나노 PCR에 의한 동물 표본의 호흡기 병원체의 높은 처리량 검출
Summary
나노 크기의 PCR에 의한 DNA 및 RNA 기반 병원균 높은 처리량 테스트는 syndromic 개와 말 호흡기 PCR 패널을 사용하여 설명한다.
Abstract
나노 리터 규모의 실시간 PCR 분석은 여러 서로 반응을 조합의 전형적인 결점없이 단판에 병렬로 실행할 수 있도록하기 위해 공간 다중화를 사용한다. 우리가 고안 빠르게 급성 호흡기 질환 개와 말 일반적인 질병 인자의 존재를 식별하기 위해 본 원리에 기초 패널을 평가 하였다. 이 원고는 마이크로 리터 규모의 반응과 다른 절차에 초점을 맞추고, 샘플 준비, 증폭, 및 목표 병원체 서열 분석을위한 나노 진단 PCR 워크 플로우를 설명합니다. 제시된 호흡 패널에서 18 분석법은 각 플레이트 당 48 샘플까지 수용, 세중 년에 설립되었다. 범용 추출 사전 증폭 플로 여러 매트릭스 및 DNA 및 RNA 기반 병원균을 수용하도록 높은 처리량 샘플 제제에 대해 최적화되었다. 대표적인 데이터는 하나의 RNA 대상 (인플루엔자 A 행렬)와 하나의 DNA 대상 (말 헤르페스 바이러스에 대해 제시1). 신속하고 정확하게 병원균의 포괄적 증후군 기반 그룹을 테스트 할 수있는 능력은 효율성과 진단 테스트의 능률을 향상 급성 호흡기 질환의 진단과 관리를위한 유용한 도구입니다.
Introduction
하나의 질병에 대한 테스트중인 샘플의 많은 사용하지 않는 인간과 동물에 대한 임상 적 진단에 여러 에이전트의 신속하고 포괄적 인 검출을위한 수요, 병원균 검출을위한 단일 생물 분자 진단 방법은 부담이다. 수의학 맥락에서 높은 처리량 진단 방법으로 인해 종의 다양한 병원체를 덮는 추가의 필요에 특히 중요하다. 세균의 수를 포함하는 테스트 요구의 예는 OneHealth 식중독 질환의 관리 및 신흥 병원체 감시 접근 바이러스 (DNA 또는 RNA가 기준), 기생충, 진균. 테스트 효율을 향상시키기 위해 함께 여러 분석 (다중화)에 대한 시험을 조합하는 과제는 감도의 가능한 손실 최적화 분석법 검증 큰 부담이다.
나노 리터 규모 실시간 중합 효소 연쇄 반응 (PCR)은 바꾼다 인많은 별도의 반응이 동일한 샘플 (1)에서 동시에 실행할 수있는 다중의 연습 네이티브. OpenArray 플랫폼은이 원리 (2)의 응용 프로그램입니다; 이는 실시간 PCR과 마이크로 어레이 기술을 결합한다. 공간 다중화의 개념에 기초하여, 모든 샘플은 관통 구멍에 분리 대상의 다수를 위해 테스트된다. 이 플랫폼은 초기에 시아닌 기반의 이중 가닥 DNA 결합 화학 2와 함께 사용과 어두운 담금질 프로브 (3)를 사용하여 프로브 기반 화학에 대해 사용할 수 있습니다했다. 이 플랫폼은 주로 인간과 동물 사 (5)에 유전 적 프로파일을 위해 사용되어왔다. 이는 최근 Grigorenko 동부 등에 의해 혈액 유래 DNA 및 RNA 병원체를 검출하도록 하였다. (6) 두 단계 역전사 / 프리 앰프 (프리 앰프) 절차를 사용.
우리는 호흡기 병원체 초에서 두 종류의 검출 여기 원스텝 프리 앰프 기반 절차를 설명retions 및 표준 근무 전적으로 수행 될 수있는 다른 종류의 시료 다양한. 한 단계의 프리 앰프가 완료되면, 샘플이 나노 PCR 플랫폼과 함께 제공되는 자동화 된 액체 처리 시스템에서 허용하는 형식입니다 384 웰 플레이트로 전송됩니다. 이 시스템은 한 번에 최대 4 판 (192 샘플 및 제어)의 표면에 걸쳐 마스터 믹스 및 샘플을 그린다. 이로드 프로세스에 따라, 우리는 샘플을 증폭 한 인쇄 된 페이지에 맞는 테이블에 각 샘플 / 대상 조합에 대한 3 기술 복제의 평균을 요약하는 매크로 스프레드 시트를 사용하여 분석하는 방법에 대해 설명합니다.
이 플랫폼을 사용하여 시료에서 추출한 DNA 및 / 또는 RNA를 분석하는 균일 한 방법이 설립되었다. 샘플의 다양한 추출 역전사 및 오류의 가능성을 최소화하는 96 웰 형식으로는 예비 증폭 하였다. 테스트 호흡 샘플은 비강 면봉, 깊은 인두 면봉을 포함,트랜스 기관 세척, 기관지 세척 및 폐 조직. 또한 말초 혈액 또는 배설물에 존재할 수있는 테스트 에이전트의 일부 있기 때문에, 우리는 절차에 샘플의 그 유형을 통합. 이 간소화 된 워크 플로우는 개별 테스트 대신에 패널 기반의 병원체 및 독소 유전자 검출을 통해 효율적인 테스트를 가능하게함으로써 여러 판에서 실험을 실행에 비해 시간과 자원을 절약 할 수 있습니다. 여기에 입증 호흡 패널 (18) 분석은 각 플레이트 당 48 샘플까지 수용, 구멍을 통해 세중 인쇄했다. 검출 된 말 병원균 말 아데노 바이러스 1 및 2, 말 동맥염 바이러스, 말 비염 바이러스 A 및 B, 말 헤르페스 바이러스 (EHV) 유형 1 (4), 스트렙토 동등 포함. 송곳니 병원체는 개 호흡기 코로나 바이러스 (betacoronavirus), 개 디스템퍼 바이러스, 개 아데노 바이러스, 개 파라 인플루엔자 바이러스, 개 pneumovirus, 보르 데 텔라 브론 키셉 및 마이코 플라즈마 cynos 포함되어 있습니다. 에이범용 인플루엔자는 분석과 내부 통제 (MS2의 RNA 파지)도 포함되었다.
Protocol
Representative Results
Discussion
이 절차 여섯 개월 (주 2 ~ 3 회)의 과정을 통해 우리의 실험실에서 호흡기 병원체의 일상적인 테스트를 위해 사용되어왔다. 또한 별도로 정의 접시 분변 시료 및 박테리아 균주의 장내 병원균 프로파일과 동일한 방법을 사용하여 성공이 있었다. 플레이트가 생성되면, 경험이 풍부한 직원은 하나의 표준 근무 시간 내에 2-7 단계를 완료 할 수 있습니다. 가장 중요한 단계는 프리 앰프 플레이트의 적절한 시일 (증발을 방지하기 위해 신속하게 수행되어야한다) 플레이트 사이 프리 앰프를 샘플들의 전송 및 증폭 판의 최종 덮고있다. 이 크게이 공정에 필요한 시간 및 서류의 양을 환산 결과 분석 (샘플 및 컨트롤 곡선을 확인)을위한 가이드로서 매크로 스프레드 시트의 사용은 중요 하였다. 제공되는 매크로 스프레드 시트는 예입니다; 서로 다른 구성으로 플레이트에 대한 수정 또는 재 작성 될 필요가있을 것이다. 이것은 쉽게 체육 될 수 있습니다기본 스프레드 시트 지식을 가진 사람이 rformed.
인해 증폭 판 (33 NL)에로드 시료의 미량으로 미리 증폭이 요구된다. 이 프로토콜 (미도시)의 최적화에서는 종래 증폭 마스터 믹스, 랜덤 프라이머의 첨가, 횟수, 소둔 시간, 희석 포함한 프리 앰프 파라미터의 개수를 비교 하였다. 각각의 목표는 자신의 최적의 조건을 가지고 있었고, 여기에 기술 된 우리의 패널에 대한 검색 전체의 최고 한도를 산출하는 사람들을 나타냅니다. 이 패널은 병원성 목표와 일상적인 의학적 진단 테스트에서 발생하는 샘플 종류의 넓은 범위를 커버하지만, 프리 앰프 절차에 대한 수정은 다른 패널 필요할 수 있습니다. 제조자 최적화 증폭 조건은 95 ° C에서 앤 변성이어서 95 ° C 효소 활성에서 10 분으로 표준 프로브 기반 실시간 PCR 프로토콜에 기초60 ° C에서 일링은 / 확장. 프라이머 및 프로브는 또한 미리 인쇄 제조업체 최적화 조건을 이용하여 적정하므로 필요하지 않은 판에있다. (상관없이 타겟의 종류) 모든 샘플에 대해 역전사 사전 증폭 단계를 결합함으로써 워크 플로우의 효율성을 유지하기 위해 필요했다. 모든 샘플은 전사 역 갖는 것은 또한 감도를 극대화하기위한 유용합니다. 또한 최소화 억제제에 최적화 된 프리 앰프를위한 마스터 믹스의 사용은 동일한 플레이트 상에 상이한 종류의 시료 조합에 다양성을 허용한다.
질병 통제 (CDC) 나노 리터 규모의 반응 여기 슈 등. (7)에 의해 기술 및 적응 인플루엔자 매트릭스 분석 센터는 범용 인플루엔자 인간과 반려 동물에서 테스트 샘플에 적합한 분석이다. 이것은 마이크로 리터 규모 REA을 사용하여 모든 인플루엔자 바이러스의 매트릭스 유전자의 범용 검출 설계된ctions. 그것은 CDC 인간 인플루엔자 바이러스 패널과 CDC 돼지 독감 패널의 일환으로 전 세계적으로 사용되어왔다. 여기에 적응 EHV-1 분석 8 낙태 및 신경 학적 질환 (Pusterla와 Hussey는 10 검토)를 일으킬 수 있습니다 말의 중요한 호흡기 병원체를 검출한다. 종 독립적 내부 제어와 높은 처리량 플랫폼 테스트를 적응의 의미는 그들이 OneHealth 감시 방법에 통합 될 수 있다는 것이다. 높은 처리량 테스트 플랫폼에서 이러한 분석을 모두 갖는 것은 임상 시설, 대피소 및 성능 이벤트에 대한 비상 대책을 촉진 할 것이다.
상기 결과는 분석 성능이 상당히 변화를 보였다 마이코 cynos 제외 가진 플레이트상의 모든 표적을 대표했다. 이는 이상적인 58-60 및되어야 프라이머 차선의 용융 온도 (T의 m)에 것 같았다# 176; C (이상적인 프로브 (Tm)가 68-70 °에 C)입니다. 이 플랫폼의 한계는 신속 시퀀스를 변경하는 능력을 제한 개별 프로브를 주문하는 것보다 판을 설계하고 제조하는 것이 더 오래 걸리는 점이다. 일반적으로 실시간 PCR의 다른 제한은 신규 한 또는 예기치 않은 병원체를 검출 할 수 없다는 것이다. 이것은 여러 종류의 서열과 일치 분석을 설계함으로써 어느 정도 극복 될 수 있지만, 편향 총 유전체 기반의 방법은 새로운 에이전트 발견 더 적합하다. 11,12
나노 실시간 PCR을위한 새로운 패러다임을 허용 증후군 기반의 높은 처리량 분자 진단 시약 및 노동 비용을 절감하는 데 유용 종 기반의 테스트보다는. 이 방법에 의하여 대형 패널 테스트는 던 및 Gurfield 13 Moutailler 외. (14)에 의해 기재된 것과 같은 OneHealth 감시 활동을 용이하게 할 수있다. 초기 면봉 샘플 수집,일반적으로 임상 발병 3 일 이내에, 호흡기 병원체의 존재를 확인하는 가장 좋은 기회를 제공합니다. 감염증 출현은 종종 예측 불가능하고, 시약의 변형 없이도 다른 종에 대해 수행 할 수있는 테스트가 준비 이상적이다. 이 기술의 미래 애플리케이션 pathotyping, 항생제 내성 프로파일 및 상기 신드롬 – 기반의 임상 진단 패널에있을 가능성이 높다. 나노 실시간 PCR 여러 샘플 병원체 유형의 신속한 고 처리량 스크리닝에 가장 유용하고 새로운 긴급 병원체를 식별하기위한 바이어스 또는 부분적으로 바이어스 시퀀싱 기반 접근법에 의해 보완 될 것이다.
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
여기에 설명 된 호흡기 병원체 분석에 작품은 코넬 동물 건강 진단 센터 내부 개발 기금에 의해 지원되었다. 나노 PCR 워크 플로우 및 관련 품질 보증 시스템의 개발은 부분적으로 (FOA PA-13-244) 투자와 보조금 제 1U18FD005144-에서 식품의 약국 (FDA)의 수의학 연구소 조사 및 대응 네트워크 (FDA 수의사 LIRN)와 공동으로 수행 하였다 01. 발행 수수료 VWR과 콴타 바이오 사이언스가 후원했다. 우리는 쓰고 프로토콜을 검토 그들의 도움 가브리엘 Nickerson, Roopa Venugopalan, Veldina 카모, XiuLin 장, Jinzhi 유, Weihua 왕, 그리고 카트리나 워커 감사합니다. 우리는 저자 인터뷰 촬영을 위해 마이크 캐롤 감사합니다. 우리는 마침내 자신의 도움이 의견 에디터 세 익명의 피어 리뷰 감사합니다.
Materials
| Zap-OGlobin II lytic reagent | Beckman Coulter | 7546138 | Optional reagent for preparing blood samples. |
| Extraction kit (MagMAX Total Nucleic Acid Isolation Kit) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | AM1840 | Other extraction kits appropriate for the desired sample types may be substituted. This kit comes with PBS, lysis buffer, and wash buffer. |
| 2X One-Step RT-qPCR mix (qScript XLT One-Step RT-qPCR ToughMix ) | Quanta Biosciences | 95134-500 | |
| Gene-specific primer pool | IDT | custom order | Can be generated by the user or purchased with the amplification plates. |
| Random primer mix | New England Biolabs | S1330S | |
| Standard 96-well plate | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | N8010560 | This can be any plate that fits into the conventional PCR machine used. |
| Amplification master mix (OpenArray master mix) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4462164 | |
| Clear adhesive seal | Thermo-Fisher | 430611 | |
| Foil seal | Excel Scientific | AF-100 | |
| 384-well plate | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4406947 | |
| Amplification plate (QuantStudio 12K Flex OpenArray plate) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4470813 | Can be customized with any assays conforming to standard TaqMan conditions. |
| Accessories kit | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4469576 | Contains the case lids, plugs, and immersion fluid. |
| AccuFill tips | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4457246 | |
| Amplification machine (QuantStudio 12K Flex Real-Time PCR System) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4471090 | |
| Liquid handler (OpenArray AccuFill System) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4457243 | This is purchased with the amplification machine. |
| Primer design software (Primer Express) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4363991 | See manufacturer's instructions for detailed primer and probe specifications. |
| Image analysis program (ImageJ) | NIH | Available at http://imagej.nih.gov/ij/ | |
| Spreadsheet program (Excel) | Microsoft | Available at https://products.office.com/en-us/excel | |
| PCR plate spinner | VWR | 89184-608 | This device has only one speed (2500 rpm); the rotor starts when the lid is closed and stops when the button is pushed. |
| TE buffer | Millipore | 8890-100ML | 10mM Tris(hydroxymethyl)aminomethane hydrochloride, 1mM Ethylenediaminetetraacetic acid, pH 8.0 |
| DMEM | Thermo-Fisher/Gibco | 11965-092 | |
| Tissue disruptor (TissueLyser II) | Qiagen | 85300 | |
| Conventional thermal cycler (Veriti) | Thermo-Fisher/Applied Biosystems | 4375786 | Any conventional thermal cycler with a heated lid can be used. |
Referências
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