ここでは、水からの抗生物質耐性菌の分離と同定、およびそれらの抗生物質耐性遺伝子(ARG)の分子特性評価のための詳細なプロトコルを紹介します。培養ベースおよび非培養ベース(メタゲノム解析)技術の使用は、インドのムンバイからの淡水に存在する細菌の多様性全体とさまざまなARGの総プールに関する完全な情報を提供します。
ここでは、水からの抗生物質耐性菌の分離と同定、およびそれらの抗生物質耐性遺伝子(ARG)の分子特性評価のための詳細なプロトコルを紹介します。培養ベースおよび非培養ベース(メタゲノム解析)技術の使用は、インドのムンバイからの淡水に存在する細菌の多様性全体とさまざまなARGの総プールに関する完全な情報を提供します。
淡水域に関連する微生物叢を介した抗生物質耐性(AR)の発生と拡散は、世界的な健康上の大きな懸念事項です。本研究では、淡水サンプルを収集し、従来の培養ベースの技術とハイスループット培養に依存しないメタゲノムアプローチの両方を使用して、細菌の多様性とAR遺伝子(ARG)全体に関して分析しました。この論文は、淡水サンプルから総および抗生物質耐性の培養可能な細菌を列挙し、培養可能な分離株の表現型および遺伝子型耐性を決定するための体系的なプロトコルを提示します。さらに、淡水サンプルから抽出された全メタゲノムDNAの全メタゲノム解析を使用して、非培養細菌を含む全体的な細菌の多様性を特定し、水域内のさまざまなARG(レジストーム)の総プールを同定したことを報告します。これらの詳細なプロトコルに従って、9.6 × 10 5-1.2 × 109 CFU / mLの範囲で高い抗生物質耐性菌負荷が観察されました。ほとんどの分離株は、セフォタキシム、アンピシリン、レボフロキサシン、クロラムフェニコール、セフトリアキソン、ゲンタマイシン、ネオマイシン、トリメトプリム、シプロフロキサシンなどの複数の試験済み抗生物質に耐性があり、複数の抗生物質耐性(MAR)指数は≥0.2であり、分離株の耐性が高いことを示しています。16S rRNAシーケンシングにより、肺炎桿菌などの潜在的なヒト病原体、およびコマモナス属、ミクロコッカス属、アルスロバクター属、アエロモナス属などの日和見細菌が特定されました。 分離株の分子特性評価は、blaTEM、blaCTX-M(β-ラクタム)、aadA、aac(6')-Ib(アミノグリコシド)、およびdfr1(トリメトプリム)などのさまざまなARGの存在を示し、これもメタゲノムDNA分析全体で確認されました。抗生物質排出ポンプをコードする他のARGの高い有病率-mtrA、macB、mdtA、acrD、β-ラクタマーゼ-SMB-1、VIM-20、ccrA、ampC、blaZ、クロラムフェニコールアセチルトランスフェラーゼ遺伝子catB10、およびリファンピシン耐性遺伝子rphB-もメタゲノムDNAで検出されました。この研究で議論されたプロトコルの助けを借りて、多様なAR表現型および遺伝子型形質を有する水系MAR細菌の存在を確認しました。したがって、全メタゲノムDNA分析は、水域の全体的なAR状態を決定するための従来の培養ベースの技術を補完する技術として使用できます。
薬剤耐性(AMR)は、最も差し迫った地球規模の問題の1つとして認識されています。AMRの急速な進化とその世界的な普及は、それに関連する医療費の観点から、人間の健康と世界経済にとって最大の脅威の1つです1。抗生物質の過剰使用と誤用は、ARの増加につながっています。これはCOVID-19のパンデミックによって強調されており、その間、多くの場合、影響を受けた患者のAMRにより、関連する二次感染症の治療が大幅に損なわれました2。人間による抗生物質の直接使用/誤用に加えて、農業および畜産における抗生物質の過剰使用および誤用、および水域を含む環境への不適切な排出が大きな懸念事項です3。細菌における新しい耐性形質と多剤耐性の台頭は、ARの開発とその普及につながる要因のより良い理解の必要性を緊急に浮き彫りにしています。プラスミドなどの移動性遺伝要素に複数のAR遺伝子(ARG)を運ぶことが多い複数の抗生物質耐性菌は、これらの耐性遺伝子を潜在的なヒト病原体を含む非耐性微生物に移す可能性があるため、最後の手段の抗生物質でさえ治療できないスーパーバグの出現につながります4。これらの複数の抗生物質耐性菌は、水生態系に存在する場合、魚、カニ、軟体動物などの汚染された水ベースの食品を消費することにより、人間の腸に直接侵入する可能性があります。以前の研究では、天然に存在する水系におけるAR細菌の拡散は、飲料水を含む他の水供給にも到達する可能性があり、したがって、人間の食物連鎖に入る可能性があることが示されています5,6,7。
本研究の目的は、培養ベースと非培養ベースの組み合わせを使用した包括的なプロトコルを提供することです(全メタゲノム分析)技術 完全な情報を取得する インドのムンバイの水域に存在する細菌の多様性とさまざまなARGの総プール。従来、培養ベースの技術は、水域における細菌の多様性を研究するために使用されてきた。培養可能な微生物は、どのニッチでも微生物叢全体のごく一部しか構成していないため、細菌の多様性の全体的な状態と、あらゆるサンプルに蔓延しているさまざまな耐性形質をよりよく理解するには、さまざまな培養ベースおよび培養に依存しない技術を並行して使用する必要があります。そのような堅牢で信頼性の高い培養に依存しない技術の1つは、全メタゲノムDNA分析です。このハイスループットメソッドは、細菌の多様性やさまざまなARGの機能アノテーションに関するさまざまな研究で成功裏に利用されています8,9。この手法は、メタゲノム(サンプル中の総遺伝物質)をさまざまな分析の出発材料として使用するため、培養に依存しません。本研究のプロトコルは、全メタゲノムDNA分析に使用して、水サンプル中の細菌全体の多様性とさまざまなARG(レジストーム)に関する情報を取得できます。
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1.サンプルの収集と処理
2. 総細菌量と抗生物質耐性菌数の推定
(1)3. 16S rRNA遺伝子シーケンシングによる培養可能菌の同定
(2)4.抗生物質感受性試験を用いた分離株中の抗生物質耐性の検出
注:このプロトコルは、椎間板拡散による抗生物質感受性試験(AST)の方法を説明しています。以下の抗生物質ディスクを使用した:セフォタキシム(5μg)、アンピシリン(10μg)、レボフロキサシン(5μg)、クロラムフェニコール(30μg)、チゲサイクリン(15μg)、セフトリアキソン(30μg)、イミペネム(10μg)、ゲンタマイシン(10μg)、ネオマイシン(10μg)、トリメトプリム(5μg)、およびシプロフロキサシン(5μg)。
5. PCRによる分離株中の抗生物質耐性遺伝子の検出
6.細菌全体の多様性の同定とメタゲノム中のARGの検出のための全メタゲノムDNA分析
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総細菌量と抗生物質耐性(AR)細菌数
総細菌負荷の列挙は、水サンプルの10−4〜10−6倍希釈をR2A寒天培地上に広げることによって行った。AR細菌数の列挙のために、抗生物質を含む培地プレート上に10−3〜10−6倍希釈を広げました(図3)。総菌数とAR菌数をCFU/mLとして計算し、すべてのめっき実験を重複して実施した。上記のプロトコルに従って、本研究では、総細菌数が3.0 ×10 9 CFU / mLであることが示されました。AR細菌負荷は、9.6 × 10 5-1.2 ×10 9 CFU / mLの範囲で高いことがわかりました(表6)。
16S rRNA遺伝子シーケンシングによる培養可能細菌の同定
各単離物からの粗DNAを鋳型として使用し、16S rRN...
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サンプルの収集と処理は重要な役割を果たし、研究の結果と解釈に影響を与える可能性があります。したがって、サンプルの変動性を排除するには、調査対象の淡水域の複数の場所でサンプリングを実行することが重要です。このようなサンプルを取り扱う際に適切な無菌環境条件を維持することで、汚染を防ぐことができます。さらに、抽出された核酸の質と量に影響を与える可能性のある細菌組成の変化を防ぐために、通過条件は4°Cに維持され、サンプル収集の時点からその後の処理までの時間経過を最小限に抑える必要があります。いくつかの研究は、サンプルの収集と処理の間のこの中間期間が、慎重に行われない場合、分析の後の段階でさまざまな結果をもたらす可能性があることを強調しています12,13。
めっきにさまざまな希釈液を使用することで、コロニーが凝集したり、コロニーが少なすぎて数えられないことが保証されます。ピペッティング/ハンドリングエラーによって発生する可能性のあるCFU/mLの変動を考慮するには、実験を重複...
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著者は、開示する相反する利益を持っていません。
この作業は、ムンバイ大学の科学技術省-大学研究および科学的卓越性促進(DST-PURSE)スキームからの財政的助成金によって部分的に支援されました。Devika Ghadigaonkarは、このスキームの下でプロジェクトフェローとして働いていました。科学技術省科学技術研究委員会(DST-SERB)プロジェクト番号:CRG/2018/003624の上級研究員であるHarshali Shindeによる技術的支援が認められています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 100 bp DNAラダー | Himedia | MBT049-50LN | アンプリコンのサイズ推定用 |
| 2x PCR Taq mastermix | HiMedia | MBT061-50R | PCR反応混合物を作るため |
| 37 >Cインキュベータ | ーGS-192、ガヤトリサイエンティフィック | NA | 細菌のインキュベーション用 |
| 6x ゲルローディングバッファー | HiMedia | ML015-1ML | DNAサンプルの重量を量り、電気泳動の進行を追跡するのに役立つローディングおよびトラッキング色素 |
| アガロース粉末 | Himedia | MB229-50G | アガロースゲル電気泳動(AGE)中のアンプリコンの分解用 |
| アンピシリン抗生物質ディスク | HiMedia | SD002 | AST |
| オートクレーブ | イトロン | NA | を行うため 培地、ガラス板、試験管などの滅菌に必要 |
| バイオアナライザー2100 | Agilent Technologies | NA | 増幅ライブラリの品質と量を確認するため |
| バイセーフティ B2キャビネット | インセット | インセット BSCクラスIIタイプB2 | 細菌培養、ASTなどの微生物学的作業に使用します。 |
| セフォタキシム抗生物質ディスク | HiMedia | SD295E-5VL | AST実施用 |
| セフォタキシム抗菌剤粉末 | HiMedia | TC352-5G | 抗生物質耐性菌の単離に必要な抗生物質原液の調製用 |
| セフトリアキソン 抗生物質ディスク | HiMedia | SD065 | AST |
| 実施用 遠心分離機 Minispin Minispin | Eppendorf | Minispin Plus-5453 | 粗DNAの準備ができて残骸を餌にするのに使用 |
| クロラムフェニコールの抗生物質ディスク | HiMedia | SD006-5x50DS | AST |
| を行うため シプロフロキサシンの抗生物質ディスク | HiMedia | SD060-5x50DS | AST |
| を行うため シプロフロキサシンの抗生物質の粉末 | HiMedia | TC447-5G | 薬剤耐性の分離の間に必要な抗生物質のストック溶液の調製のためバクテリア |
| 比色計 | Quest | NA | 培養懸濁液のODチェック用 |
| 包括的抗生物質耐性データベース(CARD)データベース | ARGの機能アノテーション; https://card.mcmaster.ca/ | ||
| 冷却シェーカーインキュベーター | BTL41 Allied Scientific | NA | バクテリア培養用培地プレートのインキュベーション用 |
| ディープフリーザー (-40°C;C) | ハイアール | DW40L、ハイアールバイオメディカル | グリセロールストックの保管用 |
| DNAライブラリ調製キット | NEB Illumina NA用ウルトラDNAライブラリ調製キット | ペアエンドシーケンシングライブラリ調製 | |
| EDTA | HiMedia | GRM1195-100G | アガロースゲル電気泳動(AGE)用ゲルランニングバッファーの調製用 |
| 電気泳動装置 | TechResource | 15 cmゲルキャスティングトレイ | アガロースゲルを作るため 電気泳動の実施 |
| 電気泳動 電極付きパワーパック | Genei | NA | AGEの実行用 |
| エリスロマイシン抗生物質ディスク | HiMedia | SD222-5VL | ASTを行うため |
| エリスロマイシン抗生物質粉末 | HiMedia | CMS528-1G | 抗生物質耐性菌の単離に必要な抗生物質原液の調製用 |
| エリスロマイシン抗生物質粉末 | HiMedia | TC024-5G | 抗生物質耐性菌の単離に必要な抗生物質原液の調製用バクテリア |
| 大腸菌ATCC 25922 | HiMedia | 0335X-1 | ASTエ |
| チジウムブロマイド | HiMedia | MB071-1G | 電気泳動後のDNAのインターカレート剤と |
| Fluorometer | Qubit 2.0 | NA | 抽出されたメタゲノムDNAの濃度測定用 |
| Gel Documentation System | BioRad | 電気泳動後のPCRアンプリコンの視覚化に使用 | |
| ゲンタマイシン抗生物質ディスク | HiMedia | SD170-5x50DS | AST実行用 |
| 氷酢酸 | HiMedia | AS119-500ML | アガロースゲル電気泳動用ゲルランニングバッファーの調製用 (AGE) |
| グリセロール | HiMedia | GRM1027-500ML | グリセロールストックを作るため |
| イミペネム抗生物質ディスク | HiMedia | SD073 | AST実施用 |
| Kaiju Database | NA | NA | リードの分類学的分類用 https://kaiju.binf.ku.dk/ |
| カナマイシン 抗生物質ディスク | HiMedia | SD017-5x50DS | AST実施用 |
| カナマイシン 抗生物質粉末 | HiMedia | MB105-5G | 抗生物質耐性菌の単離に必要な抗生物質原液の調製用 |
| レボフロキサシン抗生物質ディスク | HiMedia | SD216-5VL | ASTを実行するため |
| ルリア・ベルタニブロス | Himedia | M1245-500G | 培養物の濃縮のために |
| マクファーランド規格 | Himedia | R092-1No | 培養懸濁液の密度を比較するため |
| 分子生物学水 | HiMedia | TCL018-500ML | PCR反応混合物 |
| を作るためミューラー・ヒントン・アガー(MHA) | HiMedia | M173-500G | 抗生物質感受性試験(AST)の実施用 |
| ネオマイシン抗生物質ディスク | HiMedia | SD731-5x50DS | AST |
| PCRグラジエントの実施用 サーマルサイクラー | エッペンドルフ | マスターサイクラー ネクサスグラジエント 230V/50-60 Hz | 16S rRNA領域およびさまざまな抗生物質耐性遺伝子の増幅のためのPCRの実施に使用されます |
| 入門書 | Xcelris | NA | PCR増幅用 |
| R2A 寒天、改変 | HiMedia | M1743 | 全細菌および抗生物質耐性(AR)細菌負荷の分離のための培地プレートの調製 |
| 用 足場生成 | CLC Genomics Workbench 6.0 | NA | 足場の生成用 |
| シーケンサー | Illumina プラットフォーム (2 x 150 bp 化学) | NA | 増幅ライブラリのシーケンシング |
| 塩化ナトリウム | HiMedia | TC046-500G | 水サンプルを段階希釈するための0.85%生理食塩水の調製用 |
| 土壌DNA分離キット | Xcelgen | NA | ろ過された水サンプルから全メタゲノムDNAを抽出するため |
| Staphylococcus aureus subsp. aureus ATCC 29213 | HiMedia | 0365P | ASTタ |
| クソノミクス分類 | Kaiju ioinformaticsツール | NA | 門から属レベルまでの異なる分類群へのリードの分類用 |
| 包括的抗生物質耐性データベース(CARD) | NA | ARGの機能アノテーション用 | |
| チゲサイクリン抗生物質ディスク | HiMedia | SD278 | AST |
| トリメトプリム抗生物質ディスク | HiMedia | SD039-5x50DS | AST |
| トリスベース | HiMedia | TC072-500G | アガロースゲル用ゲルランニングバッファーの調製用電気泳動(AGE) |
| バンコマイシン系抗生物質粉末 | HiMedia | CMS217 | 抗生物質耐性菌の単離に必要な抗生物質原液の調製用 |
| 計量天秤 | メトラー・トレド | ME204 メトラー・トレド | 媒体粉末、試薬粉末などの計量に使用。 |
| NA - 該当 |
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