この作業では、2色ddPCRシステムを使用したSARS-CoV-2検出のためのさまざまなアッセイを開発する手順を要約しています。手順は精巧であり、アッセイと実験のパフォーマンスを改善する方法に関するメモが含まれています。これらのアッセイは、複数のSARS-CoV-2 RT-ddPCRアプリケーションに使用できます。
この作業では、2色ddPCRシステムを使用したSARS-CoV-2検出のためのさまざまなアッセイを開発する手順を要約しています。手順は精巧であり、アッセイと実験のパフォーマンスを改善する方法に関するメモが含まれています。これらのアッセイは、複数のSARS-CoV-2 RT-ddPCRアプリケーションに使用できます。
進行中のSARS-CoV-2パンデミックの診断は、世界中のすべての国にとって優先事項です。現在、逆転写定量PCR(RT-qPCR)は、恒久的な解決策が利用できないため、SARS-CoV-2診断のゴールドスタンダードです。この手法がどれほど効果的であっても、特に存在量の少ないターゲットに関しては、検出と診断の限界を示す研究が浮上しています。対照的に、ドロップレットデジタルPCR(ddPCR)は、qPCRよりも優れた利点を持つ最近の新興技術であり、低量のターゲットサンプルからのSARS-CoV-2の診断におけるRT-qPCRの課題を克服することが示されています。この記事では、2色検出システムを使用してシンプレックス、デュプレックス、トリプレックスプローブミックス、およびクワッドプレックスアッセイを開発する方法の手順を示すことで、RT-ddPCRの機能をさらに拡張します。SARS-CoV-2ゲノムの特定の部位(N、ORF1ab、RPP30、およびRBD2)を標的とするプライマーとプローブを使用して、これらのアッセイの開発が可能であることが示されています。さらに、アッセイワークフローを改善し、データを分析する方法に関する詳細なプロトコル、メモ、および提案を段階的に提供します。このワークフローを将来の作業に適応させることで、小さなサンプルで最大数のターゲットを高感度に検出できるようになり、コストとサンプルスループットが大幅に向上します。
よく知られている技術であるポリメラーゼ連鎖反応(PCR)は、その登場以来、核酸研究に答えを提供できる強力な技術になるためにいくつかの変革を遂げてきました。これらの変換は、古い手法の絶え間ない改善でした。これらの変換は、3世代に要約できます1。第1世代は、増幅されたターゲットを定量および検出するためにゲル電気泳動に依存する従来のPCRです。第2世代は定量的リアルタイムPCR(qPCR)で、サンプルをリアルタイムで検出し、標準曲線に依存してサンプル中のターゲットを直接定量することができます。第3世代のデジタルPCR(dPCR)は、標準曲線を必要とせずに核酸標的の検出と絶対定量の両方を実行できます。dPCRはまた、液滴ベースのデジタルPCR2に見られるように、壁のウェルによって分離された反応チャンバーから、同じウェル内の油、水、および安定化化学物質のエマルジョンにさらに改善されました。液滴デジタルPCR(ddPCR)では、サンプルは個々のターゲットを含む数千のナノリットルサイズの液滴に分割され、後でポアソン統計2,3,4を使用して定量されます。この手法により、ddPCRは、他の世代のPCRと比較して、存在量の少ないターゲットを定量する上で優位に立つことができます。
最近、複数のアプリケーションが、低存在量のターゲットを検出および定量する際に、一般的に使用されるqPCRに対するddPCRの優位性を強調しています1,5,6。SARS-CoV-2は、これらのアプリケーション7、8、9、10、11、12の例外ではありません。SARS-CoV-2の発生以来、科学者たちはウイルスを診断し、効率的に検出する方法に関する解決策を考え出すためにあらゆる面で取り組んできました。現在のゴールドスタンダードはまだqPCR13です。ただし、RT-ddPCRは、RT-qPCR7、8、9、10、11、12と比較して、環境サンプルと臨床サンプルの両方から低存在量のSARS-CoV-2ターゲットをより正確に検出できることが示されています。SARS-CoV-2 ddPCRで発表された研究のほとんどはシンプレックスアッセイに依存しており、マルチプレックスアッセイは市販のアッセイに依存しています。したがって、SARS-CoV-2検出のためのマルチプレックスRT-dPCRアッセイを開発する方法を説明するために、さらに多くのことを行う必要があります。
適切なアッセイデザインでは、マルチプレックスを使用してコストを節約し、サンプルスループットを向上させ、小さなサンプル内で高感度に検出できるターゲットの数を最大化できます。ddPCRでマルチプレックス化する場合、特定のシステムで検出できる蛍光色素の数を考慮する必要があります。ddPCRプラットフォームには、最大3つのチャネルをサポートできるものもあれば、2つのチャネルのみをサポートするものもあります。したがって、2つのチャネルで多重化する場合、2つ以上のターゲットを検出するための高次多重化を含む異なるアプローチを使用する必要があります14、15、16。この研究では、2色ddPCR検出システムを使用して、さまざまな研究アプリケーションに適応できるさまざまなSARS-CoV-2RT-ddPCRアッセイを開発する方法の手順を示します。
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倫理声明
武漢ウイルス学研究所(WHIOV)は、武漢市の中国CDCによってSARS-CoV-2の研究を実施し、臨床サンプルからCOVID-19を検出することを承認された研究所の1つです。臨床サンプルを使用したCOVID-19の新しい診断技術の開発に関する研究は、武漢ウイルス学研究所の倫理委員会(2020FCA001)によっても承認されています。
1. サンプル処理ワークフロー(図1A)
注:プロトコル全体を通して、クロスコンタミネーションを避けるために、サンプルの取り扱い(抽出と保管)、試薬/マスターミックスの調製と保管、反応ミックスの調製(サンプルとマスターミックス)、および検出のために、専用のピペットを備えた別々の部屋を使用することが重要です。開発するアッセイは、臨床サンプルまたは研究サンプルの検出に使用できます。すべてのサンプルは、安全な実験室手順を使用している場合でも、感染性病原体を感染させる可能性があるかのように処理する必要があります。サンプル処理ステップは、適切な個人用保護具(PPE)の着用を含む厳格なBSL-2規則に従って、バイオセーフティレベル2(BSL-2)ラボで実行する必要があります。
2. ddPCRアッセイとワークフローの最適化
注:液滴を読み取る前後のアッセイを最適化します。結果に応じて、作業の任意の時点で最適化して、より良い結果を得ることができます。以下は、ddPCR実験を最適化する際に考慮すべきいくつかの一般的な要因です。
3. ddPCRワークフロー(図1B)およびアッセイ開発(表2)
注:他のddPCR検出システムと同様に、このワークフローも、反応ミックスの準備、液滴の生成、PCR増幅、液滴の読み取りを含む4つのステップ(図1B)で構成されています。
4. データ解析(補足図2、3)
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概念実証研究において、マルチプレックスアッセイの分析性能を臨床および研究サンプル19で試験した。マルチプレックスアッセイの性能はRT-PCR19よりも優れていました。液滴数が少ない場合は液滴生成中の問題を示している可能性があるため、この記事では、経験的データに基づいてウェルあたり10,000液滴のカットオフを設定しました。
雨の干渉を最小限に抑えて正の液滴と負の液滴を適切に分離すると、データ分析に役立ちます。したがって、良い実験では、アッセイの最適化が鍵となります19。 図2Dの温度勾配分析結果に見られるように、高いアニーリング温度(例えば、65°C)は、二重鎖アッセイ(N(FAM)およびRPP30(HEX))を実行したときに正液滴と負液滴を明確に区別することができなかった。しかしながら、アニーリング温度の低下に伴い、正および負の液滴間の最適な分離が達成された。57°Cの温度が最適...
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SARS-CoV-2検出のためのRT-ddPCRアッセイの開発方法に関するリソースはほとんどありません。この記事では使用しませんが、既知のコピーを含む標準サンプルを使用して、アッセイを開発および最適化できます。ただし、この研究では、Vero-E6細胞で増殖したSARS-CoV-2サンプルをヒトゲノムRNAのバックグラウンドでスパイクし、アッセイを開発するための標準サンプルとして使用しました。適切なプライマーとプローブの配列は、アッセイを開発する際に不可欠です。SARS-CoV-2 RT-ddPCRに関するほとんどの予備研究では、ORF1abおよびN遺伝子を標的とする中国CDCプライマーとプローブが使用されていたため、この研究に含めるのに適していることがわかりました7、8、9、10、11。これらのプライマーの分析特異...
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著者は開示する矛盾はありません。
この研究は、中国保健省の感染症対策メガプロジェクト(助成金番号2017ZX10302301-005)および中アフリカ共同研究センター(助成金番号SAJC201605)から資金提供を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 32チャンネル全自動核酸抽出器 清浄機 32 | Genfine Biotech | FHT101-32 | RNA用自動抽出器 |
| AutoDGプローブ用オイル | BioRad | 12003017 | QX200 AutoDG消耗品 |
| ddPCR 96ウェルプレート | BioRad | 12003185 | |
| ddPCR プローブ用スーパーミックス(dUTPなし) | BioRad | 1863024 | ddPCRアッセイマスターミックスの作成 |
| DG32 AutoDGカートリッジ | BioRad | 1864108 | QX200 AutoDG消耗品 |
| 電子サーモスタットウォーターバスポット | 北京長豊計器メーター会社 | XMTD-8000 | サンプルの熱不活性化 |
| FineMag ラピッドビーズウイルス DNA/RNA抽出キット | Genfine Biotech | FMY502T5 | 不活化RNAサンプルの磁気ビーズ抽出 |
| ピアス可能なホイルヒートシール | BioRad | 1814040 | |
| AutoDG用ピペットチップ | BioRad | 1864120 | QX200 AutoDG消耗品 |
| ペットチップ AutoDG用ゴミ箱 | BioRad | 1864125 | QX200 AutoDG消耗品 |
| PrimeScript RT マスターミックス(パーフェクトリアルタイム) | TaKaRa | RR036A | cDNA生成 |
| PX1 PCRプレートシーラー | BioRad | 1814000 | から液滴プレートをシールします。AutoDG |
| QuantaSoft 1.7 ソフトウェア | BioRad | 10026368 | データ取得と分析 |
| QuantaSoft Analysis Pro 1.0 | BioRad | N/A | データ解析 |
| QX200 自動液滴ジェレーター (AutoDG) | BioRad | 1864101 | QX200 AutoDG 消耗品 |
| QX200 液滴リーダー | BioRad | 1864003 | 液滴読み取りとデータ取得 |
| T100Thermal Cycler | BioRad | 1861096 | Droplet Target Amplification (PCR) と cDNA Generation |
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