada muestra tras la captura. Se amplificó nuevamente el ADN de Kras mediante PCR. De esta manera, se encontraba disponible un exceso de ADN de molde para la PCR. Este experimento demostró que los niveles variables de amplificación por PCR en el segundo experimento no se debían a que EDTA interfería o intensificaba la PCR normal sino que se debían a los niveles variables de ADN de molde disponible para la amplificación que resultaban de los diversos niveles de inhibición de la degradación del ADN por EDTA. La figura 4 muestra los resultados de este experimento. La localización de la banda (o falta de la misma) que representa Kras se identifica con una flecha. Los carriles 1 a 6 y 8 a 13 corresponden a los carriles 1 a 12 en el segundo experimento (es decir, los carriles 1 a 3 eran controles, los carriles 4 a 6 y 8 a 10 eran con EDTA 16 mM o 96 mM, y los carriles 11 a 13 eran ADN de Kras en exceso amplificado en muestras expuestas a sobrenadante homogeneizado de heces procedente de heces de alta integridad homogeneizadas en EDTA 0 mM, 16 mM o 96 mM). Tal como se esperaba, las pistas 1 a 6 y 8 a 13 mostraban un producto de PCR de intensidad aproximadamente igual debido a que se encontraba disponible un exceso de ADN de molde. El EDTA no interfiere ni intensifica la PCR normal. Este resultado indica que los niveles variables de amplificación por PCR en las muestras con EDTA 0 mM, 16 mM o 96 mM en el segundo experimento se debían a niveles variables de ADN de molde y no al inhibidor. El carril 14 muestra una muestra de ADN genómico humano. Los carriles 15 a 18 son los mismos controles que los carriles 17 y 19 a 21 en el segundo experimento.
A partir de los datos experimentos descritos anteriormente, se calculó la cantidad de ADN requerido para inhibir la ADNasa. La concentración de EDTA en los diversos tampones utilizados en los tres experimentos se normalizó como gramos de EDTA por gramo de heces. Generalmente, la concentración de EDTA se multiplicó por el peso molecular de ETA y por el volumen de tampón en el que se homogeneizaron las heces. El producto se dividió por la cantidad de heces que se habían homogeneizado. Por ejemplo, se utilizaron las ecuaciones siguientes para normalizar la concentración de EDTA.
Para EDTA 16 mM (comparativo):
(EDTA 0,016 M/L x 372,2 g/M x 0,035 L) \div 5 g = 0,042 g de EDTA por gramo de heces
Para EDTA 96 mM:
(EDTA 0,096 M/L x 372,2 g/M x 0,035 L) \div 5 g = 0,250 g de EDTA por gramo de heces
De esta manera, para cualquier cantidad de heces a homogeneizar, deben utilizarse por lo menos 0,250 g de EDTA por gramo de heces en el tampón de homogeneización con el fin de maximizar el rendimiento de ADN. El intervalo de EDTA que puede utilizarse es de entre 0,250 g de EDTA por gramo de heces y aproximadamente 0,782 g de EDTA por gramo de heces. Más preferentemente, se utiliza entre 0,250 g de EDTA por gramo de heces y aproximadamente 0,521 g de EDTA por gramo de heces. Todavía más preferentemente, se utilizan aproximadamente 0,391 g de EDTA por gramo de heces.
Estos cálculos indican que, con los volúmenes de tampón y las cantidades de heces utilizados comúnmente, la cantidad de EDTA presentes en la muestra homogeneizada es un factor más importante que la concentración final de EDTA en la muestra homogeneizada. Sin embargo, tal como apreciará el experto en la materia, en algún punto, aunque la cantidad de EDTA permanezca igual en un volumen dado, el volumen puede ser tan grande que se diluya el efecto del EDTA sobre la integridad del ADN. Al examinar una muestra de heces dentro de los parámetros utilizados comúnmente, no se observa este efecto de dilución. Sin embargo, en realizaciones alternativas, la concentración de EDTA es un factor relevante. En estas realizaciones, resulta útil el EDTA entre aproximadamente 16 mM y aproximadamente 300 mM. Más preferentemente, resulta útil el EDTA entre aproximadamente 100 mM y aproximadamente 200 mM. Todavía más preferentemente, resulta útil EDTA aproximadamente 150 mM.

Claims (6)

1. Procedimiento para conservar la integridad del ADN en una muestra seleccionada de entre una muestra de heces o una muestra que contiene células exfoliadas, comprendiendo el procedimiento exponer la muestra a EDTA en un intervalo entre 0,250 gramos de EDTA por gramo de muestra y aproximadamente 0,782 gramos de EDTA por gramo de muestra, siendo la concentración de EDTA en la muestra de por lo menos 16 mM, para conservar la integridad de ADN en la muestra.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende además una etapa de extracción de un ADN diana.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, en el que la etapa de extracción comprende una extracción con fenol-cloroformo.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende exponer la muestra a EDTA en un intervalo entre 0,250 gramos de EDTA por gramo de muestra y aproximadamente 0,521 gramos de EDTA por gramo de muestra.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, que comprende exponer la muestra a aproximadamente 0,391 gramos de EDTA por gramo de muestra.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, para conservar la integridad del ADN diagnósticamente relevante en una muestra que contiene niveles reducidos de dicho ADN diagnósticamente relevante.
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