改良法對NSCLC患者癌組織及外周血K-ras基因常見突變位點的檢測

李學琴，張露萍，徐燕梅，彭麗娜，孫建國，陳正堂

肺癌是當今世界發病率、死亡率最高的惡性腫瘤，其中80%～85%為非小細胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)。近來基于表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)和K-ras基因檢測的EGFR酪氨酸激酶抑制劑(tyrosine kinase inhibitor，TKI)靶向治療為NSCLC患者帶來了新的希望[1]。現已明確，K-ras基因是EGFR信號傳導通路中重要的下游分子，其突變與肺癌患者對TKI的原發性耐藥有關，而且97%的突變位點為外顯子2的12和13位密碼子[1]。因此K-ras突變是影響NSCLC患者TKI治療效果及預后的關鍵因素[2]，檢測K-ras突變是一個必要的治療抉擇。研究發現K-ras突變為腫瘤特異性的體細胞遺傳改變，正常細胞中尚未發現[3]，但在癌癥患者的血漿中，有少量的包含突變序列的游離DNA從原發或轉移的腫瘤細胞釋放入血，但由于濃度過低，很難在大量的野生型序列中將其檢測出來，如傳統的Sanger測序方法需要突變體DNA至少占到野生型DNA的10%～20%[4]。因此，提高突變DNA相對濃度，抽提并富集少量突變小片段DNA是技術的關鍵。在本研究中，我們建立了一種酶切富集突變DNA后行焦磷酸測序的方法，用于檢測臨床癌組織及血漿樣本中的K-ras突變體。

1 資料與方法

1.1 臨床資料 收集2013年1月－10月在重慶新橋醫院全軍腫瘤診治研究所治療的經組織學和(或)細胞學確診的43例NSCLC患者的癌組織和外周血標本，所有患者TNM分期均為Ⅲ-Ⅳ期。

1.2 標本采集與DNA提取 ①患者入院后次日采集空腹外周靜脈血2ml，EDTA抗凝，2h內分離血漿，采用QIAamp Mini Blood Kit提取血漿內游離DNA。②包括經皮肺穿刺和纖維支氣管鏡所取得的新鮮組織或4%甲醛浸泡或石蠟包埋的切片，采用QIAamp DNA FFPE Tissue Kit提取組織DNA，具體操作按說明書進行。超微量紫外分光光度計測定DNA濃度，記錄編號，置于－20℃冰箱保存備用。

1.3 酶切富集PCR擴增 采用酶切富集PCR法擴增包含12與13號密碼子在內的K-ras基因第2外顯子。引物(表1)由上海英駿生物科技有限公司合成。

表1 酶切富集PCR擴增引物及焦磷酸測序引物Tab.1 The primer of mutant-enriched PCR and pyrosequencing

第一輪PCR反應體系為25μl。12密碼子的PCR擴增條件為：94℃預變性3min；94℃變性20s、58℃退火30s、72℃延伸20s，共30個循環；72℃延伸10min。13密碼子的PCR擴增條件為：94℃預變性3min；前10個循環為94℃變性20s、54℃退火30s、72℃延伸20s，后25個循環為94℃變性20s、60℃退火30s、72℃延伸20s，共35個循環；最后72℃延伸10min。

使用突變體特異的內切酶Bsto Ⅰ、Nar Ⅰ選擇性地酶切第一輪PCR擴增產物中K-ras第2外顯子的12、13密碼子。相應孵育溫度下孵育4h(12、13密碼子的孵育溫度分別為60℃、37℃)。

第二輪PCR反應體系為40μl。12、13密碼子的PCR擴增條件為：94℃預變性3min；94℃變性20s、60℃退火30s、72℃延伸20s，共50個循環；72℃延伸10min。根據K-ras突變情況將結果分為兩組，即突變組和K-ras野生組。

1.4 焦磷酸測序 ①設定程序，分析序列為：GG/T/A/CTGG/A/C/TCGTAAGGCAAG；堿基分配序列為：TACGACTCAGATCGTAG。②在96孔PCR反應板中加入磁珠3μl、結合緩沖液37μl、PCR產物40μl，室溫下1400r/min充分混勻5min。③配制含0.3μmol/L測序反應液45μl。④開啟真空泵吸取磁珠和PCR產物混懸液，依次浸入70%乙醇、0.2mol/L NaOH和洗脫緩沖液中洗滌5s、5s、10s。關閉真空泵，將探頭上吸附的磁珠釋放入測序反應液，80℃孵育2min，使測序引物與模板退火雜交，然后室溫下冷卻10min。⑤根據程序計算得出劑量，在試劑倉中依次加入底物混合物、酶混合物以及4種dNTP，將試劑倉和96孔測序反應板放入機箱中開始反應[5]。

1.5 靈敏度鑒定 將K-ras基因突變型(12密碼子)的A549細胞與K-ras基因野生型的HCC827細胞提取基因組DNA，使其中突變型與野生型K-ras基因的比例分別為1:0、0:1、1:1、1:10、1:100、1:1000、1:5000。按上述檢測12密碼子突變的方法進行檢測。

2 結 果

2.1 焦磷酸測序檢測突變結果 43例癌組織中檢測出4例突變，突變率為9.3%(4/43)，外周血樣本中檢測出3例突變，突變率為7.0%(3/43)。以癌組織中檢測到的K-ras為標準，兩者突變一致性達75.0%(3/4，表2)。兩種標本同時存在突變的有3例，均為12密碼子突變；A1、A2，D1、D2突變類型為GGT→AGT；B1，C1、C2突變類型為GGT→GAT；B2為野生型(圖1)。

表2 NSCLC患者外周血和癌組織K-ras突變一致性Tab.2 Consistency of K-ras mutation from NSCLC patients'plasma and matched cancer tissue

2.2 靈敏度測試結果 K-ras突變型與野生型細胞分別按1:0、0:1、1:1、1:10、1:100、1:1000、1:5000比例混合(圖2)，當突變型與野生型K-ras基因比例大于1:1000時(0.1%)時，即可見到突變的峰，表明檢測閾值為0.1%(突變型/野生型基因)。

3 討 論

ras基因家族中與人類腫瘤相關的基因有3種，即H-ras、K-ras、N-ras，其中K-ras與人類癌癥關系最為密切，該基因位于人類染色體12p12.1，其編碼的ras蛋白是細胞外信號向胞內傳導的信號通路網絡中的主要蛋白之一，可作為分子開關參與細胞增殖、分化、凋亡的調控。K-ras基因突變會導致ras蛋白異常活化，持續激活ras-raf-MEK等信號通路，導致細胞異常增生，促進腫瘤形成[6]。NSCLC患者K-ras突變主要發生于第2外顯子的12、13密碼子，其中12密碼子的突變占87%，13密碼子的突變占12%；第3外顯子的61和146密碼子的突變發生率低，只占K-ras突變的1%～4%。因此12、13密碼子的基因突變狀態越來越受到研究者們的重視。

圖1 NSCLC患者外周血和癌組織K-ras突變焦磷酸測序檢測結果Fig.1 K-ras mutations of NSCLC patients detected by pyrosequencing1. K-ras mutation in cancer tissue; 2. K-ras mutation in plasma. The black arrow showed the point mutation G→A in codon 12

圖2 改良的酶切富集PCR-焦磷酸測序技術靈敏度測試結果Fig.2 The sensitivity of the modified mutant-enriched PCR combined with pyrosequencing The ratio of mutation type/wild type was 1:0(A), 0:1(B), 1:1(C), 1:10(D), 1:100(E), 1:1000(F) and 1:5000(G)

以往認為K-ras基因突變常常發生在腫瘤惡變的早期，原發灶和轉移灶的K-ras基因保持高度一致[7]，且K-ras基因狀態不會因治療而發生變化[8]。然而目前已證實K-ras基因狀態在轉移進展過程中并不總是穩定的，在NSCLC患者的整個病程中，腫瘤細胞不斷增殖分化，K-ras基因可能在轉移過程中發生改變[9]。K-ras基因的轉換狀態可能是原發灶陰性而轉移灶陽性，也可能原發灶陽性而轉移灶陰性。即使只在一小部分細胞中檢測到K-ras基因突變，仍然會給TKI治療帶來阻力。因此在同一患者不同時期，腫瘤對靶向治療的適應性可能會有明顯不同，建議在治療過程中動態監測K-ras基因突變狀況。

目前一般采用腫瘤組織DNA進行突變檢測，常通過經皮肺穿刺、手術、纖維支氣管鏡等途徑獲得，但若動態監測組織來源的腫瘤細胞DNA突變狀況，獲取組織時創傷大，患者難以接受，對外周血進行檢測具有創傷小、取材方便、可動態隨訪等特點，患者易于接受，但外周血中游離DNA量少，擴增少量突變DNA是技術上的關鍵。眾多學者為解決這一難題，在PCR法的基礎上探索出酶切富集PCR法，通過PCR擴增野生型或突變型DNA，限制性酶消化野生型基因，經消化后突變的比例相對于野生型DNA顯著增加，然后再行第二輪PCR擴增突變的DNA序列。Maluf-Filho等[10]采用酶切富集PCR聯合限制性片段長度多態性方法檢測57例胰腺癌患者的癌組織，結果顯示K-ras突變率為66.7%；Wu等[11]采用酶切富集PCR聯合液態芯片分析技術檢測109例非小細胞肺癌患者血清，結果顯示K-ras基因突變率為31.2%；Yang等[12]采用酶切富集聯合變性高效液相分析技術檢測120例結直腸癌患者血漿，結果顯示K-ras基因總突變率為38.3%。但這些方法分別需要應用電泳、設計鍍探針的磁珠等，成本高、操作繁瑣、結果主觀性強。基于上述考慮，本研究探索了在酶切富集PCR的基礎上，聯合焦磷酸測序技術對PCR產物的突變類型進行分析。焦磷酸測序是一種新的DNA序列分析技術，其特點是操作簡便、高通量、自動化，適合大樣本的快速檢測，但缺點為需已知突變位點，據突變位點選擇特異的限制性內切酶。

本研究中，癌組織中K-ras基因突變率為9.3%，與文獻報道的肺癌K-ras突變率10%～30%相比稍偏低[12]，考慮可能是樣本量相對較少所致。本研究的43例癌組織樣本中，4例為12密碼子突變，突變類型為GAT、AGT；外周血樣本中，3例為12密碼子突變，突變類型與癌組織一致，1例經重復檢測仍未檢測到突變，原因可能為：①癌細胞在轉移過程中丟失了某種K-ras基因型；②癌細胞群中存在廣泛的表觀遺傳學及細胞遺傳學，或是具有特定的器官轉移親嗜性[13]。本實驗的靈敏度為0.1%，是直接測序法的100倍。本技術更適合臨床檢測血漿和組織樣本中少量突變的K-ras基因，可用于活檢和循環腫瘤細胞樣本的檢測。

[1] Forbes S, Clements J, Dawson E, et al. COSMIC 2005[J]. Br J Cancer, 2006, 94 (2): 318-322.

[2] Massarelli E, Varella-Garcia M, Tang X, et al. KRAS mutation is an important predictor of resistance to therapy with epidermal growt factor receptor tyrosine kinase inhibitors in non-smallcell lung cancer[J]. Clin Cancer Res, 2007, 13 (10): 2890-2896.

[3] Dong Q, Huang J, Zhou Y, et al. Hematogenous dissemination of lung cancer cells during surgery: quantitative detection by flow cytometryand prognostic significance[J]. Lung Cancer, 2002, 37(3): 293-301.

[4] Moskalev EA, St?hr R, Rieker R, et al. Increased detection rates of EGFR and KRAS mutations in NSCLC specimens with low tumour cell content by 454 deep sequencing[J]. Virchows Arch,2013, 462 (4): 409-419.

[5] Sun J, Ming H, Sun JG, et al. KRAS mutation detection by pyrosequencing in plasmaof 63 patients with advanced NSCLC[J]. Chongqing Med, 2012, 41 (11): 1062-1064. [孫潔,明華,孫建國, 等. 焦磷酸測序技術檢測63例晚期NSCLC患者血漿KRAS基因突變[J]. 重慶醫學, 2012, 41 (11): 1062-1064.]

[6] Siddiqui AD, Piperdi B. KRAS mutation in colon cancer: a marker of resistance to EGFR-I therapy[J]. Ann Surg Oncol,2010, 17 (4): 1168-1176.

[7] Lee JC, Wang ST, Lai MD, et al. K-ras gene mutation is a useful predictor of the survival of earl stage colorectal cancers[J].Anticancer Res, 1996, 16 (6B): 3839-3844.

[8] Jimeno A, Messersmith WA, Hirsch FR, et al. KRAS mutations and sensitivity to epidermal growth factor receptor inhibitors in colorectal cancer: practical application of patient selection[J]. J Clin Oncol, 2009, 27 (7): 1130-1136.

[9] Cortot AB, Italiano A, Burel-Vandenbos F, et al. KRAS mutation status in primary nonsmall cell lungcancer and matched metastases[J]. Cancer, 2010, 116(11): 2682-2687.

[10] Maluf-Filho F, Kumar A, Gerhardt R, et al. Kras mutation analysis of fine needle aspirate under EUS guidance facilitates risk stratification of patients with pancreatic mass[J]. J Clin Gastroenterol, 2007, 41(10): 906-910.

[11] Wu S, Zhu Z, He J, et al. A novel mutant-enriched liquidchip technology for the qualitative detectionof somatic mutations in KRAS gene from both serum and tissue samples[J]. Clin Chem Lab Med, 2010, 48(8): 1103-1106.

[12] Yang Z, Long MJ, Wang F, et al. Detection and clinical significance of EGFR and KRAS mutation in peripheral blood from tumor patients by REDE-DHPLC[J]. Chin J Lab Med,2011, 34(4): 327-332. [楊卓, 龍美娟, 王斐, 等. 酶切富集聯合DHPLC檢測腫瘤患者外周血EGFR和KRAS基因突變及其臨床應用[J]. 中華檢驗醫學雜志, 2011, 34(4): 327-332.]

[13] Gerlinger M, Rowan AJ, Horswell S, et al. Intratumor heterogeneity and branched evolution revealed by multiregion sequencing[J]. N Engl J Med, 2012, 366 (10): 883-892.