מערכת ניתוח זרימה פלואורסצנטית דו-ערוצית בעלת שלושה ערוצים שימשה לפיתוח מערכת חיסון מרובת חרוזים המבצעת בו זמנית דגימות סרום עבור IgG ו- IgM שהופקו כנגד אנטיגנים מרובים של מיני בורליה שונים הגורמים לבורליוזיס ליים באירופה ובצפון אמריקה.
כדי לעקוב אחר התקדמות מחלות זיהומיות, כדאי להעריך תגובתיות חיסונית כנגד גורמים אנטיגניים שונים, ולמדוד איזוטיפים שונים של נוגדנים מכיוון שהם מופיעים בשלבים שונים של התגובה החיסונית של המארח. עם ליים borreliosis, סוכן פתוגני יכול להיות אחד החברים המרובים של המין Borrelia . לכן, סיווג דגימה נכון דורש הערכת תגובתיות חיסונית כנגד אנטיגנים שונים של מיני בורליה שונים. בנוסף, תגובות נוגדות פתוגן IgG ו- IgM יכולות להיות בעלות מסלולי זמן אליציטוט שונים במהלך התקדמות המחלה. כאן אנו מדגימים את הפיתוח של בדיקה חיסונית מרובת שני כתבים שיש לה תועלת בזיהוי תגובה חיסונית ספציפית לבורליה בדגימות נסיוב אנושי על ידי הערכה בו זמנית של תגובתיות חיסונית מסוג IgG ו- IgM כנגד אנטיגנים חיידקיים שונים באותה תגובה היטב. גישה זו של דיווח כפול שומרת על הביצועים האנליטיים של שיטות דיווח יחיד תוך חיסכון בזמן ובמשאבים והפחתת דרישות גודל המדגם. בדיקה זו מאפשרת למעשה להכפיל את המידע הסרולוגי שנוצר מדגימת דם במחצית הזמן.
ליים בורליוזיס היא המחלה הזיהומית הנפוצה ביותר המועברת על ידי קרציות באקלים מתון של חצי הכדור הצפוני1. זה נגרם על ידי חיידקי spirochete של הסוג Borrelia, עם חמישה פתוגנים אנושיים ידועים המשתנים בתפוצה גיאוגרפית2. מיני הבורליה הפתוגניים העיקריים באירופה הם B. afzelii ו-B. garinii, כאשר B. burgdorferi s.s., B. spielmanii ו-B. bavariensis מעורבים בתדירות נמוכה יותר. בצפון אמריקה, B. burgdorferi s.s. הוא הגורם הסיבתי היחיד של ליים borreliosis 2,3. פתוגנים של Borrelia מועברים על ידי חברי סוג הקרציות Ixodes, כאשר ההעברה יכולה להתרחש תוך 24 שעות מעקיצת הקרצייה4.
אבחון ליים בורליוזיס נעשה בדרך כלל על ידי סימפטומים קליניים ולאחר מכן אושר על ידי סרולוגיה. הן באירופה והן בצפון אמריקה, הנחיות האבחון ממליצות על סדרת בדיקות דו-שלבית המורכבת מבדיקת אימונוסורבנט מקושרת אנזים (ELISA) עם אימונובלוט רפלקס להערכת תגובת נוגדנים כנגד אנטיגנים ספציפיים של Borrelia 1,5,6,7,8,9 . עם זאת, גישה זו חסרה רגישות והיא תת-אופטימלית, במיוחד בשלב המוקדם של ההדבקה כאשר המרת סרוקונפורמציה עשויה להיות חלקית וטיטרים נגד Borrelia IgG ו- IgM נמוכים מדי6.
בדיקות חיסוניות מולטיפלקס משפרות את הבדיקות החיסוניות המסורתיות המודדות רק מטרה אחת בכל פעם, ויכולות להעריך בו זמנית תגובות איזוטיפ נוגדנים מרובות כנגד אנטיגן אחד או יותר 10,11,12. בדיקות כגון ELISAs מוגבלות לזיהוי וכימות של אנליט יחיד לכל תגובה, במקרה הנוכחי או IgG במחזור או IgM המושרה כנגד אנטיגן חיידקי יחיד לאחר הדבקה בבורליה. דו”ח זה מדגים שימוש בטכנולוגיית פרופיל אנליטי מבוססת חרוזים לפיתוח בדיקה חיסונית מרובת משתתפים המזהה בו זמנית נוגדני IgG ו- IgM כנגד כל אחד מהאנטיגנים של Borrelia שנבחרו כאן בדגימות סרום אנושיות. בחרנו ארבעה אנטיגנים המכסים יחד את מיני הבורליה הפתוגניים הנפוצים ביותר שמקורם באירופה (B. garinii, B. afzelii, B. burgdorferi s.s.) וצפון אמריקה (B. burgdorferi s.s.) (טבלה 1) 2,3. זה מאפשר זיהוי פתוגן מכריע ואת היכולת להבחין IgM מוקדם מאוחר יותר, עמיד יותר, IgG immunoreactivity בדגימות החולים.
איזוטיפ יעד | ערוץ הכתבים | אנטיגן | מיני בורליה | זן | ריכוז צימוד אנטיגן |
IgM | PE | OspC | ב. גאריני | 20047 | 5.0 מיקרוגרם/106 חרוזים |
IgG | BV421 | VlsE | B. burgdorferi ס | B31 | 1.25 מיקרוגרם/106 חרוזים |
IgG | BV421 | DbpA | B. burgdorferi ס | ZS7 | 10.0 מיקרוגרם/106 חרוזים |
IgG | BV421 | DbpA | ב. אפזלי | פ.ק.וו | 5.0 מיקרוגרם/106 חרוזים |
טבלה 1: אנטיגנים מייצגים של Borrelia המשמשים לפיתוח בדיקות מולטיפלקס.
בתחילה פיתחנו בדיקה חיסונית חד-מדווחת שזיהתה נוגדנים נגד אנטיגן Borrelia IgG או IgM בשתי תגובות נפרדות, ולאחר מכן מיזגנו את הבדיקות הללו לבדיקת מולטיפלקס דו-מדווחת המודדת את שני איזוטיפים של נוגדנים באותה תערובת תגובה. חרוזים מגנטיים מצומדים לאנטיגן מטרה פתוגן של עניין, ולאחר מכן מודגרים עם דגימות סרום המטופל. האנטיגן המצומד לחרוזים מזוהה על ידי, ולוכד, הן IgG במחזור והן IgM בסרום שנוצר בתגובה חיסונית נגד האנטיגן הפתוגן. בדיקת IgG לעומת ספציפיות IgM נקבעת על ידי בחירת נוגדן משני הנקשר ל- IgG או IgM, כל אחד עם אות פלואורופור ייחודי הקשור לשני הנוגדנים המשניים. כל אות פלואורסצנטי מזוהה באחד משני ערוצי הכתב של המכשיר (כלומר, דיווח כפול) שיש לו לייזר עירור שונה ולכידת פליטה ספציפית לפלואורופור היחיד המשמש לזיהוי IgG או IgM (כאן Brilliant Violet 421 או phycoerythrin, בהתאמה). ערוץ סיווג המכשירים מזהה את הצבע המקודד בצבע הטבוע במערכות חרוזים שונות. לפיכך, ניתן להצמיד אנטיגני מטרה מרובים לחרוזים צבועים באופן שונה, וערכות החרוזים מעורבבות יחד ומשמשות להערכה מקיפה של תגובתיות חיסונית אנטי-פתוגנית מגוונת בדגימות בסרום. ערוץ הסיווג מזהה כל קבוצת חרוזים בודדת (כלומר, אנטיגן ספציפי) ומודד את הפלואורסצנטיות הקשורה ל- IgG או IgM כנגד אנטיגן זה. בדיקת המולטיפלקס המתקבלת חוסכת זמן ומשאבים לעומת בדיקות קלאסיות פחות מקיפות ומקטלגת במדויק את תגובתיות החיסון של ליים בנפחי דגימה מוגבלים. בעוד שגישה דומה של דיווח כפול שימשה בעבר לסיווג תגובות חיסוניות בפתולוגיות אחרות כגון זיהום SARS-CoV-213, דו”ח זה מפרט את היישום של טכנולוגיית בדיקה פלואורסצנטית מרובת משתתפים לאפיון תגובתיות חיסונית בבורליוזיס ליים.
דו”ח זה מדגיש את הפיתוח של מערכת חיסון Borrelia מבוססת חרוזים בת שני כתבים, הקובעת באופן משכפל ורגיש פעילות חיסונית נגד Borrelia בדגימות סרום12. ניתן להבדיל בין מיני הבורליה הפתוגניים השונים הגורמים לבורליוזיס ליים על ידי הטרוגניות אנטיגן ספציפיתלגרסה 6,7,8,9. הבדיקה המרובבת מעריכה בו זמנית תגובתיות חיסונית אנטי-בורליה בתיווך IgG ו-IgM בתוך אותה תגובה היטב, ובכך משמרת ריאגנטים, עבודה וחומר לדוגמה הדרושים לביצוע שתי בדיקות סינגלפלקס בנפרד. השוואת תגובות IgM ו- IgG לאורך זמן עשויה לאפשר מעקב טוב יותר אחר התקדמות המחלה מכיוון שהמרת סרוקונפורמציה מסוג IgM ל- IgG מתרחשת לאחר זיהום6.
מערכת הדיווח הכפול משתמשת בשתי מערכות נוגדנים שונות13,15. ניסויים קשורים לא הראו תגובתיות צולבת משמעותית הניתנת לזיהוי בין מערכות זיהוי אנטי-IgM ואנטי-IgG של Borrelia כאשר שתי קבוצות הנוגדנים נותחו יחד באותה תגובה12. בהתחשב בזיקה הנמוכה יותר של נוגדני IgM לעומת נוגדני IgG16,17, בחרנו בנוגדן זיהוי מצומד PE לזיהוי IgM (ערוץ הדיווח הראשון של מכשיר הדיווח הכפול) מכיוון ש- PE הוא אחד הפלואורופורים הפולטים החזקים ביותר המשמשים באופן שגרתי בבדיקות חיסוניות18. לצורך הערכת IgG, השתמשנו בנוגדן לזיהוי ביוטינילציה שהואר לאחר מכן בסטרפטאווידין מצומד BV421 (ערוץ הכתב השני של המכשיר)19. למרות שלב הדגירה הנוסף של 30 דקות בהשוואה למערכת המדווח היחיד, מערכת הדיווח הכפול מניבה פי שניים מידע לכל תגובה. בסך הכל, הבדיקה המרובבת של המדווח הכפול דורשת פחות זמן מצטבר ותשומות חומרים מאשר הפעלת שתי בדיקות של כתב יחיד.
ביצועים חזקים ויציבות של בדיקת Borrelia מרובה הודגמו על ידי יכולת שחזור גבוהה במחקרי דיוק תוך ובין מבחנים, ועל ידי הדגמה של ליניאריות דילול ומקביליות דילול על פני מגוון רחב של ריכוזי מדגם הן עבור הערכת IgG והן עבור הערכת IgM. נצפו רמות גבוהות יותר של פליטת פלואורסצנטיות אבסולוטית עבור אותם פלואורופורים באמצעות המכשיר החד-ערוצי לעומת המערכת הדו-ערוצית (≈1.7× גבוה יותר עם PE), המיוחסים להבדלים באופטיקה ובהגדרות הכיול בין שני המכשירים (איור 4). עם זאת, עקומות הפליטה הפלואורסצנטיות עם שני הפלואורופורים נותרו בטווח הליניארי של שני המכשירים ברמות קיצון של דילול דגימות גבוהות ונמוכות, וכל פער בפלואורסצנטיות האבסולוטית שנמדדה לא השפיע על סיווג מצב החשיפה לבורליה . 12
יתרון עיקרי של בדיקת Borrelia multiplex מבוססת חרוזים זו היא הקלות שבה ניתן לשנות או להרחיב את הבדיקה כדי להעריך אנליטים שונים או נוספים, למשל, כדי לזהות נוגדנים נגד אנטיגנים של מיני Borrelia נוספים. ערכות חרוזים מגנטיים xMAP מכילות שילובי צבעים שונים שניתן להבחין ביניהם בערוץ הסיווג של המכשיר וניתן ליישם אותם באופן תיאורטי במבחני מולטיפלקס שיכולים להעריך בו זמנית עד 500 אנליטים ייחודיים באותה דגימה. בעוד שהמחקר הנוכחי מדגיש ארבעה אנטיגנים מייצגים של Borrelia כדי להדגים פונקציונליות ויציבות של הבדיקה ולהשוות בין מערכת הדיווח היחיד והכפול, הבדיקה הסופית חוקרת שמונה אנטיגנים שיחד יכולים לזהות את כל חמשת הפתוגנים הרלוונטיים מבחינה קלינית של Borrelia המסתובבים ברחבי אירופה וצפון אמריקה12.
ביצועים בתפוקה גבוהה אפשריים באמצעות לוחות מיקרוטיטר סטנדרטיים של 384 בארות בפורמט בדיקה אוטומטי למחצה. תאימות הבדיקות והמכשירים עם לוחות 96 ו-384 בארות מאפשרת להשתמש בבדיקת המולטיפלקס של Borrelia ככלי סינון יעיל לניתוח מהיר של קבוצות מדגם גדולות, כגון מחקרים לאומיים20. ביצועים ידניים של הבדיקה נשארים אפשריים עבור קבוצות מדגם קטנות יותר המשתמשות בלוחות קטנים יותר של 96 בארות.
מגבלות המחקר כוללות הערכה השוואתית של מטרות תגובתיות חיסוניות מעטות בלבד של Borrelia במספר קטן של דגימות נסיוב אנושי. עם זאת, המחקר המקורי אישר כי ביצועי הבדיקה הן עבור IgG והן עבור IgM נשמרו כאשר ניתחו שמונה אנטיגנים מכל חמשת מיני Borrelia הידועים בתוך מדגם גדול יותרקבוצה 12. כמו כן, מכשיר הדיווח הכפול יכול להעריך רק שני איזוטיפים של נוגדנים בו זמנית בתוך כל תגובה, כך שפרופיל איזוטיפ מלא יחייב ביצוע תגובות בדיקה נוספות13.
לסיכום, דו”ח זה מפרט את המיזוג וההמרה המוצלחים של בדיקות חיסון מבוססות חרוזים למבדקי דיווח כפול שיכולים להעריך בו זמנית נוגדנים מסוג IgG ו-IgM ספציפיים לבורליה פתוגניים בדגימות נסיוב אנושי. גישה משולבת זו חוסכת זמן כולל, חומר ותשומות עבודה כדי ליצור את אותו נפח נתונים כמו שני מבדקים עצמאיים של כתב יחיד. ניתן לשנות את גודל בדיקת המרבב מפורמט צלחת מיקרוטיטר 96 באר לפורמט צלחת מיקרוטיטר 384 באר וניתן לבצע אוטומציה למחצה על ידי שימוש בלוח רובוטי ומכשור לטיפול בנוזלים, מה שהופך אותו מתאים ליישומים בעלי תפוקה גבוהה כגון סקרי אוכלוסייה גדולים. מערכות בדיקת דיווח כפול מבוססות חרוזים הוכיחו בעבר תועלת בהערכה, למשל, של תגובות חיסוניות לפתוגנים נגיפיים וחיידקיים אחרים13,21, הערכת תגובות נוגדנים אלוגניים כנגד אפיטופים של HLA בהשתלת איברים22, וחקירת מנגנונים של מחלות אוטואימוניות23. הדו”ח הנוכחי מפרט את השימוש בטכנולוגיית מולטיפלקס לזיהוי חשיפה לפתוגנים של בורליה הגורמים למחלת ליים, כדוגמה לאופן שבו מעבדות יכולות להתאים גישה זו לחקר מנגנונים חיסוניים מורכבים בפתולוגיות מגוונות.
The authors have nothing to disclose.
דו”ח זה מומן על ידי לומינקס (אוסטין, טקסס). המחברים מודים למתיו סילברמן PhD (Biomedical Publishing Solutions, Panama City, FL; mattsilver@yahoo.com) על סיוע בעריכה אנליטית ומדעית. המחברים מודים גם להראלד קליין ולכריסטוף פון אייכל-שטריבר מחברת tgcBIOMICS GmbH (בינגן, גרמניה) על אספקת האנטיגנים של בורליה ששימשו במחקר. דגימות נסיוב אנושי לאימות בדיקות טכניות ובקרת איכות התקבלו מ: 1) מחקר שכיחות רב-מקומי וסדרתי על נוגדנים נגד SARS-CoV-2 בגרמניה באמצעות המחלקה לאפידמיולוגיה, מרכז הלמהולץ לחקר זיהום, בראונשווייג, גרמניה; ו-2) המחלקה לנוירולוגיה, Sächsisches Krankenhaus Rodewisch (Rodewisch, גרמניה). האישור לשימוש בדגימות אנושיות ניתן על ידי ועדת האתיקה של בית הספר לרפואה של האנובר, גרמניה (9086_BO_S_2020).
Antibodies and Detection Reagents | Source | Catalog Number | |
Biotinylated Goat Anti-Human IgG | Jackson ImmunoResearch (Dianova) | 109-066-098 | |
Brilliant Violet 421-Streptavidin | BD Biosciences | 563259 | |
Donkey Anti-Human IgM | Jackson ImmunoResearch (Dianova) | 709-116-073 | |
Borrelia Antigens | tgcBIOMICS (Bingen, Germany) | ||
Coupling Reagents | |||
1-Ethyl-3-[3-dimethylaminopropyl]carbodiimide hydrochloride (EDC) | Thermo Scientific Pierce | 77149 ProteoChem (100 mg) | |
10x PBS | Fisher Scientific | BP399-4 | |
BSA | Carl Roth | T844.3 | |
MES (2-ethanesulfonic acid; zwitterionic buffer) | Carl Roth | 4256.2 | |
Na2HPO4 | Carl Roth | 4984.1 | |
ProClin300 | Sigma | 48914-U | |
Sulfo-NHS (N-hydroxysulfosuccinimide) | Thermo Scientific Pierce | 24510 (500 mg) | |
Triton X-100 | Thermo Scientific | 85111 | |
Instrumentation and Ancillary Lab Supplies | Source | ||
384-well plate | Corning, Cat# 3570 | ||
96-well deep-well plates | ThermoFisher Scientific, Cat# 95040450 | ||
96-well half-area plates | Corning, Cat# 3690 | ||
BioTek 405 TS Plate Washer | BioTek Instruments/Agilent Technologies, Santa Clara, CA | ||
BioTek MultiFlo FX Plate Washer | BioTek Instruments/Agilent Technologies, Santa Clara, CA | ||
DynaMag Spin Magnet (for isolating beads in microcentrifuge tubes) | ThermoFisher, Cat# 12320D | ||
Flexmap 3D (two-channel, single-reporter instrument) | Luminex Corp., Austin, TX | ||
KingFisher Magnetic Particle Processor (for isolating beads in 96-well plates) | ThermoFisher, Cat# A31508 | ||
MagPlex Microspheres (magnetic, fluorescent, 6.5-µm-diameter beads) | Luminex Corp., Austin, TX | ||
SmartBlock Plates | Eppendorf, Cat# 5363000039 | ||
ThermoMixer C | Eppendorf, Cat# 5382000015 | ||
ThermoTop | Eppendorf, Cat# 5308000003 | ||
xMAP Intelliflex (three-channel, dual-reporter instrument) | Luminex Corp., Austin, TX |