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In der klinischen Mikrobiologie stellt der Nachweis von Acinetobacter baumannii-Infektionen eine große Herausforderung dar. Dieses gramnegative Bakterium kann Infektionen mit schweren klinischen Symptomen verursachen, auch bei hohen Mortalitätsraten, insbesondere bei immungeschwächten Patienten1. Herkömmliche kulturbasierte Nachweismethoden für Erregerinfektionen sind zeitaufwändig und möglicherweise nicht empfindlich, was die Antibiotikabehandlung verzögern und die Patientenergebnisse beeinträchtigen kann. Die schnelle und genaue Identifizierung von A. baumannii ist entscheidend für eine wirksame Behandlung und Ausbruchskontrolle. Um diesen Bedarf zu decken, wurden molekulare Techniken mit Nukleinsäureamplifikation erforscht. Diese Ansätze erfordern jedoch oft hochentwickelte Temperaturwechselgeräte und können durch gut ausgebildete Techniker und gut etablierte Labore eingeschränkt werden. Um diese Herausforderungen zu bewältigen, konzentriert sich die Forschung zunehmend auf die Entwicklung isothermer Amplifikationsmethoden 2,3,4.
Die Rekombinase-Polymerase-Amplifikation (RPA) ist eine Methode, die von Piepenburg et al . 5 etabliert wurde und zur Amplifikation von DNA verwendet wird, ähnlich der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), jedoch ohne dass Temperaturzyklen erforderlich sind. Diese Methode umfasst 50 mM Tris (pH 7,5), 100 mM Kaliumacetat, 14 mM Magnesiumacetat, 2 mM DTT, 5% PEG20000 (ein Polyethylenglykol mit hohem Molekulargewicht), 200 μM dNTPs, 3 mM ATP, 50 mM Phosphokreatin, 100 μg/mL Kreatinkinase, 120 μg/mL UvsX, 30 μg/mL UvsY, 900 μg/mL Gp32, 30 μg/mL Bsu LF, 450 nM Primer und DNA-Vorlagen. Der Amplifikationsprozess beginnt mit der Bindung des Rekombinase-Proteins UvsX an Primer in Gegenwart von 3 mM ATP und 5% PEG20000 Bildung eines Rekombinase-Primer-Komplexes. Dieser Komplex ermöglicht dann die Kombination von Primern mit den homologen Sequenzen auf der doppelsträngigen DNA.
Mit Hilfe von UvsY erleichtert die Rekombinase UvsX den Austausch zwischen dem Primer und dem Template-Strang, was zur Verdrängung eines Strangs der Ziel-DNA führt. Gp32 trägt zur Aufrechterhaltung der einzelsträngigen DNA-Struktur bei. Schließlich dissoziiert die Rekombinase, und eine DNA-Polymerase (Bsu LF), die in der Lage ist, DNA-Stränge zu verdrängen, bindet an das 3'-Ende des Primers und verlängert ihn in Gegenwart von Desoxyribonukleosidtriphosphaten (dNTPs). Dieser Prozess wird zyklisch wiederholt, wodurch eine exponentielle Verstärkung erreicht wird. Alle Amplifikationsprozesse können innerhalb von 20-40 min und bei relativ konstanten Temperaturen zwischen 37 °C und 42 °C abgeschlossen werden. Dieser Temperaturbereich ist in etwa identisch mit physiologischen Temperaturen, was die Durchführung von RPA in einer minimalistischen Umgebung ermöglicht, was RPA zu einem vielseitigen und effizienten Werkzeug für den DNA-Nachweis und die DNA-Analyse macht.
Das System der Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR) und CRISPR-assoziierten Proteine (CRISPR-Cas) fungiert als adaptiver Immunmechanismus in Bakterien und Archaeen und umfasst Systeme der Klassen I und II. Klasse II umfasst Proteine wie Cas12 (a, b, f), Cas13 (a, b) und Cas14, die Ziel-DNA oder -RNA identifizieren und spalten, die von CRISPR-RNA (crRNA) gesteuert wird6,7,8 . LbaCas12a (oder Cpf1) ist eine crRNA-gesteuerte DNA-Endonuklease. Die crRNA dient als Leit-RNA innerhalb des CRISPR-Cas-Systems, wo sie mit Cas-Proteinen komplexiert. Es nutzt seine Spacerregion, um sich mit der Ziel-DNA zu paaren und den Proteinkomplex effektiv zu den Zielsequenzen zu lenken. Die Sequenz 5'-UAAUUUCUACUAAGUGUAGAU-3' dient als konservierte crRNA-Wiederholung, ein konstantes Element in allen LbaCas12a-crRNAs. Auf diese Wiederholung folgt ein zielspezifisches Segment, das sich je nach beabsichtigtem DNA-Ziel unterscheidet. Diese Zielsequenz ist zwischen 18 und 24 Nukleotide lang.
Die PAM-Sequenz (Protospacer-Adjacent Motif) (TTTV, wobei V A, C oder G sein kann) befindet sich am 5'-Ende des nicht-komplementären Strangs des DNA-Ziels. Der Cas12a-Schnitt zielt auf doppelsträngige DNA an der PAM-Sequenz ab. Anschließend führen die aktivierten Cas-Proteine eine unspezifische trans-Spaltung von einzelsträngiger DNA (ssDNA) durch9,10,11,12. Somit erfährt die mit einem Fluorophor und Quencher markierte ssDNA eine Spaltung, was zur Emission eines Fluoreszenzsignals nach der Kollateralspaltung führt 8,13. Die Fluoreszenzintensität kann mit einem Fluoreszenz-Reader für eine präzise Nukleinsäuredetektion quantifiziert werden14. Insbesondere wird Cas12a in großem Umfang für die DNA-Analyse verwendet, wobei seine Bindung und Spaltung von Zielsequenzen von der Erkennung des Protospacer-Nachbarmotivs (PAM) abhängt, während Cas13a unabhängig von einer solchen Anforderung arbeitet.
CRISPR-Cas-Systeme 15,16,17 erleichtern die Spaltung innerhalb einer einzigen Reaktion 18,19,20,21. Durch die Kombination der beiden oben genannten kann ein robustes Werkzeug geschaffen werden, das als A. baumannii-DETECTR (LbaCas12a-Enabled Detection of Targeted A. baumannii) für den Nukleinsäurenachweisbekannt ist 22,23,24. Dieses Protokoll demonstriert die Verwendung von RPA in Verbindung mit der DNase-Aktivität von Cas12a, um eine crRNA-gesteuerte Sequenz innerhalb des 16s-rDNA-Gens von A. baumannii spezifisch zu adressieren und zu spalten, wodurch ein sensitiver und präziser Nachweis des Erregers ermöglicht wird.
Die A. baumannii-DETECTR-Methode bietet gegenüber herkömmlichen Nachweismethoden mehrere Vorteile25,26. Erstens rationalisiert die isotherme Eigenschaft von RPA die Betriebsabläufe und senkt die Kosten durch seinen Thermocycler-unabhängigen Verstärkungsmechanismus5. Zweitens erhöht die Cas12a-Endonuklease die Spezifität des Assays durch crRNA-vermitteltes Targeting und Watson-Crick-Basenpaarung7. Schließlich spart die Ein-Röhrchen-Methode von A. baumannii-DETECTR nicht nur Zeit, sondern reduziert auch das Risiko einer Amplikonkontamination erheblich19.
Das Protokoll beschreibt die Schritte für die Extraktion der DNA-Extraktion, die Auswahl von Ziel-DNA-Sequenzen, das Design von Primern und crRNAs, die Konstruktion positiver rekombinanter Plasmide, die Einrichtung des Cas12a-RPA-Assays, die Optimierung der Optimierung der RPA-Amplifikation und die Visualisierung der Visualisierung der Ergebnisse unter Verwendung von Fluoreszenzdetektionsinstrumenten, wie z. B. einer Real-Time-PCR-Maschine. Komplett mit Sensitivitäts- und Spezifitätsbewertungen.
Die A. baumannii-DETECTR-Methode ist vielversprechend für die Verbesserung der Patientenergebnisse, indem sie eine rechtzeitige und effektive Behandlung, eine robuste Infektionskontrolle und die Eindämmung der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen ermöglicht. Dieses Protokoll kann als umfassender Leitfaden für die Implementierung der Cas12a-RPA-Technologie dienen und ihren Nutzen in verschiedenen Bereichen des Gesundheitswesens verbessern. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass jeder Schritt auf der Grundlage der spezifischen Laborbedingungen und der Vielfalt der Proben optimiert werden sollte, um konsistente und zuverlässige Ergebnisse zu gewährleisten.