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Research Article
Julia Häring*1, Tanja Michel*1, Matthias Becker1, Daniel Junker1, Tatia Tchitchagua2, Olaf Leschnik2, Berit Lange3,4, Stefanie Castell3,4, Gérard Krause3,4, Monika Strengert3, Alex Dulovic1, Nicole Schneiderhan-Marra1
1NMI Natural and Medical Sciences Institute at the University of Tübingen, 2Department of Neurology,Sächsisches Krankenhaus Rodewisch, 3Department of Epidemiology,Helmholtz Centre for Infection Research, 4German Centre for Infection Research (DZIF)
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Se utilizó un sistema de análisis de flujo de fluorescencia de doble reportero de tres canales para desarrollar un inmunoensayo múltiple basado en perlas que evalúa simultáneamente muestras de suero para IgG e IgM provocadas contra múltiples antígenos de diferentes especies de Borrelia que causan borreliosis de Lyme en Europa y América del Norte.
Para monitorizar la progresión de las enfermedades infecciosas, es útil evaluar la inmunorreactividad frente a diversos determinantes antigénicos y medir diferentes isotipos de anticuerpos, ya que aparecen en diferentes etapas de la respuesta inmunitaria del huésped. En el caso de la borreliosis de Lyme, el agente patógeno puede ser uno de los múltiples miembros de la especie Borrelia . Por lo tanto, la correcta clasificación de las muestras requiere evaluar la inmunorreactividad frente a diferentes antígenos de diferentes especies de Borrelia . Además, las respuestas de IgG e IgM antipatógenas pueden tener diferentes cursos de tiempo de elicitación durante la progresión de la enfermedad. Aquí demostramos el desarrollo de un inmunoensayo múltiple de dos reporteros que tiene utilidad para identificar la respuesta inmune específica de Borrelia en muestras de suero humano mediante la evaluación simultánea de la inmunorreactividad de IgG e IgM contra diferentes antígenos bacterianos en el mismo pozo de reacción. Este enfoque de doble informante conserva el rendimiento analítico de los métodos de un solo informador, al tiempo que conserva tiempo y recursos y reduce los requisitos de tamaño de muestra. Este ensayo permite generar esencialmente el doble de información serológica a partir de una muestra de sangre en la mitad de tiempo.
La borreliosis de Lyme es la enfermedad infecciosa transmitida por garrapatas más común en climas moderados del hemisferio norte1. Es causada por bacterias espiroquetas del género Borrelia, con cinco patógenos humanos conocidos que varían en distribución geográfica2. Las principales especies patógenas de Borrelia en Europa son B. afzelii y B. garinii, con B. burgdorferi s.s., B. spielmanii y B. bavariensis implicadas con menor frecuencia. En América del Norte, B. burgdorferi s.s. es el único agente causal de la borreliosis de Lyme 2,3. Los patógenos de Borrelia son transmitidos por miembros del género de garrapatas Ixodes, y la transmisión puede ocurrir dentro de las 24 horas posteriores a la picadura de garrapata4.
El diagnóstico de la borreliosis de Lyme generalmente se realiza mediante síntomas clínicos y posteriormente se confirma mediante serología. Tanto en Europa como en América del Norte, las guías diagnósticas recomiendan una serie de pruebas en dos pasos que consiste en un ensayo de inmunoabsorción ligado a enzimas (ELISA) con un inmunoblot reflejo para evaluar la respuesta de anticuerpos contra antígenos específicos de Borrelia 1,5,6,7,8,9 . Sin embargo, este enfoque carece de sensibilidad y no es óptimo, especialmente en la fase temprana de la infección, cuando la seroconversión puede ser incompleta y los títulos de IgG e IgM anti-Borrelia son demasiado bajos6.
Los inmunoensayos multiplex mejoran los inmunoensayos tradicionales que miden solo un objetivo a la vez, y pueden evaluar simultáneamente múltiples respuestas de isotipos de anticuerpos contra uno o más antígenos 10,11,12. Los ensayos como los ELISA se limitan a identificar y cuantificar un solo analito por reacción, en el caso actual de IgG o IgM circulante inducida contra un único antígeno bacteriano tras la infección por Borrelia. Este informe ilustra el uso de la tecnología de perfil de analito basada en perlas para el desarrollo de un inmunoensayo multiplex que detecta simultáneamente anticuerpos IgG e IgM contra cualquiera de los antígenos de Borrelia aquí elegidos en muestras de suero humano. Se seleccionaron cuatro antígenos que en conjunto cubren las especies patógenas de Borrelia nativas de Europa más comunes (B. garinii, B. afzelii, B. burgdorferi s.s.) y América del Norte (B. burgdorferi s.s.) (Tabla 1) 2,3. Esto permite una identificación decisiva del patógeno y la capacidad de discernir la inmunorreactividad temprana de la IgM y la posterior inmunorreactividad de la IgG más duradera en las muestras de los pacientes.
| Isotipo objetivo | Canal Reportero | Antígeno | Especies de Borrelia | Colar | Concentración de acoplamiento de antígeno |
| Igm | PEI | OspC | B. garinii | 20047 | 5,0 μg/106 perlas |
| IgG | BV421 | VlsE | B. burgdorferi s.s | B31 | 1,25 μg/106 perlas |
| IgG | BV421 | DbpA | B. burgdorferi s.s. | ZS7 | 10,0 μg/106 perlas |
| IgG | BV421 | DbpA | B. afzelii | PKo | 5,0 μg/106 perlas |
Tabla 1: Antígenos representativos de Borrelia utilizados para el desarrollo de ensayos múltiples.
Inicialmente, desarrollamos un inmunoensayo de un solo reportero que detectaba anticuerpos IgG o IgM contra el antígeno anti-Borrelia en dos reacciones separadas y luego fusionamos estos ensayos en un ensayo múltiplex de doble reportero que mide ambos isotipos de anticuerpos en la misma mezcla de reacción. Las perlas magnéticas se acoplan a un antígeno diana del patógeno de interés y luego se incuban con muestras de suero del paciente. El antígeno acoplado a perlas es reconocido y capturado tanto la IgG como la IgM circulantes en el suero que se genera en una respuesta inmunitaria contra ese antígeno patógeno. La especificidad de IgG frente a IgM se determina mediante la selección de un anticuerpo secundario que se une a IgG o IgM, cada uno con una señal de fluoróforo distinta asociada a los dos anticuerpos secundarios. Cada señal fluorescente se detecta en uno de los dos canales reporteros del instrumento (es decir, doble reportero) que tiene un láser de excitación diferente y una captura de emisión específica para el fluoróforo único utilizado para detectar IgG o IgM (aquí Brilliant Violet 421 o ficoeritrina, respectivamente). El canal de clasificación del instrumento identifica el tinte codificado por colores que es inherente a los diferentes conjuntos de cuentas. Por lo tanto, se pueden acoplar múltiples antígenos diana a perlas teñidas de manera diferente, y los conjuntos de perlas se mezclan y se utilizan para evaluar de manera integral la inmunorreactividad antipatógena diversa en muestras de suero. El canal de clasificación identifica cada conjunto de perlas individuales (es decir, antígeno específico) y mide la fluorescencia asociada con IgG o IgM frente a ese antígeno. El ensayo multiplex resultante ahorra tiempo y recursos en comparación con las pruebas clásicas menos exhaustivas y cataloga con precisión la inmunorreactividad de la enfermedad de Lyme en volúmenes de muestra limitados. Mientras que un enfoque similar de doble reportero se ha utilizado anteriormente para categorizar las respuestas inmunitarias en otras patologías como la infección por SARS-CoV-213, este informe detalla la aplicación de la tecnología de ensayo fluorescente multiplex para caracterizar la inmunorreactividad en la borreliosis de Lyme.
Se recibió la aprobación apropiada de la Junta de Revisión Institucional y el Comité de Ética para el uso de muestras de suero humano en esta serie experimental. Las muestras fueron materiales residuales anonimizados de un estudio nacional alemán de seroprevalencia del SARS-CoV-214. La aprobación para el uso de muestras humanas fue otorgada por el Comité de Ética de la Facultad de Medicina de Hannover, Alemania (9086_BO_S_2020). En el presente estudio se utilizaron un total de 21 muestras de suero humano.
1. Aprobación ética para el uso de muestras humanas
2. Reactivos y equipos
3. Acoplamiento de antígenos
4. Procedimiento de ensayo: Ensayo serológico de IgG o IgM de un solo reportero: formato de 96 pocillos
5. Procedimiento de ensayo: Ensayo serológico de IgG e IgM de doble reportero: formato de 96 pocillos
6. Ensayo serológico de IgG e IgM de doble reportero: formato semiautomatizado de 384 pocillos
Visión general del experimento
En la Figura 1 se muestran los esquemas generales para los ensayos de Borrelia basados en perlas de un solo reportero y de doble reportero. En el caso de las dianas de anticuerpos individuales (es decir, IgG o IgM) generadas contra un antígeno de Borrelia determinado, ambas clases de anticuerpos se evaluaron de forma independiente en muestras de suero humano utilizando un anticuerpo antiisotipo conjugado con PE para su notificación. Para el ensayo de doble reportero con análisis simultáneo de la inmunorreactividad de IgG e IgM, la detección de IgG específica del antígeno de Borrelia utilizó un sistema reportero de estreptavidina (fluorescencia azul) marcado con IgG humana + BV421 biotinilado, al tiempo que conservó el reportero conjugado con PE (fluorescencia naranja) para la detección de IgM. El flujo de trabajo del ensayo de doble reportero es similar al del ensayo de un solo reportero, con la excepción de una incubación adicional del sistema de detección de 30 minutos con el reactivo de detección de fluorescencia de segundo canal BV421-Estreptavidina.

Figura 1: Esquema de los ensayos de Borrelia basados en perlas de un solo reportero y de doble reportero. (A) El instrumento de un solo reportero se utilizó para desarrollar y validar inicialmente el ensayo basado en perlas que caracterizó la IgG o la IgM anti-Borrelia individualmente, ambas utilizando una etiqueta reportera fluorescente de ficoeritritina (PE) que emite señal en los espectros "naranjas". Cualquier antígeno de Borrelia deseado puede acoplarse a las perlas y utilizarse para capturar y cuantificar la IgG o la IgM presentes en las muestras de suero. Se necesitan dos inmunoensayos separados para evaluar la reactividad de IgG e IgM frente a un antígeno determinado. (B) El sistema de doble reportero permitió el análisis simultáneo de muestras de suero para anticuerpos IgG e IgM contra cualquier antígeno individual de Borrelia en el mismo pocillo. Este enfoque utiliza el mismo anticuerpo de detección conjugado con PE para dirigirse a la IgM anti-Borrelia , pero reemplaza la detección de IgG de un sistema basado en PE al uso de un anticuerpo de detección primaria biotinilado y estreptavidina marcada con BV421 (un emisor "azul") que necesita un paso de incubación adicional del sistema de detección de 30 minutos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Precisión intraensayo
El análisis de correlación de Spearman para tres antígenos representativos de Borrelia (Figura 2) demostró una reproducibilidad uniforme de los valores de IMF al detectar anticuerpos anti-Borrelia presentes en sueros humanos.

Figura 2: Precisión intra-ensayo del ensayo Borrelia basado en perlas de doble reportero. El análisis de correlación de Spearman mostró una alta precisión intraensayo del ensayo de doble reportero cuando se utilizó un sistema de detección de PE para detectar anticuerpos IgM específicos de Borrelia (A) y un sistema de detección BV421 para detectar anticuerpos IgG específicos de Borrelia (B, C). Un total de 21 muestras de suero fueron analizadas por duplicado mediante un procedimiento semiautomatizado. En cada gráfico, las señales de MFI se trazaron entre sí y se analizaron mediante regresión lineal. Una curva lineal (x=y) mostrada como una línea discontinua roja indica señales MFI idénticas para los sistemas de detección. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Precisión entre ensayos
Se observó una buena reproducibilidad ensayo a ensayo con el ensayo de doble reportero. Los gráficos de Levey-Jennings (Figura 3) con los valores de IMF de una muestra de control de calidad medida durante siete corridas independientes demostraron la alta precisión entre ensayos para todos los antígenos representativos. El coeficiente de variación porcentual promedio (CV% = desviación estándar/media × 100) de los cuatro antígenos representativos de Borrelia fue del 5,3%.
Linealidad de dilución
Debido a que el ensayo original de un solo reportero y el nuevo ensayo de doble reportero emplean diferentes plataformas de citometría de flujo, comparamos las salidas de fluorescencia medianas del mismo inmunoensayo de antígeno entre los dos instrumentos de citometría de flujo (Figura 4). Las series de dilución de muestras proporcionaron curvas de dilución lineales para la evaluación de IgM e IgG, con un buen paralelismo de dosis-respuesta entre los instrumentos a lo largo de todo el rango de dilución evaluado (1:100-1:12.800).

Figura 3: Precisión entre ensayos del ensayo Borrelia basado en perlas de doble reportero. Para la evaluación de la precisión entre ensayos, se analizó la respuesta de anticuerpos IgM (A) e IgG (B-D) específicos de Borrelia de una muestra de control de calidad en siete corridas independientes, en pocillos duplicados cada vez. Los ensayos se realizaron manualmente. Los valores de MFI se trazaron en un gráfico de Levey-Jennings. Una línea verde da la media de todos los valores. Dos líneas discontinuas rojas indican el rango de tolerancia de la precisión entre ensayos. Esto se calculó a partir del valor medio ± 2,5 veces la desviación estándar (2,5 DE). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Linealidad de dilución del ensayo de Borrelia basado en perlas de doble reportero. A diluciones de muestra de 100 a 12.800 veces, las curvas de dilución para la detección de IgM (A) y la detección de IgG (B) fueron similares cuando se realizaron manualmente con el instrumento de un solo reportero y el instrumento de doble informador. En todas las diluciones analizadas, los valores de MFI fueron ligeramente más altos utilizando el instrumento de reportero único (símbolos rojos) que el instrumento de reportero dual (símbolos azules). Se muestran curvas de dilución para 2 antígenos representativos, y cada punto de dilución representa la medición promedio de pocillos por triplicado con desviación estándar (SD *) indicada por barras de error. Nota: Las SD pequeñas no son visibles a esta escala. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Materiales complementarios. Haga clic aquí para descargar este archivo.
Los autores no tienen nada que revelar.
Se utilizó un sistema de análisis de flujo de fluorescencia de doble reportero de tres canales para desarrollar un inmunoensayo múltiple basado en perlas que evalúa simultáneamente muestras de suero para IgG e IgM provocadas contra múltiples antígenos de diferentes especies de Borrelia que causan borreliosis de Lyme en Europa y América del Norte.
Este informe fue financiado por Luminex (Austin, TX). Los autores agradecen a Matthew Silverman PhD (Biomedical Publishing Solutions, Ciudad de Panamá, FL; mattsilver@yahoo.com) por su asistencia analítica y científica en la edición. Los autores también agradecen a Harald Klein y Christoph von Eichel-Streiber de tgcBIOMICS GmbH (Bingen, Alemania) por proporcionar los antígenos de Borrelia utilizados en el estudio. Se obtuvieron muestras de suero humano para la validación técnica de ensayos y el control de calidad de: 1) el Estudio de Prevalencia Multilocal y en Serie de Anticuerpos contra el SARS-CoV-2 en Alemania a través del Departamento de Epidemiología, Centro Helmholtz de Investigación de Infecciones, Braunschweig, Alemania; y 2)el Departamento de Neurología, Sächsisches Krankenhaus Rodewisch (Rodewisch, Alemania). La aprobación para el uso de muestras humanas fue otorgada por el Comité de Ética de la Facultad de Medicina de Hannover, Alemania (9086_BO_S_2020).
| Número de | catálogo Cabra | ||
| biotinilada Anti-IgG Jackson | ImmunoResearch (Dianova) | 109-066-098 | |
| Violeta brillante 421-estreptavidina | BD Biosciences | 563259 | |
| burro antihumano IgM | Jackson ImmunoResearch (Dianova) | 709-116-073 | |
| Borrelia Antigens | tgcBIOMICS (Bingen, Alemania) | ||
| Coupling Reagents | |||
| 1-Ethyl-3-[3-dimetilaminopropil]clorhidrato de carbodiimida (EDC) | Thermo Scientific Pierce | 77149 ProteoChem (100 mg) | |
| 10x PBS | Fisher Scientific | BP399-4 | |
| BSA | Carl Roth | T844.3 | |
| MES (ácido 2-etanosulfónico; tampón zwitteriónico) | Carl Roth | 4256.2 | |
| Na2HPO4 | Carl Roth | 4984.1 | |
| ProClin300 | Sigma | 48914-U | |
| Sulfo-NHS (N-hidroxisulfosuccinimida) | Thermo Scientific Pierce | 24510 (500 mg) | |
| Triton X-100 | Thermo Scientific | 85111 | |
| Instrumentación y suministros de laboratorio auxiliares | Source | ||
| Placa de 384 pocillos | Corning, Cat# 3570 | ||
| Placas de 96 pocillos para pocillos profundos | ThermoFisher Scientific, Cat# 95040450 | ||
| placas de media área de 96 pocillos | Corning, Cat# 3690 | ||
| Lavadora de placas BioTek 405 TS | BioTek Instruments/Agilent Technologies, Santa Clara, CA | ||
| Lavadora de placas BioTek MultiFlo FX | BioTek Instruments/Agilent Technologies, Santa Clara, CA | ||
| Imán de espín DynaMag (para aislar perlas en tubos de microcentrífuga) | ThermoFisher, Cat# 12320D | ||
| Flexmap 3D (instrumento de dos canales, un solo reportero) | Luminex Corp., Austin, TX | ||
| Procesador de partículas magnéticas KingFisher (para aislar perlas en placas de 96 pocillos) | ThermoFisher, Cat# A31508 | ||
| Microesferas MagPlex (magnéticas, fluorescentes, 6.5-& perlas de diámetro m) | Luminex Corp., Austin, TX | ||
| Placas SmartBlock | Eppendorf, Cat# 5363000039 | ||
| ThermoMixer C | Eppendorf, Cat# 5382000015 | ||
| ThermoTop | Eppendorf, Cat# 5308000003 | ||
| xMAP Intelliflex (instrumento de tres canales, doble reportero) | Luminex Corp., Austin, TX |