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Research Article
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Istruzioni dettagliate sono fornite per costruire un fluorimetro modulare open source compatibile con molti riscaldatori a basso costo per eseguire l'amplificazione dell'acido nucleico isotermico quantitativo in tempo reale.
I metodi tradizionali per rilevare e quantificare gli acidi nucleici si basano sulla reazione a catena della polimerasi (PCR) e richiedono l'uso di costosi termocicli con rilevamento integrato della fluorescenza delle ampliconi. Le tecnologie di amplificazione dell'acido nucleico isotermico eliminano la necessità di ciclo termico; tuttavia, il rilevamento dei prodotti basato sulla fluorescenza è ancora necessario per risultati quantitativi in tempo reale. Sono ora disponibili in commercio diversi riscaldatori isotermici portatili con rilevamento integrato della fluorescenza; tuttavia, il costo di questi dispositivi rimane un ostacolo significativo all'adozione diffusa in contesti limitati alle risorse. Qui è descritto un protocollo per la progettazione e l'assemblaggio di un fluorimetro modulare a basso costo costruito con componenti preconfezionati. Racchiuso in un alloggiamento compatto stampato in 3D, il fluorimetro è progettato per essere posizionato in cima a un blocco di calore disponibile in commercio che tiene un tubo PCR. Il fluorimetro qui descritto è stato ottimizzato per rilevare il colorante isotiocianato di fluoresceina (FITC), ma il sistema può essere modificato per l'uso con coloranti comunemente usati come reporter nelle reazioni di amplificazione dell'acido nucleico in tempo reale. L'applicabilità clinica del sistema è dimostrata eseguendo il rilevamento di acidi nucleici in tempo reale con due tecnologie di amplificazione isotermica: l'amplificazione della polimerasi ricombinante (RPA) per il rilevamento del DNA di controllo positivo fornito in un kit commerciale e l'amplificazione isotermica mediata da loop di trascrizione inversa (RT-LAMP) per il rilevamento di livelli clinicamente significativi di RNA SARS-CoV-2.
Le tecnologie di amplificazione isotermica sono ampiamente utilizzate per l'individuazione degli acidi nucleici. Rispetto ai tradizionali approcci PCR che richiedono il termociclismo, l'amplificazione isotermica consente l'amplificazione dell'acido nucleico a una singola temperatura, consentendo così tempi di risultati più rapidi e una migliore tolleranza degli inibitori1,2. Un altro vantaggio chiave dell'amplificazione isotermica è la ridotta complessità della strumentazione. La maggior parte delle reazioni di amplificazione isotermica richiede solo un blocco termico e una modalità di rilevamento- rilevamento in tempo reale tramite monitoraggio della fluorescenza o rilevamento degli endpoint, ad esempio per flusso laterale o elettroforesi del gel3,4. Il rilevamento della fluorescenza in tempo reale viene effettuato attraverso il rilevamento della fluorescenza prodotta da coloranti intercalanti che si attivano in presenza di DNA a doppio filamento o sonde fluorescenti tempre che si attivano in presenza di specifiche sequenze di DNA a doppio filamento.
Mentre esistono fluometri isotermici da banco disponibili in commercio, molti mancano di personalizzazione per l'implementazione del saggio. Ad esempio, molti dispositivi richiedono materiali di consumo specifici o forniti dall'azienda, consigliano fornitori preferiti o utilizzano software proprietario per ottenere risultati pubblicizzati. La maggior parte di questi sistemi costa oltre $ 5,000 USD, rappresentando una barriera significativa per un uso diffuso in impostazioni limitate alle risorse. Inoltre, gli utenti in contesti a basso costo devono affrontare sfide per mantenere le apparecchiature progettate per impostazioni ad alte risorse a causa delle difficili condizioni ambientali, delle deboli catene di approvvigionamento per i pezzi di ricambio e degli strumenti specializzati necessari per la manutenzione e lariparazione 5. Per rispondere a questa esigenza, qui descritto è la progettazione e l'assemblaggio di un fluorimetro modulare e a basso costo costruito con componenti fuori dagli scaffali racchiusi in un alloggiamento compatto stampato in 3D(Figure 1A-C)con due configurazioni opzionali. La prima configurazione di questo dispositivo utilizza filtri in vetro disponibili in commercio e uno specchio dicroico per bloccare la luce di fondo in eccesso e ha un costo totale di assemblaggio di $ 830 USD. Mentre questi filtri sono comunemente utilizzati nei sistemi di imaging basati sulla fluorescenza, la sostituzione di costose pellicole filtranti ottiche di alta qualità ha precedentemente dimostrato di consentire il rilevamento di acidinucleici 6. La seconda configurazione del fluorimetro incorpora questi filtri economici e sostituisce gli specchi dicroici con splitter a fascio da φ1/2", riducendo il costo complessivo del sistema da $ 830 a $ 450 USD.
Le immagini rappresentative dell'assembly vengono visualizzate per la prima configurazione nella figura 1 e nella figura 2, ma immagini analoghe per la seconda configurazione sono disponibili nel file supplementare 6. Per evitare la necessità di un allineamento ottico specializzato, il sistema ottico ha aree designate per posizionare ogni componente ottico e può essere realizzato con una stampante 3D relativamente di fascia bassa, consentendo un uso diffuso del design. Le uniche differenze nella costruzione e nell'assemblaggio per le due configurazioni sono i file utilizzati per la stampa 3D e i componenti ottici collocati nell'involucro. Le dimensioni esterne dell'involucro stampato in 3D per entrambi i sistemi sono le stesse. Un confronto dei costi dei due sistemi è riportato nella tabella 1.
Come mostrato nella figura 1A, per mantenere un piccolo fattore di forma, il fluorimetro è costituito da ottiche da Φ1/2" (~12,5 mm), accoppiate con illuminazione e rilevamento compatti posizionati per misurare il segnale attraverso la parte superiore del tubo PCR. Il sistema nella figura 1 è progettato per rilevare coloranti con picco di eccitazione e lunghezze d'onda di emissione vicino a 490 nm e 525 nm, rispettivamente, tra cui FITC e coloranti strettamente correlati come SYBR e SYTO-9, che sono comunemente usati come reporter nelle reazioni di amplificazione dell'acido nucleico intempo reale 7,8. La sorgente di eccitazione, i filtri ottici e il rivelatore possono essere facilmente sostituiti da componenti compatibili con diversi coloranti fluorescenti a piacere. Le reazioni di amplificazione dell'acido nucleico sono tipicamente eseguite in tubi PCR, e il fluorimetro è progettato per essere posizionato in cima a qualsiasi blocco di calore disponibile in commercio che contiene tubi PCR(Figura 1D)consentendo il monitoraggio in tempo reale delle reazioni isotermiche. Blocchi di calore appropriati sono disponibili nella maggior parte dei laboratori biomedici e possono essere acquistati per meno di $ 500 USD.
L'uso di computer a scheda singola per fornire un'alternativa a basso costo e punto di cura per il controllo delle tecnologie di imaging è stato precedentementedimostrato 9. Basandosi su questo lavoro, in questo protocollo viene utilizzata un'interfaccia utente grafica a scheda singola (Figura 1D) per facilitare la registrazione dei dati in tempo reale e la visualizzazione dei risultati nel punto di cura, eliminando la necessità per un computer portatile di elaborare o visualizzare i dati. Le misurazioni della fluorescenza sono state trasferiteattraverso il protocolloI 2 C dai sensori di luce a un microcontrollore, e quindi rese disponibili al computer a scheda singola attraverso la comunicazione seriale. I collegamenti elettrici per l'illuminazione e il trasferimento dei dati sono stati forniti attraverso cablaggi e saldature semplificati su breadboard miniaturizzati, negando la necessità di circuiti stampati specializzati (PCB). Il software necessario per eseguire il fluorimetro è disponibile tramite framework software open source e il codice necessario per eseguire il dispositivo è fornito nei file di codifica supplementari. Il fluorimetro completo può essere assemblato per un costo compreso tra $ 450 e $ 830 USD e i risultati mostrano che fornisce misurazioni della fluorescenza accurate e affidabili per monitorare l'amplificazione isotermica in tempo reale degli acidi nucleici.
1. Fasi di preparazione: stampa e saldatura 3D
NOTA: Il sistema ottico descritto in questo protocollo è progettato per un riscaldatore a blocchi secchi standard.
2. Assemblaggio ottico
3. Montaggio elettronico e touchscreen
4. Installazione del software
5. Registrazione di dati di fluorescenza in tempo reale
Una volta assemblate, le prestazioni del fluorimetro possono essere convalidate misurando la fluorescenza da una serie di diluizioni di colorante FITC. Nella figura 3Avengono mostrate misurazioni del colorante FITC a concentrazioni di 0, 20, 40, 60 e 80 pg/μL preparate in 1x PBS su entrambi i canali della prima configurazione del fluorimetro. Ogni campione è stato misurato tre volte con un'esposizione a LED di 1,5 s a intervalli di 20 s. Entrambi i canali del fluorimetro mostrano una risposta lineare attraverso l'intervallo desiderato.
L'applicabilità clinica del fluorimetro è stata ulteriormente dimostrata utilizzando il sistema insieme a un blocco di calore secco disponibile in commercio per eseguire l'amplificazione con due tecnologie di amplificazione isotermica: RPA e RT-LAMP.
La figura 3B mostra il decorso del tempo di fluorescenza sottratto al basale misurato durante l'amplificazione a 39 °C di 50 μL di reazioni di controllo positive e negative RPA in tempo reale per il DNA di controllo positivo del kit fornito in un kit commerciale standard e preparato secondo le istruzioni del produttore. Le reazioni RPA, che producono un livello relativamente basso di fluorescenza, sono state misurate utilizzando la prima configurazione del fluorimetro che ottiene una migliore soppressione della luce di eccitazione.
La figura 3C illustra la misurazione del corso del tempo di un saggio RT-LAMP personalizzato a 65 °C utilizzando gli insiemi di primer N2, E1 e As1e descritti da Zhang et al10e Rabe e Cepko11. Le reazioni RT-LAMP producono una maggiore quantità di fluorescenza e sono state misurate utilizzando la seconda configurazione fluorimetrica a basso costo. Gli oligonucleotidi sono stati acquistati e rimosi in tampone 2x TE a una concentrazione di 1 mM. Gli oligi bip (Forward Inner Primer) e BIP (Backward Inner Primer) sono stati ordinati con purificazione della cromatografia liquida ad alte prestazioni. Ogni set di primer (N2, E1, e As1e) sono stati combinati per fare 1000 μL di una miscela 25x come segue: 40 μL di FIP, 40 μL di BIP, 5 μL di F3, 5 μL di B3, 10 μL di LF, 10 μL di LB e 890 μL di 1x TE buffer. Per assemblare ogni reazione RT-LAMP, 1 μL di ogni set di primer è stato aggiunto a 0,5 μL di colorante fluorescente 50x e 12,5 μL di mix master 2x e il volume di reazione è stato portato a 20 μL con acqua priva di nucleasi per istruzioni del produttore. Il controllo dell'RNA SARS-CoV-2 è stato diluito serialmente in acqua priva di nucleasi a concentrazioni di 10, 100 o 1.000 copie per μL, e sono stati aggiunti 5 μL per un volume totale di reazione di 25 μL. Il controllo senza bersaglio (NTC) utilizzato in tutti gli esperimenti era acqua priva di nucleasi. Le reazioni rt-LAMP sono state sovrapposte con 25 μL di olio minerale di grado biologia molecolare.
Le reazioni RPA e RT-LAMP sono state assemblate in due pozzi di una striscia PCR a 8 tubi a basso profilo da 0,2 ml e con cappucci piatti ultracleari. Ogni reazione RPA e RT-LAMP è stata eseguita in triplice copia. In tutti i test, il mini-fluorimetro ha quantificato con successo l'aumento temporale dei livelli di fluorescenza associati all'amplificazione del DNA.

Figura 1: Alloggiamento ottico e fluorimetro miniaturi assemblato in cima al blocco termico. (A) Diagramma dell'alloggiamento ottico che mostra componenti ottici collocati in un unico canale di rivelazione. (B) Diagramma della prima configurazione del fluorimetro in miniatura dopo l'assemblaggio. (C) Fotografia dell'alloggiamento ottico con componenti ottici collocati in un unico canale di rilevamento. (D) Fotografia di fluorimetro in miniatura assemblato posto sopra un blocco termico disponibile in commercio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Schema di montaggio e controllo elettrico del fluorimetro in miniatura. A-J) Posizionamento passo-passo dei componenti ottici nell'alloggiamento ottico stampato in 3D per la prima configurazione del sistema. (K) Diagramma elettrico del fluorimetro in miniatura per entrambe le configurazioni. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Misurazioni rappresentative ottenute con il fluorimetro in miniatura. (A) La fluorescenza misurata rispetto alla concentrazione di coloranti FITC in entrambi i canali mostra una risposta lineare attraverso l'intervallo dinamico desiderato. (B) Fluorescenza in tempo reale vs tempo per l'amplificazione isotermica dei controlli positivi e negativi di un kit disponibile in commercio. L'amplificazione avviene come previsto per il controllo positivo. (C) Fluorescenza in tempo reale vs tempo per amplificazione isotermica di 50, 500 e 5000 copie di RNA SARS-CoV-2 e un campione NTC da un saggio RT-LAMP personalizzato. L'amplificazione avviene come previsto vicino al limite di rivelazione del saggio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Sistema 1 | Sistema 2 | |||
| articolo | quantità | Prezzo totale (USD) | quantità | Prezzo totale (USD) |
| Componenti ottici | ||||
| Lenti | 6 | 158.14 | 6 | 158.14 |
| Specchi | 2 | 244.56 | 2 | 60 |
| Filtri ottici | 4 | 200 | 6 | 5 |
| subtotale | 602.7 | subtotale | 223.14 | |
| Illuminazione e rilevamento | ||||
| Led | 2 | 72.62 | 2 | 72.62 |
| LED Driver | 1 | 11.49 | 1 | 11.49 |
| fotodiodo | 2 | 50 | 2 | 50 |
| subtotale | 134.11 | subtotale | 134.11 | |
| Elettronica e display | ||||
| Arduino Nano | 1 | 20.7 | 1 | 20.7 |
| Raspberry Pi | 1 | 35 | 1 | 35 |
| Schermo LCD | 1 | 25 | 1 | 25 |
| Mini Breadboard | 1 | 4 | 1 | 4 |
| Alimentatore da 10V | 1 | 8.6 | 1 | 8.6 |
| subtotale | 93.3 | subtotale | 93.3 | |
| Costo totale (USD) | 830.11 | 450.55 |
Tabella 1: Confronto dei costi delle due configurazioni del fluorimetro in miniatura.
File supplementare 1: System1_Optics_Enclosure_Top.stl Fare clic qui per scaricare questo file.
File supplementare 2: System1_Optics_Enclosure_Bottom.stl, e fare clic qui per scaricare questo file.
File supplementare 3: LCD_Screen_Holder.stl Fare clic qui per scaricare questo file.
File supplementare 4: System2_Optics_Enclosure_Top.stl Fare clic qui per scaricare questo file.
File supplementare 5: System2_Optics_Enclosure_Bottom.stl, e fare clic qui per scaricare questo file.
File supplementare 6: System2_BuildInstructions.pdf Fare clic qui per scaricare questo file.
File di codifica supplementare 1: MiniFluorimeter_2Diode.ino Fare clic qui per scaricare questo file di codifica.
File di codifica supplementare 2: MiniFluorimeter_2Diode_GUI.py fare clic qui per scaricare questo file di codifica.
Gli autori non dichiarano conflitti di interesse.
Istruzioni dettagliate sono fornite per costruire un fluorimetro modulare open source compatibile con molti riscaldatori a basso costo per eseguire l'amplificazione dell'acido nucleico isotermico quantitativo in tempo reale.
Un ringraziamento speciale a Chelsey Smith, Megan Chang, Emilie Newsham, Sai Paul e Christopher Goh per la loro assistenza nella preparazione del campione. Gli autori ringraziano Caroline Noxon per la revisione del manoscritto. I finanziamenti per questo lavoro sono stati forniti dal popolo americano da USAID attraverso una sovvenzione di ricerca IAVI CCID 9204 nell'ambito del premio AID-OAA-A16-00032 tra IAVI e USAID.
| Inserto filettato 4-40 lungo 1/4 di pollice | McMaster-Carr | 90742A116 | Utilizzato per fissare insieme i due lati dell'involucro ottico stampato in 3D. |
| Alimentatore elettrico 10v | GlobTek, Inc. | WR9HU1800CCP-F(R6B) | Adattatore per montaggio a parete AC/DC 10V 18W |
| Obiettivo con lunghezza focale di 15 mm | Thorlabs | LA 1074 | Due in totale vengono utilizzati per il fluorimetro. Questa lente viene utilizzata per mettere a fuoco l'illuminazione a LED. |
| Viti 4-40 lunghe 1 pollice | McMaster-Carr | ||
| Obiettivo con lunghezza focale di 20 mm | Thorlabs | LA 1540 | Quattro in totale sono utilizzati per il fluorimetro. |
| 2x WarmStart LAMP Master Mix | New England Biolabs, Inc | E1700 | Master Mix è stato utilizzato per creare le reazioni LAMP mostrate nella Figura 3C |
| 3.5" Touch Screen | Uctronics | BO10601 | |
| 3/16 pollici di lunghezza 4-40 viti | McMaster-Carr | 90128A105 | |
| 3/16 pollici di lunghezza 4-40 inserto filettato | McMaster-Carr | 90742A115 | Utilizzato per fissare la scheda di test OPT3002 sull'involucro stampato in 3D |
| 3/8 di pollice 4-40 viti | McMaster-Carr | 90128A108 | Utilizzato per fissare insieme i due lati dell'involucro ottico stampato in 3D. |
| Filamento per stampante | 3D 3D Universe | UMNFC-PC285-BLACK | Nero o un'altra stampante 3D preferita di colore scuro |
| utilizzata | Ultimaker Ultimaker | 2+ | |
| 8 strisce PCR BioRad | #TLS0801 | ||
| Advanced Mini Dry Block Heater | VWR International | 10153-320 | I seguenti blocchi termici sono sostituti accettabili senza la necessità di riprogettare il vano ottico: 949VWMNLUS, 949VWMHLUS e 949VWMHLEU |
| adattatore da jack a barilotto a due pin | SparkFun Electronics | 1568-1238-ND | |
| Blue Excitation Filter Foil | LEE LE071S | Selezionato per l'uso con FITC - altri coloranti fluorescenti potrebbero richiedere filtri diversi. | |
| LED blu - 460 nm | Mouser | LZ1-30DB00-0100 | Selezionato per l'uso con FITC - altri coloranti fluorescenti possono richiedere parti diverse |
| Specchio dicroico | Thorlabs | DMLP505T | Selezionato per l'uso con FITC - altri coloranti fluorescenti possono richiedere parti diverse |
| Filtro di emissione | Edmunds Optics | OG-515 | Selezionato per l'uso con FITC - altri coloranti fluorescenti possono richiedere parti diverse. La freccia sulla parte è rivolta lontano dalla sorgente di illuminazione. |
| Filtro di eccitazione | Filtri Omega | 490AESP | Selezionato per l'uso con FITC - altri coloranti fluorescenti possono richiedere parti diverse |
| Driver LED | LEDdynamics | 3021-D-I-700 | |
| M2.5 Inserto a forma esagonale | McMaster-Carr | 91292A009 | Utilizzato per fissare il Raspberry Pi al supporto per schermo LCD stampato in 3D |
| Microcontrollore | Arduino | Nano | |
| Mini Breadboard | Adafruit | 65 | |
| Olio minerale di biologia molecolare | Sigma | Aldrich 69794 | |
| OPT3002EVM - Sensore da luce a digitale | Texas Instruments | OPT3002EVM: | Sensore da luce a digitale utilizzato. Consiste di due PCB: una scheda SM-USB_DIG e la scheda di test OPT3002; Per questo dispositivo è necessaria solo la scheda di test OPT3002. |
| Oligonucleotidi Tecnologie | DNA integrate Kit | ||
| RPA controllo positivo DNA | TwistDx Limited | CONTROL01DNAE | |
| Controllo RNA SARS-CoV-2 | Twist Biosciences | MN908947.3 | |
| Computer a scheda singola | Raspberry Pi | Raspberry Pi 3 | |
| TwistAmp RPA exo kit | TwistDx Limited | TAEXO02KIT | |
| Tappi piatti ultratrasparenti | BioRad | #TCS0803 | |
| Yellow Emmission Filter Foil | LEE LE767S | Selezionato per l'uso con FITC - altri coloranti fluorescenti possono richiedere parti diverse |