MICROARRAYS

GENOMA:CONJUNTO DE TODOS LOS GENES DE UN ORGANISMO

GEN:UNIDAD DE ALMACENAMIENTO DE INFORMACIÓN GENÉTICA

CUALQUIER ELEMENTO DEL CROMOSOMA MEDIANTE EL CUAL SE TRANSMITEN LOS CARACTERES DE UN ORGANISMO

SECUENCIA DE ADN (O ARN), ESENCIAL PARA UNA DETERMINADA FUNCIÓN FISIÓLÓGICA

PROTEÍNA:SECUENCIAS DE AMINOÁCIDOS QUE ACTUAN COMO ENZIMAS, ELEMENTOS ESTRUCTURALES, HORMONAS, ETC.

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DEL GENOMA•ESTÁTICO, ÚNICO

AL PROTEOMA•DINÁMICO, MÚLTIPLE

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VARIOS NIVELES:

•TRANSCRIPCIÓN

•MADURACIÓN

•TRANSPORTE AL CITOPLASMA

•DEGRADACIÓN

•TRADUCCIÓN

•POST-TRADUCCIÓN

LOS GENES NO ACTÚAN DE FORMA AISLADA, EXISTEN REDES DE INTERACCIÓN

•FÍSICA (DIRECTA O INDIRECTA)

•FUNCIONAL

CIERTA CO-REGULACIÓN ES NECESARIA

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La disponibilidad y el buen uso de estas tecnologías es cada vez más necesaria en el medio asistencial

Avance en las técnicas moleculares y desarrollo de la bioinformática.

Requiriéndose personal de laboratorio especializado en estas metodologías

Importantes consecuencias:DiagnósticoPronósticoSeguimientoTratamiento

Las disciplinas denominadas “omicas” :genómica, proteómica, transcriptómica…

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La técnica de los microarrays surge a mediados de los años 90 como método para estudiar la expresión de miles de genes de manera simultánea, en diferentes condiciones fisiológicas.

Posteriormente, se ha ido modificando para el abordaje de otros estudios como el cribado masivo de mutaciones en un genoma.

Los estudios con microarrays han permitido un avance en el conocimiento de la biología de muchas patologías:

•Clasificar genómicamente diversas entidades clínicas como el cáncer de mama y varias neoplasias hematológicas.

Además, su inclusión en la práctica clínica ha supuesto una mejora muy importante en el diagnóstico citogenético y molecular.

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PREGUNTA

Diseño experimental

Hibridación de las muestras

Análisis de imagen

Preprocesamiento de datos

Análisis estadístico

Extracción de genes relevantes

RESPUESTA

MICROARRAYS ¿QUÉ ES UN MICROARRAY? Los microarrays o micromatrices son:

•Un formato experimental

•Basado en la síntesis o fijación de sondas, que representan los genes (o proteinas, o metabolitos)

•Sobre soportes sólidos (cristal, plástico, silice,...), en los que se disponen, de manera ordenada, las sondas específicas de ADN

•Expuestos a las moléculas diana (la muestra).

•Basada en la propiedad física de los ácidos nucleicos para hibridar con secuencias complementarias, a temperaturas y pH adecuados.

MICROARRAYS ¿QUÉ ES UN MICROARRAY?

Pasos:1.-La muestra biológica se marca con un trazador fluorescente.

2.-Hibridación entre la muestra y las sondas del microarray.

3.-Tras una serie de lavados, las sondas hibridadas emiten luz fluorescente.

4.-El microarray se escanea y se visualiza una imagen.

5.-Se cuantifica la señal de las imágenes mediante software especializado.

6.-Se realiza un tratamiento informático de los datos, para:•Minimizar las variaciones inherentes a la técnica•Optimizar la extracción fiable de los datos •Correlacionar dichos datos con el proceso biológico.

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Microarrays:Condiciones de trabajo controladas, que minimicen la variabilidad de la técnica

Estudiar simultáneamente, varios miles de genes

Análisis robusto y cuidadoso que garantice la fiabilidad y reproductibilidad de los resultados

Aplicaciones más frecuentes son: Estudio de expresión de genes en diferentes tejidos

Identificación de SNP que se asocian a una condición (ej: sanos/enfermos)

Clasificación molecular de enfermedades

Predicción de respuesta al tratamiento

Detección de mutaciones

Polimorfismos y alteración en el número de copias características de una determinada condición o población.

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– Arrays de 2 colores Diseño y producción del chipPreparación de la muestraHibridaciónEscaneado del chipAnálisis de la imagen

TIPOS DE MICROARRAYS

Existen varios tipos de microarrays, específicos para el tipo de estudio:

Microarrays de expresión•Fabricados con sondas de cDNA o de oligonucleótidos de zonas codificantes, están diseñados para el estudio de la expresión del RNA.

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Portaobjeto y cabezal de impresión

MICROARRAYS– Microarrays de oligos sintetizados in situ• Diseño más avanzado que los de 2 colores

• Utilizan tecnologías desarrolladas en el entorno de la microelectrónica

• Algunos rasgos distintivos– No se basan en hibridación competitiva: cada chip contiene

muestras de un solo tipo (”1 color”)

– Las sondas se sintetizan directamente sobre el chip en vez de sintetizarlas in vitro y adherirlas después

– Cada gen esta representado por un grupo de sondas cortas

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Los GeneChips de Affymetrix• Affymetrix (www.affymetrix.com) es la compañía lider en este tipo de chips

• Se denominan genericamente GeneChips

• Cada gen esta representado por un conjunto de secuencias cortas que lo caracterizan

• Algunos chips contienen genomas completos con más de 50.000 grupos de sondas (Probesets)

Un grupo de sondas se utiliza para medir niveles de mRNA de un único gen• Cada grupo (probeset) consta de múltiples pares de celdas (probe cells)– Con millones de copias de un oligo de 25bp– Organizadas en parejas (probe pairs) con un Perfect Match (PM) y un Mismatch (MM)• PM: coincide exactamente con una parte del gen• MM: idéntico al PM excepto en el nucleótido central reemplazado por su complementario

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Distintos “Pares de Sondas” representan partes distintasdel mismo gen (1 gen=1 grupo de sondas)

MICROARRAYSResultado de la sintesis de oligos en el chip

Cada celdacontienemúltiples copiasde la mismasecuencia

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Un segmento de un spot de un microarreglo - las hebras son las moléculas de ADN depositadas - figura tomada de (Duggan et al., Nature Genetics 21: 10-14, 1999)

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•Tras la síntesisde los “oligos” serealiza lahibridación,depositando elmRNA marcadodel tejido aestudiar sobrecada chip

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Visión general del proceso (Affy)

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http://www.kbrin.louisville.edu/archives/fellows/dobbins.html

gslc.genetics.utah.edu

MICROARRAYSCOMPARACIÓN ENTRE LOS 2 TIPOS DE CHIPS

VENTAJAS• Fabricación Rápida y más robotizada• Elevada Reproducibilidad• Elevada especificidad • Utiliza muchas sondas/gen

DESVENTAJAS• Requiere equipamiento más especializado• Caros• Poca flexibilidad

VENTAJAS• Económicos• Flexibilidad en el diseñoexperimental• Elevada intensidad de señal (secuencias largas)

DESVENTAJAS• Baja Reproducibilidad• Hibridación cruzada (bajaespecificidad)• Elevada manipulación manual(Posibilidad de contaminación)

Microarrays de cdna Microarrays de Oligonucleótidos

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TIPOS DE MICROARRAYS

Los SNP-arrays

•Diseñados para detectar cambios en la secuencia del DNA.

•Permiten estudiar de forma rápida y simultánea múltiples cambios conocidos, en distintos genes, asociados a distintas patologías, respuesta a tratamiento o susceptibilidad a enfermedades.

•En investigación se emplean para escanear todo el genoma para identificar variaciones genotípicas entre distintos individuos o poblaciones que se asocien a una condición determinada.

MICROARRAYSTIPOS DE MICROARRAYS

Los arrays- CGH (Comparative Genome Hibridization arrays):•Determinan alteraciones en el número de copias de regiones de ADN y se emplean frecuentemente en el diagnóstico de patologías asociadas a ganancias o pérdidas de material genético.

Microarrays para el estudio de miRNAS (micro ARN (miARN o miRNA)).

Microarrays de metilación•Estudio masivo de la metilación, en las regiones promotoras de los genes

Microarrays de proteínas•Las sondas son sustituidas por Ac. fijados a portaobjetos de vidrio.

•Una variante de esta técnica es la vertiente aplicada al diagnóstico de la alergia, donde las proteínas alergénicas están ancladas a la superficie del microarray para detectar anticuerpos específicos.

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MICROARRAYSBASES DE LA TECNOLOGÍA DE DNA MICROARRAYS

MACROARRAYS

MICROARRAYS

GENECHIP (AFFYMETRIX)

TIPOS DE DNA MICROARRAYS

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Esta técnica de microarrays que surgió en el campo de la investigación

Han surgido numerosas compañías, que han desarrollo de microarrays “a medida”, orientados a patologías o agrupaciones de las mismas:

Su inclusión en la práctica clínica mejora el estudio de enfermedades:•Diagnóstico molecular•Pronóstico, •Tratamiento •Seguimiento

Gran potencial en el campo sanitario

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APLICABILIDAD CLÍNICA DE LOS MICROARRAYS

La implementación de los microarrays se caracteriza:

Utilización actual en la práctica clínica relativamente escasa.

Transformación de la citogenética y la genética molecular.

Su capacidad de diagnóstico supera los protocolos de diagnóstico genético empleados hasta el momento para determinadas patologías.

Existen muchos tipos de microarrays, sus aplicaciones al diagnóstico, son muy variadas, algunos de los campos en los que se están aplicando son los siguientes:

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Retraso mental y síndromes asociados al mismo

Los arrays-CGH constituyen una metodología más sensible que el cariotipo convencional, para la detección de duplicaciones o deleciones cromosómicas,

El desarrollo de esta tecnología ha favorecido un incremento en la detección de reordenamientos crípticos y pequeñas delecciones o amplificaciones no detectables por citogenética convencional.

Actualmente, existen en el mercado microarrays diseñados específicamente para la detección de alteraciones cromosómicas asociadas con retraso mental o malformaciones congénitas.

Microarrays diseñados específicamente para el diagnóstico prenatal de síndromes asociados con ganancias o pérdidas de material genético.

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Retraso mental y síndromes asociados al mismo Ventajas de esta técnica, frente al cariotipo convencional:

•El estudio se puede hacer sin necesidad de realizar un cultivo celular.

•Permite analizar simultáneamente la mayoría de las causas genéticas conocidas para estas patologías.

Desventajas:•No detecta reorganizaciones equilibradas ni mosaicismos de bajo porcentaje.

En los últimos protocolos para el estudio de estos pacientes se contempla como una herramienta diagnóstica fundamental, que probablemente, en un futuro precederá al cariotipo tradicional (o el de alta resolución) o al MLPA

MICROARRAYSEnfermedades oftalmológicas y otorrinolaringología

Oftalmología:

Existen SNP-arrays para el diagnóstico de patologías monogénicas poco frecuentes.

•Retinosis pigmentaria recesivas, dominantes, ligadas al cromosoma X •Distrofias maculares recesivas, dominantes, ligadas al cromosoma X •Distrofias corneales•Atrofias ópticas •Degeneración macular asociada a la edad, entre otros.

Otorrinolaringología:

Existen SNP-arrays •Estudio de los genes más frecuentemente responsables de hipoacusias familiares (genes nucleares y mitocondriales.)

MICROARRAYSEnfermedades hematológicas

Ha permitido clasificar molecularmente muchas neoplasias hematológicas, de manera que se han podido distinguir entidades clínicas nuevas.

Los arrays-CGH en este campo:•Detección de mutaciones somáticas (pérdidas y ganancias) características de algunas entidades oncohematológicas

Los SNP-arrays:•Permiten la identificación de disomías uniparentales •Permiten identificar nuevas alteraciones.

ClasificaciónDiagnóstico concreto rápido Pronóstico Respuesta a tratamiento

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Enfermedades infecciosas

Identificación de patógenos en poco tiempo de diferentes muestras :•Microarrays para determinación de patógenos respiratorios •Microarrays para patógenos urinarios en orina, •Microarrays para septicemias en sangre, •Microarrays para identificación de HPV en secreciones genitales, etc.

Identificación de resistencias al tratamiento antimicrobiano, permitiendo instaurar de forma rápida un tratamiento específico.

Evaluar los cambios en la expresión génica del hospedador: lo que implica una gran cantidad de información con potencial para:

• el diagnóstico,• el tratamiento • el pronóstico de los pacientes.

MICROARRAYSOtras enfermedades

En el diagnóstico de:Fibrosis quísticaFactores de riesgo tromboembólicoHiperlipidemiasFactores de riesgo para el desarrollo de múltiples patologías:

•Diabetes,•Alzheimer, •Enfermedades autoinmunes, etc

En resumen, los microarrays presentan un alto potencial en su aplicación clínica:Permiten estudiar de forma sencilla y rápida las enfermedades genéticas, permitiendo un barrido rápido de los cambios conocidos.

Pueden ser diseñados a medida para la patología de interés, cubriendo muchos genes o exones concretos, cambios puntuales, variciones en número de copia, variaciones en mRNAs… etc.

MICROARRAYSFIRMAS GENÓMICAS

Se han desarrollado una serie de firmas genómicas:Predecir el pronóstico o curso de una enfermedad (firmas pronósticas)La respuesta a un determinado tratamiento (firmas predictivas). Identificar y clasificar distintas entidades clínicas (firmas diagnósticas).

Patología mamariaMammaPrint® (Agendia)

Aprobada por la FDA (Food and Drug Administration) en febrero del 200770 genes, capaz de pronosticar el curso de la enfermedad con mayor eficacia que los parámetros habitualmente utilizados (metástasis en ganglios, grado histológico).Uso:

•Autorizado para Tumores invasivos menores de 5 cm, en estadios iníciales, con ganglios linfáticos axilares negativos.

Limitaciones:•Sólo informa del pronóstico del tumor, y no acerca de la naturaleza del mismo por lo que no ayuda a orientar el diagnóstico ni la terapia.

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Patología mamariaOncotype Dx (Genomic Health).

21 genes, está diseñada para estimar si un paciente de cáncer de mama requiere o no ser tratado con quimioterapia

Recomendado su uso en la guias de la sociedad Americana de Oncología Clínica (ASCO) y la National Comprehensive Cancer Network.

Uso:•Aplicación en pacientes con:

•Tumores invasivos de mama.•Receptores hormonales positivos.•Mujeres premenopausicas con ganglios linfáticos axilares negativos.•Mujeres postmenopáusicas con ganglios linfáticos axilares positivos.

Limitaciones:•El principal inconveniente es que estratifica a los pacientes en tres grupos y no está claro cómo debe ser el manejo del grupo intermedio

MICROARRAYSFIRMAS GENÓMICAS

Patología mamariaPAM 50 (ARUP laboratorios)

49 genes, basada en la clasificación genómica del cáncer de mama publicada por Charles M Perou y colaboradores.

Se identifican los distintos subtipos genómicos, a saber; Luminal A, Luminal B, Her2 enriched y Basal-like.

Uso:Los distintos subtipos tienen características propias, orientando:•La naturaleza del tumor•Las opciones terapéuticas, •El pronóstico.

Limitaciones:•La principal limitación, es que la firma no identifica el subtipo claudin-low recientemente descrito.

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CONCLUSIONES

Desde los años 90 los microarrays han contribuido al conocimiento de las bases moleculares de muchas patologías.

La introducción de estas técnicas a la práctica clínica, ha representado un complemento importante para las técnicas convencionales, ya que constituyen una forma rápida, sencilla y cada vez más económica de diagnóstico.

Esto ha sido especialmente notorio en el ámbito de la citogenética donde los array-CGH han supuesto un cambio irreversible en cuanto a los métodos diagnósticos, si bien no han suplantado a la genética convencional.

En otros campos, como la microbiología, oftalmología, etc., los microarrays han demostrado tener un alto potencial en cuanto a su capacidad diagnóstica y aunque su aplicabilidad aún no está plenamente validada, su utilización es cada vez mayor