מסופק הוא פרוטוקול לפיתוח בדיקת הגברת פולימראז רקומבינאז בזמן אמת כדי לכמת את הריכוז הראשוני של דגימות DNA באמצעות מחזורי תרמי או מיקרוסקופ ומחמם במה. כמו כן מתואר פיתוח של בקרה חיובית פנימית. סקריפטים מסופקים לעיבוד נתוני פלואורסצנטיות גולמיים בזמן אמת.
לאחרונה הוכח כי הגברת פולימראז רקומבינאז (RPA), פלטפורמת הגברה איזותרמית לזיהוי פתוגנים, עשויה לשמש לכימות ריכוז דגימת ה-DNA באמצעות עקומה סטנדרטית. בכתב יד זה, מסופק פרוטוקול מפורט לפיתוח ויישום בדיקת הגברת פולימראז רקומבינאז כמותית בזמן אמת (בדיקת qRPA). תוך שימוש בכימות DNA של HIV-1 כדוגמה, מתוארים כולם הרכבה של תגובות RPA בזמן אמת, עיצוב רצף בקרה חיובית פנימית (IPC) והגברה משותפת של ה-IPC והיעד המעניין. ניתנים הוראות ותסריטי עיבוד נתונים לבניית עקומה סטנדרטית באמצעות נתונים מניסויים מרובים, אשר עשויים לשמש לחיזוי ריכוז הדגימות הלא ידועות או להערכת ביצועי הבדיקה. לבסוף, מתוארת שיטה חלופית לאיסוף נתוני פלואורסצנטיות בזמן אמת עם מיקרוסקופ ומחמם במה כצעד לקראת פיתוח בדיקת qRPA נקודתית. הפרוטוקול והסקריפטים המסופקים עשויים לשמש לפיתוח בדיקת qRPA עבור כל יעד DNA מעניין.
הגברה חומצות גרעין הכמותית היא טכניקה חשובה לזיהוי של איכות הסביבה, foodborne, ופתוגנים שמקורן במים, כמו גם לאבחון קליני. תגובה בזמן אמת השרשרת של פולימראז כמותיים (qPCR) היא שיטת תקן הזהב לגילוי רגיש, ספציפי, וכמותי של חומצות גרעין, למשל, לHIV-1 בדיקה נגיפית עומס, זיהוי של חיידקים פתוגנים, ובדיקות סקר לאורגניזמים רבים אחרים – 1 3. במהלך זמן אמת qPCR, פריימרים להגביר DNA הפתוגן במחזורים, ואות ניאון שנוצרה היא פרופורציונאלי לכמות ה- DNA המוגבר במדגם בכל מחזור. מדגם המכיל ריכוז לא ידוע של DNA הפתוגן ניתן לכמת באמצעות עקומה סטנדרטית המתייחסת הריכוז הראשוני DNA של דגימות סטנדרטי והזמן שבו אות הניאון מגיעה לסף מסוים (כלומר, סף המחזור, או T C).
<p class="Jove_content"> מכיוון שזמן אמת qPCR דורש ציוד יקר תרמית רכיבה על אופניים וכמה שעות כדי לקבל תוצאות, טכניקות הגברה בידוד תרמיות חלופיות, כגון הגברה פולימראז recombinase (RPA), פותחו 4. פלטפורמות אלה בדרך כלל מספקות תוצאות מהירות יותר ולהגביר חומצות גרעין בטמפרטורה נמוכה יותר, בודדת, אשר עשוי להיות מושלמת עם ציוד פחות יקר, יותר פשוט. RPA, שהוא אטרקטיבי במיוחד עבור יישומי נקודה של טיפול, מגביר DNA בדקות, דורש טמפרטורה נמוכה הגברה (37 ° C), ונשאר פעיל בנוכחות של זיהומי 5,6. מבחני RPA פותחו עבור מגוון רחב של יישומים, כוללים ניתוח מזון, זיהוי פתוגן, הקרנת סמים סרטן, וזיהוי של סוכני biothreat 7-12. עם זאת, שימוש בRPA לכימות של חומצות גרעין הוגבל 13,14.בעבודה קודמת, זה היה shown שRPA כמותית בזמן אמת (qRPA) אינו ריאלי 15. כאן, פרוטוקול מפורט יותר ניתן לשימוש בזמן אמת RPA כמותיים לכמת דגימות ידועות באמצעות עקומה סטנדרטית, שיטה שדומה לכימות באמצעות qPCR. פרוטוקול זה מתאר כיצד לבצע תגובת RPA על Cycler תרמית לגילוי DNA HIV-1 כהוכחה של קונספט, כמו גם כיצד לפתח שליטה פנימית חיובית (IPC) כדי להבטיח את המערכת מתפקדת כראוי. איסוף נתונים באמצעות Cycler תרמית או ניתוח מיקרוסקופ ונתונים לבניית עקומת סטנדרט באמצעות נתוני אימון גם מפורט. לבסוף, השיטה לכימות דגימות ידועות באמצעות העקומה סטנדרטית עם תסריט מותאם אישית באה לידי ביטוי. טכניקה זו מאפשרת qRPA כימות של דגימות בריכוזים לא ידועים ויש לו יתרונות רבים על פני זמן אמת מסורתי qPCR.
תכנית 1. Cycler התרמי לתגובות qRPA בזמן אמת
2. הכן לניסויים בHIV-1 qRPA
3. להרכיב qRPA תקן Curve HIV-1
4. פיתוח פנימי חיובי בקרה
5. בניית עקומת סטנדרט מניסויים מרובים
6. Assay אימות וכימות של דגימות ידועות שימושעקומת הסטנדרט
7. הכנה לאיסוף נתונים באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי וצ'יפ מחומם
8. איסוף נתונים וAnalysis באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי
על מנת לקבל נתונים כימות משמעותיים באמצעות אלגוריתם MATLAB, המשתמש חייב לבחור ערכי קלט מתאימים כאשר תתבקשו לעשות זאת. לאחר ביצוע כל תסריט בסעיפים 5 ו -6, כל משתני הקלט שנשלחים באופן אוטומטי בחלון הפקודה ותפוקות נוצרות באופן אוטומטי. בסעיף 5.7 המשתמש יתבקש לבחור סף מדרון. הערך של סף המדרון משפיע על הריבוע של מקדם המתאם (r 2) לכושר. כאשר משתמשים בנתוני הקרינה גלם מיוצאים מCycler תרמית, ערכים בין 2.0 ו -5.0 נוטים להניב r 2 מקדם גבוה. בסעיף 5.8 המשתמש חייב לציין את מספר סטיות תקן מעל הרקע כדי לקבוע את הסף החיובי. להבקיע מדגם כחיובי או שלילי, התסריט קובע באופן אוטומטי מדגם Δ ההבדל בין המקסימום ומינימום הקרינה עבור כל דגימה באמצעות נתוני הקרינה הגלם המיוצאים מTHERMACycler l. היא מחשבת את ההבדל הממוצע רקע Δ ורקע σ סטיית תקן עבור דגימות שליטה כל לא-יעד. מדגם נחשב חיובי אם מדגם Δ הוא יותר מz × רקע σ מעל רקע Δ. בסעיף 5.10 המשתמש מחליט אם להשתמש בסף ברירת המחדל או להגדיר סף חדש. אם המשתמש רוצה לקבוע רף חדש, לקבוע את הסף החדש בניסוי על ידי ביצוע ניסויים 3 כל 12 תגובות RPA המכילות ללא כל נוכחים DNA HIV-1. הגדר את הסף בעלייה הממוצעת בעוצמת הקרינה מהניסויים אלה בתוספת 3 סטיות תקן. לאחר שסיימתי את סעיף 6, תסריט JoVE_qRPA_validation_and_quantification.m חוזר באופן אוטומטי את הריכוז המוערך DNA לכל תגובת qRPA (בlog10 עותקים). אם התסריט קובע כי אין DNA HIV-1 היה נוכח במדגם, המוערך הריכוז מופיע כאחד "Negative ל- HIV "או" לא חוקי, "תלוי אם אות הניאון לשליטה הפנימית החיובית גבוה מהסף (z × רקע σ + רקע Δ). אם משתמש אימות העקומה סטנדרטית עם מדגם ריכוזים ידועים, התסריט גם לחזור שולחן נוסף דומה לזה של טבלת 1.
על מנת לפתח assay RPA בזמן אמת המספק כימות מדויק, עקבי ניסיוני הוא קריטי. לדוגמא, השתמש באותה aliquots פריימר והבדיקה עבור שתי העקומה סטנדרטית וניסויים אימות. כמו כן להימנע להקפיא להפשיר מחזורים ידי אחסון aliquots פריימר והבדיקה על 4 מעלות צלזיוס בין ניסויים ולא -20 ° C. Aliquots התבנית המשמש לניסויים העקום ואימות הסטנדרטי מאוחסן באותו אופן. כדורי RPA אנזים וריאגנטים מאותו הרבה משמשים על פי המלצות היצרן. לבסוף, becaלהשתמש RPA חסר 'מחזורים' אמיתיים לשלוט במדויק את השיעור של הגברה, סטנדרטיזציה של צעדי משתמש היא הכרחית לחלוטין. כשהרכבת תגובות, המשתמש חייב תמיד לבצע את אותן הפעולות באותו סדר, מבלה בערך אותה הכמות של זמן בכל שלב. תגובות חייבים תמיד להיות מעורבות בעדינות עם קצה פיפטה חדש, ובועות חייבות תמיד להיות מסולקות. לפני ההגברה, תגובות חייבת להיות מוחזקות בטמפרטורה עולה בקנה אחד, וCycler התרמית או תוכנת מיקרוסקופ חייבת תמיד להיות מוכנה לפני טעינת תגובות כדי למנוע כל הגברה בטמפרטורות תת-אופטימליים שיכול להשפיע על כימות. כל וריאציה בתנאי התגובה הראשוניות עשויה להוביל לחוסר עקביות בתוצאות ניסוי.
בעת השימוש במיקרוסקופ כדי לאסוף נתונים, משתנים נוספים חייבים להיות מבוקרים כדי למזער את השונות בעוצמת הקרינה. כל התגובות חייבות להיות ממוקמות באותו האזור על חם הבמה, וmicroscoPE חייב להיות ממוקד באותו האזור של הבאר לכל מדגם. גם אם פרקטיקות אלה הן אחריו, נתוני הקרינה נאספו על מיקרוסקופ עשויים להפגין השתנות בשל כתמים בהירים היוצרים באופן טבעי מקומיים במהלך תגובות RPA, היווצרות בועה בתוך תאי התגובה, או photobleaching כתוצאה מחשיפה חוזרת ונשנית לעירור אור. ההשפעה של משתנים אלו באה לידי ביטוי בנתוני הקרינה נאספו על המיקרוסקופ (איורים 4 א ו -4 ב), המדגימים השתנות בסיסית, פסגות, ושקתות. תכונות אלה נעדרות מנתוני הקרינה נאספו על Cycler התרמית (איורים 3 א ו 3 ב '). סופו של דבר, איסוף נתונים על מיקרוסקופ הוא למטרות הוכחה של עיקרון בלבד וassay הסופי ייושם על קורא הקרינה שדה-נתיח עם גיאומטריה מדויקת יותר ושליטה בתוכנה שממזערת המשתנים הללו.
חשוב נוסףהיבט של תהליך פיתוח assay qRPA הוא עקביות בעיבוד נתונים. הפרוטוקול שתואר בסעיף השיטות משתמש בסקריפטים לעבד נתונים גולמיים הקרינה (מאוחסנים בקובץ גיליון אלקטרוני) שנאספו מCycler או מיקרוסקופ תרמית. כל הניסויים המשמשים לבניית עקומת הסטנדרט חייבים להיות מעוצבים באופן זהה. בעת השימוש בCycler תרמית כדי לאסוף נתונים, יש להשתמש באותה פריסת צלחת, ונתונים מבארות שאינו מכילים תגובות RPA לא חייבים להיות מיוצאים. בעת השימוש במיקרוסקופ כדי לאסוף נתונים, הפורמט של הנתונים חייב להיות תואם לפורמט של הנתונים המיוצאים באופן אוטומטי מCycler התרמית. לדוגמא, הנתונים לא-יעד-שליטה חייבים להיות בC2 תאים: C61, ונתונים להגדלת ריכוזי תבנית חייב להיות בתאי D2: D61, E2: E61, וכו 'אם יש חזרות מרובות של כל ריכוז בניסוי, סדרת דילול 2 nd לשכפל יש להזמין משמאל לימין מכל שליטת יעד (NTC) לריכוז הגבוה ביותר ונשמר בעמודות באופן מיידי לזכותו של רח '1 סדרת דילול לשכפל. לדוגמא, בפריסת צלחת שימוש בסעיף 1.2 עם 2 משכפל עבור כל דגימה, נתוני הקרינה ללשכפל 1 של כל דגימה בסדרת הדילול יש לשמור בתאי C2: נתוני H61 וקרינה ללשכפל 2 של כל דגימה ב סדרת הדילול יש לשמור בI2 תאים: N61. לפריסת צלחת שימוש בסעיף 1.2, זוהי ברירת המחדל עיצוב בעת יצוא נתונים מהתוכנה Cycler תרמית לגיליון אלקטרוני.
נציגי נתונים שסופקו מניסויי HIV-1 qRPA להפגין את תמיכת הוכחה של הקונספט שRPA עשוי לשמש לכימות של ריכוז חומצת גרעין בדגימות ידועות. יש לי בדיקות עומס שימושיות קליני HIV-1 נגיפיות טווח קליני של לפחות 4 סדרי גודל, דיוק של 0.5 log10 עותקים, וזיהוי גבול-של-של לפחות 200 עותקים 19,20. Assay DNA HIV-1 תאר פוגש cr אלהiteria והמדויק ביותר בריכוזים נמוכים, כפי שמוצגים בטבלה 1. לכן, עם הצטרפותם של צעד transcriptase הפוך, תוצאות אלו מצביעות על כך שassay HIV-1 RT-RPA ייתכן שיש לו את הפוטנציאל למדוד HIV-1 עומס נגיפי ב דגימות קליניות. בעת פיתוח assay qRPA, התאמת פרמטרי האלגוריתם רשאי לכוון את הטווח דינמי הרגישות וליניארי בהתאם לצרכים קליניים. איור 6 מראה כי התאמת z (פרמטר הקובע את הסף לדגימות חיוביות) יכולה להשפיע על הרגישות ודיוק בנמוכה וגבוה ריכוזי יעד. יתר על כן, ייתכן שניתן להגדיל את הרזולוציה ודיוק של כימות על ידי דוגרים תגובות בטמפרטורה נמוכה יותר או באמצעות אצטט מגנזיום פחות, ובכך להקטין את השיעור של הגברה.
הוכחה זו של assay qRPA מושג יכולה לשמש כדי לכמת את הריכוז של דגימות המכילות DNA HIV-1. Assay qRPA המתואר בma זהnuscript כולל הוראות מפורטות כיצד להרכיב תגובות RPA בזמן אמת, לפתח ומסך IPC, ולעבד את נתוני הקרינה גלם לבניית עקומה סטנדרטית שניתן להשתמש בי לכמת דגימות ידועות. עם ההוראות מפורטות כלולות, פרוטוקול זה יכול להיות מותאם ללכמת ריכוז ה- DNA במגוון רחב של דוגמאות.
The authors have nothing to disclose.
qRPA Assay | |||
HIV-1 forward primer | Integrated DNA Technologies | custom DNA oligos | 5’-TGG CAG TAT TCA TTC ACA ATT TTA AAA GAA AAG G-3’ |
HIV-1 reverse primer | Integrated DNA Technologies | custom DNA oligos | 5’-CCC GAA AAT TTT GAA TTT TTG TAA TTT GTT TTT G-3’ |
HIV-1 probe | BioSearch Technologies | custom DNA oligos | 5’- TGC TAT TAT GTC TAC TAT TCT TTC CCC [SIMA/HEX] GC [THF] C [dT-BHQ1] GTA CCC CCC AAT CCC C -3’ |
IPC probe | BioSearch Technologies | custom DNA oligos | 5’-AGG TAG TGA CAA GAA ATA ACA ATA CAG GAC [FAM] T [THF] T [dT-BHQ1] GGT TTT GTA ATT GGA A -3’ |
RPA exo reagents (pellets, rehydration buffer, magnesium acetate | TwistDx | TwistAmp exo | |
PCR tube strips | BioRad | TLS0801 | |
PCR flat cap tube strips | BioRad | TCS0803 | |
Micro-seal adhesive | BioRad | 558/MJ | |
HIV-1 target (pHIV-IRES- eYFPΔEnvΔVifΔVpr) | custom plasmid, see: Segall, H. I., Yoo, E. & Sutton, R. E. Characterization and detection of artificial replication-competent lentivirus of altered host range. Molecular Therapy 8, 118–129, doi:10.1016/S1525-0016(03)00134-5 (2003). | ||
Human male genomic DNA | Applied Biosystems | 360486 | |
96 well cold-block | Cole Parmer | EW-36700-48 | |
Thermal cycler | BioRad | CFX96 | |
MiniFuge | VWR | 93000-196 | |
Vortex | VWR | 58816-121 | |
Tris buffer 1.0 M, pH 8.0 | EMD Millipore | 648314 | |
EDTA 0.5 M, pH 8.0 | Promega | V4321 | |
Nuclease free water | Ambion | AM9937 | |
IPC Development | |||
Cryptosporidium parvum IPC template | Waterborne Inc | P102C | It is also possible to order a double stranded synthetic target from IDT if the user is unequipped to work with C. parvum (a BSL-2 infectious agent). PCR and RPA primers for C. parvum were designed using GenBank accession number AF115377.1 |
PCR long forward primer | Integrated DNA Technologies | custom DNA oligos | 5’-TGG CAG TAT TCA TTC ACA ATT TTA AAA GAA AAG G/ ATC TAA GGA AGG CAG CAG GC-3’ |
PCR long reverse primer | Integrated DNA Technologies | custom DNA oligos | 5’- CCC GAA AAT TTT GAA TTT TTG TAA TTT GTT TTT G/ TGC TGG AGT ATT CAA GGC ATA -3’ |
Phusion High-Fidelty DNA Polymerase | New England Biolabs | M0530S | |
Qiaquick Gel Extraction Kit | Qiagen | 28704 | |
TAE 10X buffer | EMD Millipore | 574797 | |
Agarose | Sigma Aldrich | A9539 | |
Microscope Experiments | |||
Upright fluorescence microscope | Zeiss | Zeiss Imager.J1 | |
Stage heater | Bioscience Tools | TC-GSH | |
1-Channel Precision High Stability Temperature Controller | Bioscience Tools | TC-1100S | |
FAM/GFP filter cube | Zeiss | filter set 38 (000000-1031-346) | excitation BP 470/40 nm, emission BP 520/50 nm |
HEX filter cube | Chroma | 49014 | excitation BP 530/30 nm, emission BP 575/40 nm |
Laser cutter | Engraver's Network | VLS3.60 | |
1/8" black acrylic | McMaster Carr | 8505K113 | |
1.5 mm clear acrylic | McMaster Carr | PD-72268940 | |
Super glue | Office Depot | Duro super glue | |
PCR grade mineral oil | Sigma Aldrich | M8662-5VL | |
Data Analysis | |||
Microsoft Excel | Microsoft | ||
MATLAB | MATLAB | ||
MATLAB script: "JoVE_qRPA_standard_curve.m” | Included in SI | ||
MATLAB script: "JoVE_qRPA_validation_and_quantification.m” | Included in SI | ||
MATLAB script: "JoVE_real_time_intensity_to_excel.m” | Included in SI | ||
Adobe Illustrator | Adobe | ||
JoVE_qRPA_well.ai | Included in SI | ||
JoVE_qRPA_base.ai | Included in SI | ||
AxioVision software | Zeiss | ||
JoVE_AxioVision_Script.ziscript | Included in SI |