JP2011510660A - 母体血漿中の無細胞胎児ｄｎａの二段階濃縮法 - Google Patents

Abstract

本発明は、母体ホストに由来する生体試料中の胎児核酸を濃縮するための方法を提供する。さらに、胎児核酸、腫瘍核酸、または新生物核酸中のマーカーの有無を検出するための方法も提供する。本方法には、生体試料をDNaseで処理する段階、および任意で処理済みの試料に対して全ゲノム増幅を実施する段階を含めることができる。生体試料は、例えば血液試料であり得る。

Description

胎児DNAは母体血漿中に存在するが、ルーチンの出生前遺伝子解析を可能にするには相対的に低い濃度である。何らかの理論に縛られるわけではないが、胎児DNAの一部がパッケージされ（packaged）、したがって血漿エンドヌクレアーゼから保護されていると、本発明者は考えている。本発明者は、2つの別個の方法を組み合わせた新規濃縮技術を提唱する。分離した血漿をまずDNaseで処理して、混入している無細胞母体DNA断片の割合を事実上低下させる。引き続いて、改変全ゲノム増幅（WGA）技術を用いて胎児配列の増加を達成する。

方法：母体全血（n＝24）から血漿を単離し、これを次に漸増濃度のDNaseで処理した。DNase処理したDNAをQiagen DNA extraction mini kitを用いてさらに処理し、その後、より短いDNA断片を濃縮するための改変WGAプロトコルを実施した。胎児配列の存在は、βグロビン配列およびDYS1配列の量を測定するためのリアルタイムTaqman PCR（RT-PCR）を用いて確認した。

結果：全てのDNase処理後に、胎児DNA配列を検出した。WGAの前および後の両方で、男児胎児の妊娠が確認された全試料（n＝10）における男児胎児の正確な検出が達成された。正確な性別判定に加えて、最多量のDNaseおよび改変WGAプロトコルに供した試料（n＝7）では胎児配列の著しい濃縮が実証され、50％胎児DNAに達している。

結論：血漿中の胎児DNAが保護されておりかつDNase処理による分解に抵抗性であることが、結果により確認される。これらの予備データはまた、最適レベルのDNase処理が達成可能でありこれによってWGAを用いたさらなる濃縮が可能となることも示唆する。DNaseが主に母体配列を除去するという知見によって、無細胞胎児DNAが母体対応物とは別々にパッケージされていることが示唆され、これによって胎児配列の優先的濃縮が可能になる。

概論
出生前遺伝子診断は、羊水穿刺または絨毛生検（CVS）等の侵襲的手法に頼ってきた。これらの手法は長年にわたり信頼度の高い結果を提供してきたが、今もなお胎児へのリスクはわずかに存在する（1）。母体血漿における増幅可能な胎児無細胞核酸の発見（2）以来、臨床的な非侵襲性の出生前遺伝子検査の可能性を判定することを目的とした数多くの研究がなされてきた。これらの研究の多くが高い有望性を示してきたが、胎児DNAの存在量が小さいことによって、臨床的な実践が困難になっている。したがって本発明者は、胎児DNAを単離および濃縮する方法の改善に焦点を当てた。何らかの理論に縛られるわけではないが、これらの循環ヌクレオチドは胎児細胞がアポトーシスを受けた結果であると考えられる（3）。ヌクレアーゼを含むことが公知である血漿中で無細胞DNAおよびRNAが相対的安定性を有することは、これらの核酸が、プログラム細胞死の機序の結果として形成される膜結合小胞の内部で循環していることを示唆している（4）。またこれらの胎児DNA断片は、サイズに基づいて母体断片と区別可能であり、胎児断片（<300 bp）は母体断片（>500 bp）よりも一般に小さい（5; Jorgez C et al., 2007）。

本発明者は胎児断片濃縮のための新規の二段階法を記載する。第一段階は、DNaseによる母体血漿全体（母体DNA断片と胎児DNA断片の両方を含む）の処理を伴う。胎児断片はより高い安定性を有しかつ膜結合アポトーシス小体によりパッケージされている可能性があることを考慮し、本発明者は、DNase処理によって全ての（パッケージされていない）母体由来配列が除去されるであろうと仮定する。第二段階は、胎児断片と推定されるより短い断片を増幅するために設計した、改変全ゲノム増幅（WGA）プロトコルを伴う。

方法
IRB承認および書面でのインフォームドコンセントの後に、計24例の全血試料（10例は男児妊娠確認例、平均在胎齢18 1/7週で11 4/7週〜25 2/7週の範囲；12例は女児妊娠確認例、平均在胎齢20 1/14週で9 6/7週〜37 4/7週の範囲；2例は非妊娠対照、女性1例および男性1例）を得た。各例についてACDバキュテイナで採血した約30mlの血液を、800gで10分間の最初の遠心分離によって処理し、細胞画分から血漿を分離した。血漿画分を取り出し、再び16,000gで10分間の遠心分離に供して、混入した細胞性粒子（cellular particle）全てをさらに除去した。次にこの画分を800μlアリコートにして凍結させ、後に、同時バッチ処理のために融解させた。各800μlの血漿試料を室温で融解させ、次に様々な濃度のDNase（Promega、カタログ番号M6101）処理に供した（処理せず、1単位/μlを1μL、5μL、10μL、30μL）。試料を37℃で1時間インキュベーションした後、停止液を添加した。次に試料を、Qiagen QiAamp Blood Mini Kit（カタログ番号51106）を用いたDNA抽出に供し、最終容量100μLで溶出させた。続いて、わずかな改変を加えたGenomePlex（登録商標）コンプリート全ゲノム増幅（WGA）キット（Sigma、カタログ番号WGA2-50rxn）用のプロトコルを、7例の母体血液試料（4例は男児確認例、3例は女児確認例）に対して実施した。本発明者は、第一に、標的配列の予想サイズのために製造元推奨の断片化インキュベーション（fragmentation incubation）を省略することによって、上記手法を改変した。第二に、増幅段階のサイクル数を推奨の14回から20回まで増やした。増幅された試料は、

の検出および定量のためのRT-PCR解析（Applied Biosystems 7700、Foster City、CA）を行うまで、4℃で保存した。濃縮レベルは、βグロビンに対するDYS1の割合として算出した％胎児DNAに基づいて、決定した。βグロビンは単離された母体DNAおよび胎児DNAの全量を表し、一方、男児妊娠確認例においてDYS1は試料中に存在する胎児DNAの量を表す。

結果
対照の非妊娠試料においては、最初のDNase処理の後、酵素添加量に応じてβグロビンおよびDYS1両方のレベルが低下した。DNase処理によってそれぞれが事実上消失した。(図1)。母体試料においては、βグロビンの検出レベルは低下したが、DNase処理をより厳しくしたにもかかわらず該レベルは持続した（男児母体例では916.5 ± 91.2 Geq/ml、女児母体例では610.5 ± 389.62 Geq/ml）。全ての女児妊娠確認例において、偽陽性レベルのDYS1は検出されなかった。しかし、男児妊娠確認例（n＝10）においては、全ての処理単位においてDYS1配列が100％検出された（0μl：127.4 ± 72.3 Geq/ml、1μl：71.4 ± 57.3 Geq/ml、5μl：71 ± 58.6 Geq/ml、10μl：57.1 ± 46.6 Geq/ml、30μl：154 ± 179.6 Geq/ml）。

7例のDNase処理済母体試料（女児妊娠例3例、男児妊娠例4例）に対して、WGAを実施した。全試料において胎児配列が検出されたが、胎児DYS1配列レベルの増加は、DNase 30μlに供された試料においてしか認められなかった（0μl：1979 ± 2083.9 Geq/ml、1μl：1.62 ± 1.6 Geq/ml、5μl：723.5 ± 875.7 Geq/ml、10μl：0.83 ± 1.22 Geq/ml、30μl：7025 ± 4381 Geq/ml）。したがって、DYS1配列の増幅よりも競合する（out-compete）レベルを超えて存在することがない程度にまで（βグロビンベースで）母体配列を減少させるためには、よりストリンジェントなDNase処理が必要であることが示された。DNase 30μlおよび続いて改変WGAプロトコルに供された試料において、本発明者は胎児DNA平均値49.96％を達成することができた。DNaseで処理せず改変WGAのみに供した試料においては、試料間での％胎児DNAの平均値は11.16％であった。1単位/μlのDNase 1、5、10μlのいずれかで処理した試料は全て、WGAの後、それぞれ平均値0.01％、3.5％、および0.01％の胎児DNAを有した。WGA前には、上記試料は0.05％〜0.17％の範囲の割合を有していた。

考察
本発明者の結果は、無細胞胎児DNAがDNaseによる分解に対する抵抗性を有することを実証しており、これは、無細胞胎児DNAが膜結合小胞内でパッケージされているとの仮説を支持する。本発明者は、偽陽性結果をもたらし得る全ての混入配列と同様に、母体配列も事実上除去した。対照試料に対して、患者試料においては無細胞胎児DNAレベルが持続した。この知見は、胎児配列が分解に対して抵抗性でありかつ母体配列とは別々に保護またはパッケージされていることを立証するものである。βグロビンレベルは全（母体および胎児）DNAを表し、したがってβグロビンの完全な消化を検出できないことは、一部が胎児DNAである可能性があることを考慮すれば驚くに当たらない。胎児配列は固有の分子特性を有すると思われ、これにより胎児配列と母体配列とが区別されかつ濃縮が可能になる。全ての男児妊娠例が検出されたことおよび偽陽性が検出されなかったことは、循環中にさらなる分解を受けた望ましくない母体配列の除去において、DNase処理が新規の用途を有することを示唆するものである。

GenomePlex（登録商標）コンプリート全ゲノム増幅キット（Sigma-Aldrich）は、まずDNAを無作為に断片化して、次に、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）により全断片を増幅するために用いられる共通配列を末端に付加することによって、ゲノムDNAを増幅する。本発明者は上記手法から断片化段階を除いて、その後の増幅のために、より長い母体配列が断片化されるのを防止した。これは、既存の断片化された短い胎児配列に増幅の際の優位性を与える可能性がある。WGAは、最もストリンジェントなDNase処理を受けた試料中で母体配列に対する胎児配列の割合を増大させた。WGAの前には、胎児DNAの平均％は全ての処理レベルにおいて<1％であった。しかしながら、改変WGAプロトコルおよびDNase 30μlに供した試料において50％胎児DNAが達成され、このことは、これが母体血漿中の無細胞胎児DNAを濃縮するための実行可能な方法であることが示唆された。βグロビンレベルに基づき、DNaseは試料中に存在する母体配列の量を減少させると思われ、これによって胎児配列の増幅が可能となる。母体核酸の分解は、PCR反応における胎児配列の増幅の際の競合を防止する。より穏やかな（1、5、10μl）DNase処理を受けた試料では、WGA後の母体配列に対する胎児配列の割合が、DNaseで処理されなかった試料よりも低くなった。1つの可能性のある解釈としては、これらの試料中ではより長い母体配列が分解されたが完全には除去されず、実際には元のWGAプロトコルの断片化段階が元に戻り、これによって母体配列がより効果的に増幅された。

本発明者は、非侵襲的出生前DNA遺伝子検査を制限してきた2つの主要な問題である、母体DNAに対する胎児DNAの割合の低さ、および胎児DNAの量の少なさの克服を可能にする方法の組み合わせを記載する。全体として、この新規2段階濃縮法は、増幅後の選択的濃縮における大きな可能性を示すものである。

謝辞
NIH助成金

参考文献

Claims (30)

1. 無細胞胎児核酸を含有する母体ホスト（maternal host）の生体試料を、DNase活性を持つ作用物質を含む組成物で処理する段階
   を含む、胎児核酸を濃縮するための方法であって、
   処理前の生体試料中の胎児核酸の第一のパーセンテージが、処理後の生体試料中の胎児核酸の第二のパーセンテージよりも低い、方法。
2. 前記生体試料が母体ホストの血液試料である、請求項1記載の方法。
3. 前記生体試料が母体ホストの血漿試料または血清試料である、請求項1記載の方法。
4. DNase活性を持つ作用物質がDNaseである、請求項1記載の方法。
5. DNase活性を持つ作用物質がDNaseであり、かつDNaseの量が約10〜200単位/μlである、請求項1記載の方法。
6. 前記第二のパーセンテージが約10％〜50％である、請求項1記載の方法。
7. 前記第二のパーセンテージが少なくとも10％、20％、30％、40％、または50％である、請求項1記載の方法。
8. 処理前の生体試料中の母体核酸の第一のパーセンテージが、処理後の生体試料中の母体核酸の第二のパーセンテージよりも高い、請求項1記載の方法。
9. 処理後の生体試料中の胎児核酸を増幅する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
10. 全ゲノム増幅（WGA）法を介して、処理後の生体試料中の胎児核酸を増幅する段階をさらに含む、請求項1記載の方法。
11. 断片化インキュベーション（fragmentation incubation）を伴わずにWGA法が実施される、請求項10記載の方法。
12. 請求項1記載の方法により得られる混合物。
13. 少なくとも10％、20％、30％、40％、または50％胎児核酸を含む、請求項1記載の方法により得られる混合物。
14. 無細胞胎児核酸を含有する母体ホストの生体試料を、DNase活性を持つ作用物質を含む組成物で処理する段階、
    処理後の生体試料中の胎児核酸を増幅する段階、および
    増幅の最中またはその後に胎児核酸中のマーカーの有無を検出する段階
    を含む、胎児核酸中のマーカーの有無を検出するための方法。
15. 前記生体試料が血漿試料または血清試料である、請求項14記載の方法。
16. 前記作用物質がDNaseである、請求項14記載の方法。
17. 全ゲノム増幅（WGA）法を介して増幅が実施される、請求項14記載の方法。
18. 断片化インキュベーションを伴わずにWGA法が実施される、請求項17記載の方法。
19. 増幅後の胎児核酸のパーセンテージが少なくとも10％、20％、30％、40％、または50％である、請求項14記載の方法。
20. アポトーシス細胞または壊死細胞に由来する無細胞核酸を含む生体試料を、DNase活性を持つ作用物質を含む組成物で処理する段階
    を含む、アポトーシス細胞または壊死細胞に由来する無細胞核酸を濃縮するための方法であって、
    処理前の、アポトーシス細胞または壊死細胞に由来する無細胞核酸の第一のパーセンテージが、処理後の生体試料中の、アポトーシス細胞または壊死細胞に由来する無細胞核酸の第二のパーセンテージよりも低い、方法。
21. 前記生体試料が血液試料、血漿試料、または血清試料である、請求項20記載の方法。
22. DNase活性を持つ作用物質がDNaseである、請求項20記載の方法。
23. DNase活性を持つ作用物質がDNaseであり、かつDNaseの量が約10〜200単位/μlである、請求項20記載の方法。
24. 前記無細胞核酸が腫瘍細胞または新生物細胞に由来する、請求項20記載の方法。
25. 全ゲノム増幅（WGA）法を介して、処理後の生体試料中の無細胞核酸を増幅する段階をさらに含む、請求項20記載の方法。
26. 腫瘍または新生物の細胞に由来する無細胞核酸を含む生体試料を、DNase活性を持つ作用物質を含む組成物で処理する段階、
    処理後の生体試料中の無細胞核酸を増幅する段階、および
    増幅の最中またはその後に腫瘍または新生物の核酸中のマーカーの有無を検出する段階
    を含む、腫瘍または新生物の核酸中のマーカーの有無を検出するための方法。
27. 前記生体試料が血液試料、血漿試料、または血清試料である、請求項26記載の方法。
28. 前記作用物質がDNaseである、請求項26記載の方法。
29. 全ゲノム増幅（WGA）法を介して増幅が実施される、請求項26記載の方法。
30. 断片化インキュベーションを伴わずにWGA法が実施される、請求項26記載の方法。

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