该协议针对使用长读长测序平台对 结核分枝 杆菌中 18 个耐药区域进行靶向深度测序进行了优化,然后使用专为长读长数据设计的结核病特异性生物信息学管道进行分析。
方法文章
该协议针对使用长读长测序平台对 结核分枝 杆菌中 18 个耐药区域进行靶向深度测序进行了优化,然后使用专为长读长数据设计的结核病特异性生物信息学管道进行分析。
世界卫生组织 (WHO) 继续强调迫切需要一种快速、具有成本效益且用户友好的结核病 (TB) 和耐药结核病 (DR-TB) 诊断方法。世界卫生组织认可的下一代测序 (NGS) 技术显着改善了耐药结核病的检测。其中,靶向NGS(tNGS)能够集中检测与耐药性相关的基因突变,无需传统的基于培养的诊断。一种广泛使用的 tNGS 检测可提供快速、全面的药敏性测试,但主要针对高精度测序平台进行了优化。然而,这些测序系统的高成本限制了低收入和中等收入国家,特别是整个非洲的可及性。便携式测序技术提供了一种有前途的替代方案,提供了灵活性并降低了基础设施要求。在这项研究中,从利福平耐药结核病 (RR-TB) 分离株中提取 DNA,使用 tNGS 测定进行扩增,并在便携式测序平台上进行测序。相同的扩增产物也在高精度短读长测序平台上进行测序,作为参考。来自便携式测序仪的数据使用专为长读长测序设计的生物信息学管道进行处理,而短读长测序数据则使用已建立的基于网络的应用程序进行分析。分析表明,长读长测序方法成功识别了短读长测序检测到的高频抗性相关变异,但在检测低频变异方面存在局限性。
结核病仍然是全球死亡的主要原因,并带来了持续的公共卫生挑战,特别是在低收入和中等收入国家 1,2。尽管采取了旨在加强结核病控制措施的举措,但进展缓慢,部分原因是难以实现快速、准确、具有成本效益和全面的诊断技术 3,4,5。虽然线探针检测 (LPA) 和自动核酸扩增检测 (NAAT) 等分子诊断方法加快了结核病和耐药结核病 (DR-TB) 的鉴定速度,但其有限的突变检测限制了彻底的药敏试验 (DST)。这种限制在结核病高负担国家尤为明显 6,7,8,9。
为了解决这些局限性,世界卫生组织 (WHO) 建议使用下一代测序 (NGS) 技术,该技术已成为结核病监测和耐药性检测的有力工具10,11。全基因组测序 (WGS) 和靶向 NGS (tNGS) 方法都提供了更广泛的突变覆盖范围,能够识别多种药物中的耐药性相关变异 8,12,13,14,15。虽然全基因组测序(WGS)提供了全面的DST报告,但其对培养的依赖使其不适合快速诊断,因为培养可能需要长达六周的时间15,16,17。靶向NGS提供了更好的替代方案,因为它不依赖于培养;可以直接从临床标本18进行测序。因此,WHO 建议对 DST 使用三种 tNGS 测定: Deeplex Myc-TB 测定:该测定可检测对利福平、异烟肼、氟喹诺酮类、氨基糖苷类(阿米卡星、卡那霉素、卷曲霉素)、乙胺丁醇、吡嗪酰胺和乙硫异烟胺的耐药性 19,20,21。前哨结核病测定:该测定针对对利福平、异烟肼、氟喹诺酮类药物和二线注射药物的耐药性18,20。AQ-TB 测定:可识别对利福平、异烟肼、氟喹诺酮类药物和二线注射药物的耐药性。由于其高精度,这些检测已针对短读长平台的使用进行了优化20.另一方面,ONT MinION 长读长平台提供实时数据、可移植性和具有成本效益的实施潜力22,23。然而,NGS的广泛使用受到基础设施和成本需求的限制,特别是对于短读长系统10。
Deeplex 检测是三种推荐检测中最全面的。该检测最初设计用于对 18 个与 13 种抗结核药物耐药相关的区域进行多重 PCR。然而,WHO推荐用于10种抗结核药物,表明具有足够的敏感性和特异性。本研究对其进行了优化,以与长读长测序平台 ONT MK1B MinION 一起使用。该平台的便携式和可重复使用的流通池系统降低了每个样品的基础设施和潜在的测序成本4,22,23。虽然已经开发出其他长读长兼容的检测方法,但它们的 DST 范围往往有限,通常仅针对狭窄范围的耐药基因。相比之下,该检测提供了广泛的靶标覆盖范围,使其成为去中心化 DST24,25 更全面的诊断工具。表1提供了通过测定扩增的基因组靶标及其相应药物关联的详细列表,突出了测定的诊断能力25。
在提取DNA之前,必须在生物安全3级(BSL-3)条件下对样品进行净化和灭活,遵循必要的安全预防措施25,26,27。每次运行中都应纳入内部扩增和外部对照,并通过阴性对照和常规实验室评估跟踪污染25。测序后应评估重要的质量指标,包括读取深度、覆盖广度和扩增成功率。对于靶向测序,WHO建议每个扩增子的最小读取深度为100倍,并充分覆盖所有靶向耐药区域,以便检测存在于≥5%28的次要变异。世界卫生组织认可这些用于识别一线和二线药物耐药性的靶向测序方法,前提是质量保证体系已经建立,并且所有目标区域都得到充分覆盖28.
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
这项研究是作为 TS ELiOT 项目的一部分进行的,该项目于 2021 年 10 月 20 日获得了斯泰伦博斯大学人类研究伦理委员会 (HREC) 的伦理批准 (N21/09/093)。此外,它还获得了西开普省健康研究中心使用政府设施的授权。样本是通过与 NHLS 绿点和斯泰伦博斯大学的合作收集的,SU HREC 批准号为 N09/11/296。所使用的试剂和设备列在 材料表中。
1. 样品制备
2. ONT文库制备
3. 测序后分析
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
选择所选的 DNA 提取方法是因为与其他快速技术相比,其效率和产量更高。它始终如一地生产高质量的基因组 DNA (gDNA),并且集成了基于磁珠的纯化步骤有助于最大限度地缩短处理时间,同时降低每个样品的成本。这是通过消除对分光光度测量等额外质量控制评估的需求来实现的,荧光法是唯一的 DNA 定量工具。发现PCR后浓度在短读长和长读长平台上都是测序的最佳(表2)。通过琼脂糖凝胶电泳的片段分析进一步确认扩增子的完整性(图2)。然而,由于扩增子浓度不足,分离株 89 和 136 被排除在长读长测序之外,如表 2 和图 2 所示。
在长读长平台上从DNA提取到结果生成的完整工作流程在36小时内完成,不包括中断,并被证明与短读长测序所需的周转时间兼容(表3...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
长读长测序平台在这项研究中显示出显着的优势,特别是其能够实现快速测序和始终如一的高覆盖广度。在所有成功测序的分离株中,覆盖广度达到 99.9%,表明耐药性相关基因组区域几乎完全表示。所有靶基因的平均覆盖深度为4462X,其中eis基因的覆盖深度最高,为22,242.08X,rrs基因最低,为99.46X。这些值反映了平台为可靠的耐药性预测生成足够数据的能力4。
从DNA提取到结果生成的工作流程在36小时内完成,不包括中断,并且与短读长测序的周转时间兼容4,23。这种简化的过程,加上通过量子比特使用单个定量步骤和最少的质量控制检查,有助于减少手动作时间和每个样品的潜在成本23。然而,该工作流程的效率取决于关键步骤,例如高质量的DNA提取和精确的文库制备<...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
我们要对斯泰伦博斯大学 SAMRC 结核病中心提供必要的资源和设施表示诚挚的感谢。我们也非常感谢 TS ELiOT 研究提供了对这项研究不可或缺的样本。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 15毫升及1.5 mL或2 mL Lo结合管 | 埃彭多夫 | EP0030108051-250EA | |
| 1kb 梯形图 | 赛莫飞世尔科学 | SM0311 | |
| 2毫升螺旋帽管 | 科学专业公司 | P2TUB056C-0001.5ST | |
| 2毫米无菌玻璃珠 | 西格玛-奥尔德里奇 | Z273627-1EA | |
| AMPure XP珠 | 贝克曼·科尔特 | A63881 | |
| Deeplex Myc-TB | 基因屏 | 20090205 | |
| 电泳室 | 赛莫飞世尔科学 | A25977 | |
| 乙醇,纯净 | 西格玛-奥尔德里奇 | E7023-500ML | |
| FastPrep 均质器 | MP生物医学 | 116005500 | |
| 滤器移液器头(10号和微型;L) | 生物智能科学 | FT-10-R | |
| 滤液移液器头(1000 & micro;L) | 生物智能科学 | FT-1000-R | |
| 滤器移液器头(20 & micro;L) | 生物智能科学 | FT-20-R | |
| 滤水器移液器头(200 & micro;L) | 生物智能科学 | FT-200-R | |
| Flow-cell | 牛津纳米孔技术 | 弗洛-明尼苏达114 | |
| 加热块 | 埃彭多夫 | 5382000031 | |
| InstaGene矩阵 | 生物辐射 | BBRD7326030 | |
| 磁性机架与nbsp; | 赛莫飞世尔科学公司; | 12321D | |
| 微离心机 | 埃彭多夫 | 5406000046 | |
| 走狗 | 牛津纳米孔技术 | MK1B | |
| 本地条码套件 V14 | 牛津纳米孔技术 | SQK-NBD114.24 | |
| NEB Blunt/TA Ligase 母带混音 | NEB | M0367 | |
| NEBNext快速连接模块 | NEB | E6056 | |
| NEBNext Ultra II 终极修复/dA尾部模块 | NEB | E7546 | |
| 无核酸酶水(NFW) | 赛莫飞世尔科学 | AM9937 | |
| 移液器(P10、P20、P200和P1000) | 埃彭多夫 | EP3123000918-1EA | |
| 量子比特测验管 | 赛莫飞世尔科学 | Q32856 | |
| Qubit dsDNA HS 检测套件 | 赛莫飞世尔科学 | Q33231 | |
| 量子比特荧光仪 | 赛莫飞世尔科学 | Q33226 | |
| SYBR 安全DNA凝胶菌株 | 赛莫飞世尔科学 | S33102 | |
| 超纯琼脂糖 | 赛莫飞世尔科学 | 17852 | |
| 通用Hood III透光器(分子成像凝胶Doc XR系统) | 生物辐射 | 170-8170 | |
| 涡旋混合器 | 拉塞克 | WMBB0L0E0216 |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可