והקאה הפתוגן הקרנה באמצעות מגנטו-פלורסנט ננו-חיישן: איתור מהיר של e. Coli O157:H7
Summary
המטרה הכוללת של פרוטוקול זה לסנתז nanosensors תפקודית עבור ניידים, חסכוני, זיהוי מהיר של דווקא בחרו חיידקים פתוגניים באמצעות שילוב של הרפיה מגנטי ואופני פליטת קרינה פלואורסצנטית.
Abstract
Enterohemorrhagic Escherichia coli O157:H7 נקשר שניהם waterborne והקאה מחלות ואת השרידים איום למרות השיטות מזון, מים-סינון בשימוש כיום. תוך כדי שיטות זיהוי חיידקים קונבנציונליים, כגון תגובת שרשרת פולימראזית (PCR), מבחני מקושרים-אנזים immunosorbent (אליסה) יכול לזהות באופן ספציפי מזהמים פתוגניים, הם דורשים קליניים נרחבים ההמתנה ממושך. בנוסף, שיטות עבודה מומלצות אלה דורשים מכשירי מעבדה מתוחכמת, הגדרות, צריך להתבצע על ידי אנשי מקצוע מיומנים. במסמך זה, פרוטוקול מוצע עבור טכניקה אבחון פשוט מציע שילוב ייחודי של הפרמטרים מגנטי, פלורסנט פלטפורמה מבוססת ננו-חלקיק. המוצע multiparametric מגנטו-פלורסנט nanosensors (MFnS) יכול לזהות זיהום O157:H7 e. coli , עם מעט ככל המושבה יוצרי יחידה 1 נוכח פתרון בתוך פחות משעה. יתר על כן, היכולת של MFnS להישאר פונקציונלי מאוד בתקשורת מורכבים כגון חלב אומת המים באגם. מבחני ירידה לפרטים נוספים שימשו גם להפגין את היכולת של MFnS רק לזהות חיידקים היעד הספציפי, אפילו בנוכחות מינים דומים חיידקי. הזיווג של שיטות מגנטי, פלורסנט מאפשר זיהוי, כימות של פתוגן זיהום במגוון רחב של ריכוזים, מפגין שלה ביצועים גבוהים בזיהוי זיהום שני, מאוחר-בשלב מוקדם. היעילות, מקלחון, ניידות של MFnS לבצע אותם מועמדת אידיאלית עבור בשלב של טיפול הקרנה של חיידקים מזהמים במגוון רחב של הגדרות, מאגרים ימיים מזונות ארוזים בצורה מסחרית.
Introduction
המופע מתמיד לזיהום חיידקי בשני בכמויות מסחריות מזון, מקורות המים יצרה צורך פלטפורמות אבחון יותר ויותר מהירה, מדויקת. 1 , 2 חלק נפוץ יותר חיידקים מזהמים אחראי לזיהום מים ואוכל הם סוגים סלמונלה, סטפילוקוקוס, ליסטריה, ויבריו, שיגלה, Bacillus ו Escherichia. 3 , 4 זיהום חיידקי על ידי פתוגנים אלה לעיתים קרובות תוצאות סימפטומים כגון חום, כולרה, דלקת הקבה והמעים, שלשול. 4 זיהום מקורות מים לעיתים קרובות יש תופעות לוואי דרסטית על קהילות ללא גישה למים מסוננים מספיק, ולא מזון וזיהום הוביל מספר רב של מחלות, המוצר אחזור המאמצים. 5 , 6
על מנת לצמצם את המופע של מחלות הנגרמת על ידי זיהום חיידקי, היו מספר המאמצים לפתח שיטות שבו מים ומזון ניתן ביעילות לסרוק לפני מכירה או הצריכה. 3 טכניקות כגון PCR,1,7,8,9,10 , אליסה,11,(בתיווך לופ הגברה איזותרמי12 המנורה),13,14 בין היתר,15,16,17,18,19,20,21, 22,23,24 לאחרונה שימשו לצורך זיהוי של פתוגנים שונים. בהשוואה לבקטריאלי מסורתי culturing שיטות, טכניקות אלו יעילים הרבה יותר לגבי ירידה לפרטים וזמן. עם זאת, שיטות אלה עדיין מתקשים עם תוצאות false חיוביות, שליליות, הליכים מורכבים ועלות. 1 , 3 , 25 זה מהסיבה הזאת מגנטו-פלורסנט multiparametric nanosensors (MFnS) מוצעים כאמצעי חלופי לגילוי חיידקי.
באופן ייחודי, אלה nanosensors זוג יחד הרפיה מגנטי ואופני פלורסנט, המאפשר פלטפורמה כפולה-זיהוי מהיר ומדויק. באמצעות e. coli O157:H7 כמו לדוגמה מזהם, הוא הפגין היכולת של MFnS לאתר CFU אחד בתוך דקות. נוגדנים ספציפיים הפתוגן משמשים כדי להגדיל ירידה לפרטים, השילוב של שיטות המגנטי והן פלורסנט מאפשר זיהוי, כימות של חיידקים מזהמים בטווחים בשני נמוך ולא גבוה-זיהום. 16 במקרה של זיהום חיידקי, nanosensors שוחים מסביב החיידקים בשל היכולות מיקוד של נוגדנים ספציפיים הפתוגן. האיגוד בין nanosensors מגנטי לבין חיידקים מגביל את האינטראקציה בין ליבת ברזל מגנטית של הפרוטונים במים שמסביב. זה גורם גידול טיימס הרפיה T2, כפי שנרשם על ידי relaxometer מגנטי. כמו ריכוז החיידקים בתמיסה עולה, nanosensors לפזר עם מספר גדל של חיידקים, וכתוצאה מכך T2 ערכים נמוכים יותר. לעומת זאת, פליטת קרינה פלואורסצנטית יגדל בפרופורציה עם ריכוז חיידקים, עקב מספר מוגברת של nanosensors קשורה ישירות הפתוגן. צנטריפוגה של הדגימות, ובידוד של בגדר חיידקי, יהיה רק לשמר על חלקיקים מחובר ישירות החיידקים, הסרת כל nanosensors לתרשים, ישירות מתאם את פליטת קרינה פלואורסצנטית עם מספר חיידקים להציג פתרון. ייצוג סכמטי של מנגנון זה מיוצג באיור1.
הפלטפורמה MFnS תוכנן עם בשלב של טיפול הקרנה במוח, וכתוצאה מכך מאפיינים נמוכים ונייד. MFnS יציבים בטמפרטורת החדר, נדרשים רק בריכוזים מאוד נמוכים עבור איתור מדויק של חיידקים מזהמים. יתר על כן, לאחר סינתזה, השימוש MFnS היא פשוטה, ללא צורך בשימוש אנשי מקצוע מיומנים בתחום. לבסוף, הפלטפורמה האבחון מאפשר מיקוד להתאמה, מתן אמצעים על-ידי אילו זה פלטפורמה אחת עשוי לשמש כדי לזהות פתוגנים מכל הסוגים, הגדרות שונות רבות.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה תוכנן כדי לייצר MFnS תקינים הכי פשוט ככל האפשר. עם זאת, ישנם רבים נקודות מפתח בו שינוי בפרוטוקול עשוי להיות שימושי, בהתאם למטרה הקצה של המשתמש. לדוגמה, השימוש של נוגדנים שונים תאפשר מיקוד של רבים פתוגנים אחרים. בנוסף, פרוטוקול זה אינה מוגבלת לשימוש של נוגדנים כמו …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי K-INBRE P20GM103418, קנזס סויה הנציבות (הדיסקברי/ספק כח 1663), ACS PRF 56629-UNI7 כח פולימר כימיה הפעלה קרן, כל אס. אנו מודים הצלם האוניברסיטה, מר יעקב Anselmi, עבור עבודתו מצטיינים עם הווידאו. אנו מודים גם מר רוג’ר Heckert ואת גברת קאתה Heckert על תמיכתם הנדיבה למחקר.
Materials
| Ferrous Chloride Tetrahydrate | Fisher Scientific | I90-500 | |
| Ferric Chloride Hexahydrate | Fisher Scientific | I88-500 | |
| Ammonium Hydroxide | Fisher Scientific | A669S-500 | |
| Hydrochloric Acid | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Polyacryllic Acid | Sigma-Aldrich | 323667-100G | |
| EDC | Thermofisher Scientific | 22980 | |
| NHS | Fisher Scientific | AC157270250 | |
| Anti-E. coli O111 antibody | sera care | 5310-0352 | |
| Anti-E. coli O157:H7 antibody [P3C6] | Abcam | ab75244 | |
| DiI Stain | Fisher Scientific | D282 | |
| Nutrient Broth | Difco | 233000 | |
| Freeze-dried E. coli O157:H7 pellet | ATCC | 700728 | |
| Magnetic Relaxomteter | Bruker | mq20 | |
| Zetasizer | Malvern | NANO-ZS90 | |
| Plate Reader | Tecan | Infinite M200 PRO | |
| Magnetic Column | QuadroMACS | 130-090-976 | |
| Centrifuge | Eppendorf | 5804 Series | |
| Centrifuge (accuSpin Micro 17) | Fisher Scientific | 13-100-676 | |
| Floor Model Shaking Incubator | SHEL LAB | SSI5 | |
| Analytical Balance | Metler Toledo | ME104E | |
| Digital Vortex Mixer | Fisher Scientific | 02-215-370 | |
| Open-Air Rocking Shaker | Fisher Scientific | 02-217-765 |
References
- Law, J. W., Ab Mutalib, N. S., Chan, K. G., Lee, L. H. Rapid methods for the detection of foodborne bacterial pathogens: principles, applications, advantages and limitations. Front Microbiol. 5, 770 (2014).
- Pandey, P. K., Kass, P. H., Soupir, M. L., Biswas, S., Singh, V. P. Contamination of water resources by pathogenic bacteria. AMB Express. 4, 51 (2014).
- Zhao, X., Lin, C. W., Wang, J., Oh, D. H. Advances in rapid detection methods for foodborne pathogens. J Microbiol Biotechnol. 24 (3), 297-312 (2014).
- Heithoff, D. M., et al. Intraspecies variation in the emergence of hyperinfectious bacterial strains in nature. PLoS Pathog. 8 (4), e1002647 (2012).
- Ishii, S., Sadowsky, M. J. Escherichia coli in the Environment: Implications for Water Quality and Human Health. Microbes Environ. 23 (2), 101-108 (2008).
- Chiou, C. S., Hsu, S. Y., Chiu, S. I., Wang, T. K., Chao, C. S. Vibrio parahaemolyticus serovar O3:K6 as cause of unusually high incidence of food-borne disease outbreaks in Taiwan from 1996 to 1999. J Clin Microbiol. 38 (12), 4621-4625 (2000).
- Zhou, G., et al. PCR methods for the rapid detection and identification of four pathogenic Legionella spp. and two Legionella pneumophila subspecies based on the gene amplification of gyrB. Appl Microbiol Biotechnol. 91 (3), 777-787 (2011).
- Chen, J., Tang, J., Liu, J., Cai, Z., Bai, X. Development and evaluation of a multiplex PCR for simultaneous detection of five foodborne pathogens. J Appl Microbiol. 112 (4), 823-830 (2012).
- LeBlanc, J. J., et al. Switching gears for an influenza pandemic: validation of a duplex reverse transcriptase PCR assay for simultaneous detection and confirmatory identification of pandemic (H1N1) 2009 influenza virus. J Clin Microbiol. 47 (12), 3805-3813 (2009).
- Mahony, J. B., Chong, S., Luinstra, K., Petrich, A., Smieja, M. Development of a novel bead-based multiplex PCR assay for combined subtyping and oseltamivir resistance genotyping (H275Y) of seasonal and pandemic H1N1 influenza A viruses. J Clin Virol. 49 (4), 277-282 (2010).
- Alvarez, M. M., et al. Specific recognition of influenza A/H1N1/2009 antibodies in human serum: a simple virus-free ELISA method. PLoS One. 5 (4), e10176 (2010).
- Huang, C. J., Dostalek, J., Sessitsch, A., Knoll, W. Long-range surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy biosensor for ultrasensitive detection of E. coli O157:H7. Anal Chem. 83 (3), 674-677 (2011).
- Zhang, J., et al. Rapid visual detection of highly pathogenic Streptococcus suis serotype 2 isolates by use of loop-mediated isothermal amplification. J Clin Microbiol. 51 (10), 3250-3256 (2013).
- Han, F., Wang, F., Ge, B. Detecting potentially virulent Vibrio vulnificus strains in raw oysters by quantitative loop-mediated isothermal amplification. Appl Environ Microbiol. 77 (8), 2589-2595 (2011).
- Wang, J., et al. Rapid detection of pathogenic bacteria and screening of phage-derived peptides using microcantilevers. Anal Chem. 86 (3), 1671-1678 (2014).
- Banerjee, T., et al. Multiparametric Magneto-fluorescent Nanosensors for the Ultrasensitive Detection of Escherichia coli O157:H7. ACS Infect Dis. 2 (10), 667-673 (2016).
- Shelby, T., et al. Novel magnetic relaxation nanosensors: an unparalleled "spin" on influenza diagnosis. Nanoscale. 8, 19605-19613 (2016).
- Bui, M. P., Ahmed, S., Abbas, A. Single-Digit Pathogen and Attomolar Detection with the Naked Eye Using Liposome-Amplified Plasmonic Immunoassay. Nano Lett. 15 (9), 6239-6246 (2015).
- Farnleitner, A. H., et al. Rapid enzymatic detection of Escherichia coli contamination in polluted river water. Lett Appl Microbiol. 33 (3), 246-250 (2001).
- Huh, Y. S., Lowe, A. J., Strickland, A. D., Batt, C. A., Erickson, D. Surface-enhanced Raman scattering based ligase detection reaction. J Am Chem Soc. 131 (6), 2208-2213 (2009).
- Jayamohan, H., et al. Highly sensitive bacteria quantification using immunomagnetic separation and electrochemical detection of guanine-labeled secondary beads. Sensors (Basel). 15 (5), 12034-12052 (2015).
- Kaittanis, C., Naser, S. A., Perez, J. M. One-step, nanoparticle-mediated bacterial detection with magnetic relaxation. Nano Lett. 7 (2), 380-383 (2007).
- Meeker, D. G., et al. Synergistic Photothermal and Antibiotic Killing of Biofilm-Associated Staphylococcus aureus Using Targeted Antibiotic-Loaded Gold Nanoconstructs. ACS Infect Dis. 2 (4), 241-250 (2016).
- Wang, Y., Ye, Z., Si, C., Ying, Y. Subtractive inhibition assay for the detection of E. coli O157:H7 using surface plasmon resonance. Sensors (Basel). 11 (3), 2728-2739 (2011).
- Zhao, X., et al. A rapid bioassay for single bacterial cell quantitation using bioconjugated nanoparticles. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (42), 15027-15032 (2004).
