PLOS ONE: Exosomal miRNA från bukhinna sköljvätska som potentiella Prognostiska Biomarkers av Peritoneal metastaser i Gastric Cancer

Abstrakt

Peritoneal metastaser är den vanligaste typen av återfall hos patienter med magcancer (GC) och är associerad med dålig prognos. Peritoneal tvättning cytologi, används för att utvärdera risken för peritoneal metastas, har låg känslighet. Här bedömde vi den diagnostiska potential exosomal miRNA profiler i peritonealvätska för att förutsäga peritoneal spridning i GC. Totalt RNA extraherades från exosomes isolerade från sex gastric malign ascites (MA) prover, 24 peritoneal lavage (PLF) prover, och odlingssupernatanter (CM) av två humana gastric carcinoma cellinjer som skiljer sig i deras potential för peritoneal metastas. Uttryck av exosomal miRNA utvärderades med Agilent Human miRNA microarrays och kvantitativ RT-PCR (QRT-PCR). Microarray analys indikerade en låg variation i antalet och signalintensiteten av miRNA detekterade bland proverna. Under de sex MA vätskor, MIR-21 visade den högsta signalstyrkan. Vi identifierade fem miRNAs (MIR-1225-5p, MIR-320C, MIR-1202, MIR-1207-5p, och MIR-4270) med högt uttryck i MA prover PLF av serosa-invasiv GC, och CM av en mycket metastatiska GC cellinje; dessa kandidat miRNA arter verkar vara relaterade till peritoneal spridning. Differentiellt uttryck av MIR-21, MIR-320c, och MIR-1225-5p validerades i PLF av serosa-invasiv och icke-invasiv GC av QRT-PCR och MIR-21 och MIR-1225-5p bekräftades vara förknippade med serosala invasion i GC. PLF kan användas för att profilera uttrycket av exosomal miRNA. Våra resultat tyder på att MIR-21 och MIR-1225-5p kan tjäna som biomarkörer för peritoneal återfall efter botande GC resektion, vilket ger en ny metod för att tidig diagnos av peritoneal spridning av GC

Citation. Tokuhisa M, Ichikawa Y, Kosaka N, Ochiya T, Yashiro M, Hirakawa K, et al. (2015) Exosomal miRNA från bukhinna sköljvätska som potentiella Prognostiska Biomarkers av Peritoneal metastaser i magcancer. PLoS ONE 10 (7): e0130472. doi: 10.1371 /journal.pone.0130472

Redaktör: Soheil S. Dadras, University of Connecticut Health Center, USA

emottagen: 1 februari 2015; Accepteras: 20 maj 2015; Publicerad: 24 juli 2015

Copyright: © 2015 Tokuhisa et al. Detta är en öppen tillgång artikel distribueras enligt villkoren i Creative Commons Attribution License, som tillåter obegränsad användning, distribution och reproduktion i alla medier, förutsatt den ursprungliga författaren och källan kredit

datatillgänglighet: Alla relevanta uppgifter är inom pappers-

finansiering:.. författarna har inget stöd eller finansiering för att rapportera

konkurrerande intressen. författarna har förklarat att inga konkurrerande intressen finns

Introduktion

MicroRNAs (miRNA) är små (19-23 nukleotider) icke-kodande RNA som fungerar som post-transkriptionella regulatorer av genexpression och spelar viktiga roller vid reglering av många biologiska processer, inbegripet celldifferentiering, proliferation och apoptos [1]. MiRNA har visat sig ha onkogen eller tumörhämmande aktivitet, och avreglerad expression av många miRNA arter har upptäckts i flera cancerformer, vilket tyder på potentiell tillämpning av miRNA som biomarkörer för cancerutveckling och metastaser [2-5].

miRNA är förpackade i sekretoriska mikrovesiklar (t.ex. exosomes, apoptotiska kroppar och sprider mikrovesiklar), som skyddar miRNAs från nedbrytning av RNAs och tjänar som bärare för miRNA utsöndring i extracellulära utrymmet och kroppsvätskor. Exosomes är små membran blåsor som har varit inblandade i cellulära immunsvar; Men nyligen har det blivit uppenbart att exosomes innehåller avsevärda mängder av RNA och kan vara inblandade i immun oberoende regleringsmekanismer. Det har nu konstaterats att exosomes kan utföra inter överföring av miRNA, vilket deltar i miRNA-baserade signaleringsmekanismer [6]. Högre nivåer av miRNA innehåller exosomes har också påvisats i plasma hos cancerpatienter än i den för friska individer [7], vilket tyder på att Exosome baserade miRNA sekre är involverad i utvecklingen av cancer. Analys av avvikande miRNA uttryck i serum saliv, avföring och urin har använts för tidig upptäckt av B-cellslymfom, och muntliga, intestinala och blåscancer [8-11].

Magcancer (GC) är den näst vanligaste orsaken till cancerrelaterad död i världen [12]. Peritoneum är den vanligaste platsen för metastas och recidiv av GC, och malign ascites (MA), som orsakas av peritoneal spridning av cancerceller, har associerats med dålig prognos. För närvarande finns det inga tillförlitliga prediktorer för utveckling av maligna peritoneal ascites i GC patienter. MiRNA innehållande exosomer representera en ny mekanism för intercellulär signalering och kan ge insikter i miljön som tillåter spridning av cancer i peritoneum [13].

I denna studie var exosomer isolerade från MA och intraoperativ peritoneal lavage (PLF) prover erhållna från GC patienter och odlingsmediet (CM) av mycket invasiva peritoneala cellinjer, och miRNA extraherades sedan från dessa prover. kontrollerades kvaliteten på de extraherade exosomal miRNAs och konsistensen av miRNA uttryck mönster. Mirna uttryck profiler i MA, PLF, och CM prover jämfördes och kandidat miRNA i samband med peritoneal spridning av GC identifierades.

Material och metoder

Patienter

Alla patienter eller deras vårdnadshavare förutsatt skriftligt informerat samtycke. Studien godkändes av den etiska kommittén i Yokohama City University Hospital (godkännande nr A110127001).

MA och intraoperativa PLF prover samlades in från GC patienter med kliniskt patologiska egenskaper som presenteras i Tabell 1. Alla patienter hade tidigare varit diagnosen GC genom histopatologisk analys av biopsiprover som tagits från de primära skador, och sex MA patienter hade fått diagnosen för förekomst av ascites genom buken datortomografi (CT) scan. Ascites analyserades också genom cytologi och alla bekräftades som positivt för malignitet av patologer, de återstående MA prover användes för miRNA isolering. PLF var intraoperativt samlats in från 24 GC patienter (Tabell 1). Efter laparotomi, tillsattes 100 ml av normal koksaltlösning hälldes in i påsen av Douglas och peritoneal tvättning vatten uppsamlades före kirurgisk resektion av tumören. PLF analyserades genom cytologi och användes för miRNA isolering. Bland de 24 PLF proverna var sex analyserades med hjälp av miRNA microarray och 18 analyserades med qPCR.

Cellodling

OCUM-2M cellinje etablerades från en primär tumör i scirrhous magsäckscancer och den OCUM-2MD3 cellinje härledd från OCUM-2M celler med en hög potential för peritoneal spridning i nakna möss [14]. Cellerna odlades i Dulbeccos modifierade Eagles medium (DMEM; Life Technologies, Grand Island, NY) kompletterat med 10% värmeinaktiverat fetalt bovint serum (FBS) och antibiotika-antimykotika vid 37 ° C i en 5% CO _{2 inkubator. För att erhålla cell CM ades OCUM-2M och OCUM-2MD3 tvättas cellerna tre gånger med serumfritt DMEM kompletterat med antibiotika-antimykotika och inkuberades i samma medium under 48 h.}

Isolering av exosomer

Prover för Exosome isolering framställdes såsom beskrivits tidigare [15]. För att ta bort stora cellpartiklar och cellrester, MA, PLF, och CM centrifugerades vid 2000 x g
under 15 minuter vid 4 ° C och filtrerades genom ett 0,22-pm filter (Millipore, Billerica, MA). Supernatanten lagrades vid -80 ° C tills de behövdes för miRNA extraktion.

För att fälla exosomes prover centrifugerades vid 110.000 x g Idéer för 70 minuter vid 4 ° C. Exosome Pelleten tvättades med 11 ml fosfatbuffrad saltlösning (PBS) och centrifugerades åter såsom beskrivits. Pelleten användes för RNA-extraktion.

Total RNA-extraktion och analys

Totalt RNA extraherades från exosomes med användning av en miRNeasy mini kit (Qiagen, Hilden, Tyskland) enligt tillverkarens instruktioner och var lagrades sedan vid -80 ° C tills de behövs ytterligare analys.

kvalitet, koncentration, och storleken på den totala exosomal RNA bedömdes med hjälp av en Agilent Bioanalyzer 2100 (Agilent Technologies, Foster City, CA). Före analysen ställdes totalt RNA med hjälp av en Agilent RNA 6000 Pico kit (Agilent Technologies) enligt tillverkarens protokoll.

Mirna microarray

miRNA extraherade från sex MA, sex PLF, och två CM prover analyserades med hjälp av Agilent Human miRNA Microarrays (Agilent Technologies), som innehåller 1.226 mänskliga miRNA och 146 humana virala miRNA. För miRNA detektion var 100 ng RNA märkt och hybridiserades med användning av Human miRNA Microarray kit (Rel 16,0; Agilent Technologies) enligt tillverkarens protokoll (miRNA Komplett Labeling och Hyb kit för miRNA Microarray System). Hybridiseringssignaler detekterades med en DNA microarray skanner G2505C (Agilent Technologies) och de skannade bilderna analyserades med hjälp av Agilent Feature Extraction Software (v. 10.7.3.1). Dataanalys utfördes med hjälp av Agilent GeneSpring GX programvara v. 11.0.2. (Log _{2 transformation). Baseline transformation utfördes inte.}

Kvaliteten på miRNA extraktion analyserades i enlighet med variationen i antalet microarray-upptäckt miRNA arter, signalintensitet, och korrelationen mellan miRNA uttryck bland prover enligt medelvärde ± SD, variationskoefficienten (CV), och korrelationskoefficient (CC).

Val av peritoneala metastaser specifika miRNA

Uttrycket profiler exosomal miRNA analyserades för att välja miRNAs som är specifika för GC peritonealdialys spridning med hjälp av följande stegvis tillvägagångssätt. Steg 1: miRNA profiler i CM av de mycket metastatiska peritoneala OCUM-2MD3 celler jämfördes med de hos de parentala icke-metastatisk OCUM-2M-celler, och differentiellt uttryckta miRNA (medelvärde faldsförändring, > 2) valdes ut <. br>

Steg 2: sex PLF prover klassificeras i två grupper: T4 (n = 4) och T1-T3 (n = 2), i enlighet med cancer stadium av tumörstorlek och förlängning (UICC-AJCC, 7 ^{e upplagan). Stage T4 GC kännetecknas av den högsta frekvensen av peritoneala metastaser jämfört med andra stadier [16]. Mirna uttryck profiler T4 grupp jämfördes med de hos T1-T3 grupp och differentiellt uttryckta miRNA (medelvärde fold-change, > 2) valdes}

Steg 3:. Valda miRNAs som var gemensam för båda stegen och det uttrycktes i MA var vidare filtrerad enligt signalstyrka. De med intensitetsvärden på mer än log _{2 10 i MA och PLF valdes som kandidat miRNA i samband med peritoneala metastaser; MIR-21 visade den högsta genomsnittliga signalintensiteten bland MA prover. Det differentiella uttrycket av miRNA arter som valts i steg 3 validerades i de återstående 18 PLF prover av QRT-PCR.}

Kvantitativ analys av peritoneal metastas specifika miRNA uttryck av QRT-PCR

TaqMan mikroRNA analyser (Life Technologies) användes för att kvantifiera de relativa uttrycket nivåer av mIR-21 (analys ID. 000.397), mIR-320C (analys ID. 241053_mat), mIR-1225-5p (analys ID. 002.764), och mIR-16 (analys ID. 000391). Omvänd transkription utfördes med användning av TaqMan miRNA RT Kit (Life Technologies) under följande betingelser: 30 minuter vid 16 ° C, 30 min vid 42 ° C och 5 min vid 85 ° C. PCR utfördes i 96-brunnars plattor med användning av 7500 Real Time PCR System (Life Technologies); Alla reaktioner utfördes i tre exemplar. De uttrycksnivåer av mål-miRNA normaliserades till den hos MIR-16, som användes som en stabilt uttryckte kontroll [17]. Vid analys av våra microarray data från exosomal miRNA i maligna ascites prover, MIR-16 presenterade lägsta variationskoefficienten (CV = 4%) bland kandidat interna standarder, inklusive miR-638 (CV = 8%), låt-7a (CV = 8%), och 142-3p (CV = 23%).

Statistisk analys

Kontinuerliga variabler jämfördes med användning av Students t
-test. Vid behov, t
-test ändrades för att jämföra ojämlika variationer. Skillnaden mellan kategoriska variabler utvärderades med användning av Fishers exakta test. Korrelationen mellan två variabler utvärderades med användning av Pearson korrelationskoefficient. Skillnader ansågs statistiskt signifikant vid P < 0,05. Statistiska analyser utfördes med användning av SPSS 21,0 programvara för Windows (IBM, Armonk, NY).

Resultat

Kvantitativ analys av extraherat exosomal RNA

Totalt RNA extraherades från exosomes isolerade från MA, intraoperativ PLF, och cell CM. Median koncentration av det extraherade exosomal RNA var 4,4 ng /l (som sträcker sig från 1,2 till 6,1 ng /mikroliter) för MA och 6,4 ng /mikroliter (1,7-16,4 ng /mikroliter) för PLF. Elektroferogram avslöjade en stor andel små RNA-arter som förekommer i alla CM och kliniska prover, medan ingen eller mycket liten förorening med 18S och 28S ribosomalt RNA (inga tydliga toppar vid motsvarande molekylvikt) observerades (Fig 1).

Utförande av miRNA microarrays

för att testa uttrycket av exosomal miRNA mikroarrayer i varje grupp av prover, undersökte vi antalet upptäckta miRNA, percentilen av signalstyrka, antalet allmänt fångade miRNA, och korrelationen mellan miRNA uttryck bland grupperna. Numren på miRNA arter som detekteras i varje grupp genom microarray visas i fig 2. I sex MA och sex PLF prover innebär dessa siffror var 490,1 (SD = 42,3; CV = 8,6%) och 367,5 (SD = 13,4; CV = 3,6%), respektive. I varje grupp, variabiliteten i antalet upptäckta miRNA bland prover var låg

Signalintensitetsfördelningen för varje grupp presenteras i Fig. 3; Detta visar de behandlade signalerna normaliseras mot 25, 50, 75, och 90 ^{e percentilen i varje grupp. I 50 e percentilen, log _{2 relativa signalnivåerna för MA (figurerna 3-1) och PLF (fig 3 och 2) prover och bland tre grupper (MA, PLF, och CM, fig 3 och 4) var 5,53 ± 0,19 (CV = 3,49%), 6,14 ± 0,24 (CV = 3,87%), och 4,97 ± SD (CV = 5,24%), respektive. Variationen i signalstyrka bland proverna i varje grupp samt mellan grupperna var låg.}}

Antalet miRNA vanliga bland proverna i MA, PLF, och CM grupperna var 327, 263 och 354 , respektive, medan detta var 194 för de tre grupperna (fig 4).

Tabell 2 visar korrelationen av miRNA expression mellan varje två prover. De högsta och lägsta CC värdena var 0,94 och 0,68, respektive; den genomsnittliga CC av alla prover var 0,79 (CV = 8,86%). I MA, PLF, och CM-grupper, den genomsnittliga CC värdena var 0,85, 0,88 och 0,90, respektive, och variationen i uttrycket profiler för varje grupp låg.

Val av kandidat miRNA i samband med peritoneal spridning

Hittills har inga uppgifter varit tillgängliga på uttrycket profiler exosomal miRNA i samband med peritoneal spridning, på grund av bristande normala askitiska vätskor mot att jämföra de MA uttryck profiler. Vi valde miRNA i samband med peritoneal spridning med hjälp av en stegvis metod. Antalet miRNAs vanligen fångas i sex MA proverna var 327. I steg 1 och 2, 140 och 118 metastas specifika miRNA valdes i CM och PLF grupper, respektive. Från dessa 327, 140 och 118 miRNA, var fem miRNA väljs som kandidater i samband med peritoneal spridning (Fig 5). Två av dem (MIR-1225-5p och miR-320c) och miR-21 med den högsta signalintensiteten bland de MA specifika miRNA ades validerats såsom varande differentiellt uttryckta i 18 PLF-prover, med hjälp av qPCR (tabell 3).

Validering av kandidat miRNA expression genom qPCR

Arton PLF prover delades upp i två grupper beroende på den metastatiska stadiet, T4 (perforerad serosa, n = 9) och T1-T3 (subserosa eller mindre, n = 9), och uttrycket av mIR-21, mIR-320c, och mIR-1225-5p analyserades genom QRT-PCR. Fig 5 visar att nivåerna av miR-21 och MIR-1225-5p i GC patienter T4-stegs ökade signifikant jämfört med dem i T1-T3 patienter (MIR-21, P = 0,027, och MIR-1225-5p, P = 0,008; figur 5). Skillnaden i MIR-320C uttryck mellan två patientgrupper var icke-signifikant (P = 0,928, figur 6).

Därefter korrelationen mellan miRNA nivåer och klinisk bakgrund av GC patienter undersöktes (tabell 4). MIR-21 och MIR-1225-5p uttryck var signifikant högre hos patienter med T4-stadium cancer än i T1-T3-stegs patienter (P = 0,015). Ingen signifikant korrelation mellan miRNA uttryck och andra kliniska parametrar.

Diskussion

I denna studie undersökte vi, för första gången, miRNA innehållet i exosomes isolerade från MA och PLF av GC patienter. Vår studie visar att exosomal miRNA kan konsekvent extraheras från MA och PLF och att miRNA uttryck profiler kan ange status på bukhinnan i GC patienter.

Prognosen för GC med serosala invasion förblir dålig även efter R0 resektion, eftersom av den höga graden av återfall, särskilt peritoneala metastaser (PM) [18]. PM i GC är den mest komplicerade typen av återfall, eftersom det är svårt att förutsäga och för att diagnostisera. Även ascites är det vanligaste PM symptom, många GC patienter med PM inte utveckla ascites. Bland bildbaserade diagnostiska metoder, är höghastighets spiral CT används i stor utsträckning för bedömningen av preoperativ iscensättning av GC och post-terapeutisk uppföljning; emellertid i fallet av PM dess diagnostiska noggrannheten är otillräcklig, mestadels på grund av låg känslighet [19]. Med användning av PET-CT för PM diagnos i GC är också kontroversiellt, eftersom det har rapporterats att FDG-PET har dålig känslighet för detektion av PM i GC [20]. PLF har blivit nästa mål för diagnos och prognos av PM i GC. Cytologisk undersökning av intraoperativt samlas PLF används för att förutse peritoneal återfall [21] och används för GC iscensättning i Japan [22]. Emellertid har vissa forskare rapporterat att PLF cytology inte uppvisar den känslighet som krävs för att förutse och detektion av PM [21], och har föreslagit användningen av molekylära diagnostiska metoder, såsom RT-PCR, för detektering av mikrometastaser i PLF. I en multi prospektiv studie, mRNA-expression av de gener som kodar karcinoembryonalt antigen (CEA) och cytokeratin 20 (CK-20), utvärderas av RT-PCR, har visat sig vara användbar för att förutsäga överlevnad och PM i GC [23] . Emellertid är nackdelen med mRNA-baserade diagnostiska metoder den höga nedbrytbarhet av mRNA under loppet av kirurgiska ingrepp.

I motsats miRNA inneslutna i exosomer förblir stabila och kan cirkulera i kroppsvätskor, såsom serum, plasma , saliv, urin, bröstmjölk, och tårar, under långa tidsperioder [24, 25]; exosomer har också isolerats från MA i äggstockscancer [26].

Så vitt vi vet har det inte funnits någon rapport om exosomal miRNA isolerade från PLF av GC patienter. Levänen et al. samlas exosomes från bronkoalveolär sköljvätska och analyseras exosomal miRNA uttryck för att detektera allergi-relaterade miRNA arter [27]. Liu et al. rapporterade att exosomes isolerade från cervicovaginal sköljvätska innehöll höga nivåer av MIR-21, som kan användas som en biomarkör för livmoderhalscancer [28]. Här, analyserade vi uttrycksprofiler av exosomal miRNA i PLF av GC patienter genom miRNA microarray-teknik för att identifiera kandidat diagnostiska miRNA biomarkörer för förutsägelse av metastaser i GC.

I vår undersökning, den första utmaningen låg i den kvantitativa isoleringen av exosomal miRNA från PLF. Weber et al. utvärderas miRNA uttryck i 12 kroppsvätskor och rapporterade att den totala RNA-koncentrationen i peritonealvätska var 775 mikrogram /L [25], vilket var mindre än den som vi fått från MA och PLF-4400 och 6400 ug /L, respektive Anledningen till skillnaden kan vara den metod som användes för isolering av totalt RNA, eftersom Weber et al. direkt extraherade RNA från peritonealvätska, medan vi först isolerade exosomes och sedan använt dessa för RNA-extraktion. Analys av kvaliteten på RNA som isolerats från PLF visade ett överflöd av små (< 200 nt) RNA arter i CM och MA. Det fanns inga tydliga 18S och 28S ribosomala RNA toppar i beredningen, vilket indikerar frånvaron av kontamination med intracellulär RNA.

Det andra problemet påträffas i den aktuella studien involverade konsekvens av kvaliteten på de exosomal miRNA isolerade. I vår studie observerade vi låg variabilitet i antalet upptäckta miRNA arter och miRNA signalintensitet, och en hög korrelation av miRNA uttryck bland proverna i varje grupp. De genomsnittliga antalet detekterbara miRNA i MA och PLF var 490 och 367, som var i överensstämmelse med antalet miRNA (397) tidigare upptäckts i peritonealvätska [25].

PLF och MA prover visade låg variabilitet i signalstyrka (CV = 3,87% för 50 ^{e percentilen). Dessutom var miRNA uttrycksmönster starkt korrelerade mellan prov inom varje grupp (CC > 0.850), liksom mellan grupperna (0,8 > CC > 0,7). Dessa resultat indikerade att PLF kan vara en hög avkastning källa av god kvalitet miRNA, som visar konsekvent uttrycksmönster i microarray analysen.}

Mirna uttryck profiler analyserades för att välja miRNAs specifika för peritoneal metastas. MIR-21 visade högre uttryck hos patienter med T4-scenen cancer än i de T1-T3 grupp. Fabbri et al. rapporterade att MIR-21 och MIR-29a i cancer släppt exosomer påverkade tumörtillväxt och sprids genom att binda till och aktivera TLR i de omgivande immunceller och framkalla en prometastatic inflammatoriskt svar [29]; Detta stödde uppfattningen att tumörhärrörande exosomes bidrar till premetastatic mikro [30, 31]. Detta kan tyda på att T4 carcinoma-härledda exosomes skapar premetastatic nisch i bukhinnan, som sedan stöder peritoneal invasion efter botande resektion av GC.

Med hjälp av en stegvis metod, valde vi fem exosomal miRNAs (MIR-320c mir-1202, mIR-1225-5p, mIR-1207-5p, och mIR-7270) och validerade miR-320 och miR1225-5p uttryck i PLF 18 CG patienter med QRT-PCR. Mir-1225-5p visade högre uttryck i T4 än i T1-T3 skede CG patienter, vilket bekräftar de resultat som uppnåtts genom microarray, medan det inte fanns någon skillnad i MIR-320 nivåer mellan patientgrupper. Mir-1225 mål polycystiskt genen njursjukdom, PKD 1
, som ofta är muterade i autosomalt dominant polycystisk njursjukdom; således kan miR1225 påverka utvecklingen av denna sjukdom [31]. Dock kvarstår förhållandet mellan MIR-1225 och cancer oklart. MIR-21 och MIR-1225-5p kan förbereda en premetastatic nisch i bukhinnan för spridning och avveckling av metastaserande cancerceller och därmed kan tyda på anlag för peritoneal återfall efter botande GC resektion.

PLF ger upplysningar om status för bukhinnan, såsom förändringar i populationen av immunceller och utsöndring av tillväxtfaktorer och cytokiner [32, 33]. Cytologi och molekylärdiagnostiska analyser är baserade på detektion av cancerceller, medan profilering av miRNA i PLF kan användas för att förutsäga en peritoneal premetastatic fenotyp i GC, se mer effektiva förebyggande och botande åtgärder.

• PLOS ONE: Zic1 Promoter Hypermetylering i plasma-DNA är en potentiell biomarkör för Gastric Cancer och intraepitelial neoplasi
• PLOS ONE: MicroRNA-206: effektiv hämning av Gastric Cancer Progression genom c-Met Pathway