組成と異なる環境条件下におけるバイオエアロゾルの分布解析
January 7th, 2019
環境の粒子状物質の生物学的組成を理解することは、その人間の健康や病気の広がりの重要な影響の研究にとって重要です。ここでは、異なる環境条件下における浮遊微生物をよりよく調べるバイオエアロゾル サンプリング方法の 3 種類と浮遊真菌の生物学的解析を使用しました。
環境粒子状物質の生物学的組成を理解することは、ヒトの健康と病気の広がりに大きな影響を及ぼす研究にとって重要である。このバイオエアロゾルサンプリング法および分析では、環境モニタリングや空中病原体検出などの多くの研究分野において幅広い応用を有し得る。粒子の総数を決定するには、まず、温度と相対湿度を監視するセンサーを搭載した空気中レーザー粒子カウンターを装備します。
次に、空中レーザー粒子カウンターの上部にある空気サンプリングポートで粒子物質を収集し、サンプラー内部のテストモジュールを使用して、各クラスの粒子のサイズを同時に5分ごとに測定します。サイクロンエアロゾルサンプラーで粒子状物質サンプルを採取するには、シクロニックエアロゾルサンプラーをセットして、6時間の回収期間に毎分323リットルのサンプルフローを収集し、自動洗浄機能を使用してサンプラーの内部を滅菌水で3回洗浄します。次に、サンプラーを棚または床に単独で置き、収集を開始します。
収集期間の終わりに、すべてのサンプルを分析まで、光から保護された摂氏20度で保存します。フィルターによる粒子状物質の収集の場合、20.32 x 25.4 平方センチメートルのフィルターを大量の空気サンプラーに装備し、適切な収集期間に対して 1 分あたり 1,000 リットルの流量にサンプルを設定します。収集期間の終わりに、すべてのサンプルを分析まで、光から保護された摂氏20度で保存します。
収集したサンプルのフィルターの生物学的組成解析のために、各フィルターを50ミリリットルの円錐形チューブに入れ、サンプルを内側に向け、フィルターの背面をチューブ壁に向けます。各チューブの中央部にサンプルを含むフィルターの側面に向かって10個のビーズを加え、室温で15分間チューブを渦に入れます。各チューブから新しい50ミリリットルチューブに液体を移し、標準的なプロトコルに従ってポリメラーゼ連鎖反応により、細菌16S組換えDNAおよび真菌組換えRNAオペロンのITS領域のV1からV3領域を増幅する。
可耕式浮遊細菌および真菌のサンプリングと培養のために、国際標準のアンダーセン6段サンプラーを35分間の回収期間に毎分28.3リットルの流量に設定し、ジズーンカゼイン消化寒天培養プレートをサンプラーの各段階に入れる。空気中の粒子の空気力学的直径によって定義される6段階のサンプラーを用いて6段階をサンプリングし、収集される細菌粒子を培養プレートに堆積させる。各ステージの各サンプルプレートに細菌のコロニー形成単位を数える前に、24〜48時間摂氏37度で空気中細菌採取プレートを培養する。
48~72時間培養した後、各プレートから2つのミリリットル遠心分離チューブに細菌を採取し、標準的なプロトコルに従ってマルチソースDNA抽出キットでDNAを抽出します。酪農場からのこの代表的なサンプリングでは、エアロゾル粒子の濃度は12月に最も高く、10月には最低で、おそらく温度と湿度の変化によるものです。深気道に到達することができる吸入可能なエアロゾル粒子の濃度は、全粒子濃度の99%以上を占め、人間および動物に深刻な潜在的な危険を引き起こした。
ここでは、2016年12月20日に北京工科大学のキャンパスでかすんだ日に採取されたバイオエアロゾルサンプルの分析は、サイクロンエアロゾルサンプラーがフィルタ付きの大量空気サンプラーよりも多くの細菌の属を収集したことを示しています。しかし、両方のサンプラーは、同じ回収効率と真菌採取のための属の豊富さのほぼ同じ数を実証しました。この図に示すように、アンデルセンの6段階サンプラーは、この研究で評価された4種類の豚など、異なる環境に存在する異なる種類の浮遊性細菌を収集するために使用することができる。
その後の空気中のサンプルの培養は、異なる主に属する細菌の含有量が異なる施設間で変化することを明らかにした。温度、湿度、バイオエアロゾル濃度、エアロゾルサンプリング法の種類を決定する際に考慮すべき環境条件など、多くの要因があります。メタゲノミクスは、個々の生物を分離することなく、全体として遺伝情報を取得するためにも使用できます。
私たちのプロトコルと結果は、世界中の他の研究者が、異なる環境条件下で真菌および細菌バイオエアロゾルの健康への影響をさらに探求するのに役立つ可能性があります。
概要
この研究は、環境粒子状物質の生物学的組成とそれが人間の健康および疾病拡散に与える影響を調査します。様々なバイオエアロゾルサンプリング方法を用いて、異なる環境条件下での空気中の微生物群集を探ります。
主要な研究要素
科学分野
- 環境科学
- 微生物学
- 公衆衛生
背景
- 環境粒子状物質は健康に大きな影響を与える可能性があります。
- バイオエアロゾルには、疾病拡散に影響を与える空気中の微生物が含まれます。
- その組成を理解することは環境モニタリングにとって重要です。
- サンプリング方法は環境条件によって変わる可能性があります。
研究目的
- 空気中の微生物群集を分析すること。
- 異なるバイオエアロゾルサンプリング方法の有効性を評価すること。
- 様々な条件下でのバイオエアロゾルの健康影響を探ること。
使用された方法
- 総粒子数測定のための空気中レーザー粒子カウンター。
- 粒子状物を収集するためのサイクロニックエアロゾルサンプラー。
- 生物学的組成分析のための高体積空気サンプラーとフィルター。
- 培養可能な空気中の細菌と真菌のためのアンダーセン6段階サンプラー。
主要な結果
- エアロゾル粒子の濃度は月によって変化しました。
- サイクロニックサンプラーは高体積サンプラーよりも多くの細菌属を収集しました。
- 両方のサンプラーは真菌の収集効率が似ていました。
- 環境要因がエアロゾルサンプリングの結果に影響を与えました。
結論
- 異なるサンプリング方法は微生物群集に対して異なる結果をもたらします。
- 環境条件はエアロゾル濃度に大きな影響を与えます。
- 結果はバイオエアロゾルの健康影響を理解するのに役立ちます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Understanding bioaerosol composition supports environmental health risk assessment and pathogen surveillance in occupational and public health settings. The protocol enables comparative evaluation of sampling methods under varying environmental conditions, informing method selection for reproducible airborne microbiological analysis. This contributes to mechanistic de-risking in early discovery by clarifying bioaerosol variability that may influence toxicological or infectious disease models.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of microbial diversity in environmental samples to support hypothesis generation around airborne pathogen exposure.
- Operational Value: Provides standardized collection procedures for culturable and unculturable microorganisms across different samplers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of samples for downstream molecular analysis such as 16S rDNA and ITS sequencing.
- Operational Value: Supports assay standardization through defined flow rates, collection times, and storage conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Offers disease-relevant systems for studying inhalation exposure models and mucosal immune responses.
- Operational Value: Enables longitudinal monitoring of bioaerosol dynamics in controlled or field environments.
Pipeline & Workflow Integration
The method fits within discovery biology workflows by providing characterized biological inputs for downstream screening or model validation.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing regarding airborne microbial contributions to cellular stress or inflammatory pathways.
- Screening: Delivers standardized particulate matter extracts suitable for cytotoxicity or immune activation assays.
- Analytics: Generates quantitative microbial abundance data via sequencing and CFU counting for comparative condition analysis.
- Translational Research: Connects environmental sampling to preclinical models of respiratory or systemic exposure.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable sampling and analytical framework applicable across sites and seasons.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by capturing both culturable and molecular signatures of airborne microbes.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized sampler calibration, flow control, and blinded sample handling.
- Strategic Value: Reduces biological uncertainty in environmental risk models, supporting go/no-go decisions in target validation.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of compounds or models based on bioaerosol exposure potential.
Implementation Considerations
- Requires expertise in aerobiology, molecular microbiology, and environmental sampling.
- Depends on access to particle counters, aerosol samplers, cold storage, and PCR/sequencing infrastructure.
- Necessitates cross-team alignment on sampling timing, environmental metadata, and contamination controls.
- Involves adaptation considerations for sampler performance across temperature, humidity, and particulate load conditions.
- Limited by culture-dependent methods capturing <1% of total microbial diversity, necessitating molecular complement.
