이 프로토콜은 진공 보조 흡착제 추출 방법을 사용하여 생물학적 샘플에서 휘발성 유기 화합물을 추출하는 방법, Entech 샘플 준비 레일을 사용한 질량 분광법과 결합 된 가스 크로마토그래피 및 데이터 분석을 설명합니다. 또한 생물학적 샘플 및 안정한 동위원소 프로빙의 배양을 기술한다.
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이 프로토콜은 진공 보조 흡착제 추출 방법을 사용하여 생물학적 샘플에서 휘발성 유기 화합물을 추출하는 방법, Entech 샘플 준비 레일을 사용한 질량 분광법과 결합 된 가스 크로마토그래피 및 데이터 분석을 설명합니다. 또한 생물학적 샘플 및 안정한 동위원소 프로빙의 배양을 기술한다.
생물학적 샘플로부터의 휘발성 유기 화합물(VOC)은 기원을 알 수 없다. VOCs는 숙주의 미생물 군집 내에서 숙주 또는 상이한 유기체로부터 기원할 수 있다. 미생물 VOCs의 기원을 분리하기 위해, 스타필로코커스 아우레우스, 슈도모나스 aeruginosa , 및 Acinetobacter baumannii의 박테리아 모노 및 공동 배양의 휘발성 헤드 스페이스 분석, 및 배설물, 타액, 하수 및 객담의 생물학적 샘플에서 안정한 동위원소 프로빙을 수행하였다. 모노- 및 공동-배양물을 사용하여 개별 박테리아 종으로부터의 휘발성 생산을 확인하거나 생물학적 샘플로부터 미생물의 활성 대사를 확인하기 위해 안정한 동위원소 프로빙과 조합하였다.
진공-보조 흡착제 추출(VASE)을 사용하여 VOCs를 추출하였다. VASE는 반휘발성 및 휘발성 화합물에 대한 사용하기 쉽고 상용화되고 무용제 헤드스페이스 추출 방법입니다. 추출 중에 사용되는 용매의 부족과 거의 진공 조건은 tert-butylation 및 고상 미세 추출과 같은 다른 추출 옵션과 비교할 때 상대적으로 쉽고 빠른 방법을 개발할 수있게합니다. 여기에 설명된 워크플로는 모노 및 공동 문화권의 특정 휘발성 서명을 식별하는 데 사용되었습니다. 또한, 인간 관련 생물학적 샘플의 안정한 동위원소 프로빙의 분석은 일반적으로 또는 고유하게 생산되는 VOC를 확인했다. 이 백서는 살아있는 미생물 배양물의 안정적인 동위원소 조사와 함께 ASE의 일반적인 워크 플로우 및 실험 고려 사항을 제시합니다.
휘발성 유기 화합물 (VOCs)은 모든 유기체에서 방출되기 때문에 박테리아 검출 및 식별에 큰 약속을 가지고 있으며, 다른 미생물은 고유 한 VOC 서명을 가지고 있습니다. 휘발성 분자는 만성 폐쇄성 폐 질환1, 소변3의 결핵2, 인공호흡기 관련 폐렴4를 포함한 다양한 호흡기 감염을 검출하기 위한 비침습적 측정으로서 활용되었으며, 낭포성 섬유증(CF)을 가진 피험자를 건강한 대조군 피험자(5,6)와 구별하는 것 이외에 활용되었다. 휘발성 서명은 심지어 CF에서 특정 병원체 감염을 구별하기 위해 사용되었다 (스타필로코커스 아우레우스 7, 슈도모나스 aeruginosa 8,9, 및 S. 아우레우스 대 P. aeruginosa10). 그러나, 이러한 생물학적 샘플의 복잡성으로 인해, 특정 VOC의 공급원을 정확히 찾아내는 것은 종종 어렵다.
다수의 감염 미생물로부터 휘발성 프로파일을 분리하기 위한 하나의 전략은 모노- 및 공동-배양11 둘 다에서 미생물의 헤드스페이스 분석을 수행하는 것이다. 헤드스페이스 분석은 샘플 자체에 포함된 분석물이 아닌 샘플 위의 "헤드스페이스"로 방출되는 분석물을 검사합니다. 미생물 대사 산물은 종종 복잡한 임상 샘플에서 미생물 대사 산물의 기원을 결정하는 데 어려움이 있기 때문에 단일 배양에서 특성화되었습니다. 박테리아 모노 배양물로부터의 휘발성 물질을 프로파일링함으로써, 미생물이 시험관내에서 생성하는 휘발성 물질의 유형은 그의 휘발성 레퍼토리의 기준선을 나타낼 수 있다. 박테리아 배양물을 결합, 예를 들어, 공동 배양물을 생성하고, 생성된 휘발성 분자를 프로파일링하는 것은 박테리아(12) 사이의 상호작용 또는 교차-공급을 나타낼 수 있다.
휘발성 분자의 미생물 기원을 확인하기 위한 또 다른 전략은 안정한 동위원소로 표지되는 영양 공급원을 제공하는 것이다. 안정한 동위원소는 자연적으로 발생하며, 중성자의 수가 다른 원자의 비방사성 형태이다. 1930년대 초부터 동물(13)의 활성 대사를 추적하기 위해 활용되어 온 전략에서, 미생물은 라벨이 붙은 영양원을 떼어내고 안정적인 동위원소를 대사 경로에 통합한다. 보다 최근에, 중수 형태의 안정한 동위원소 (D2O)가 임상 CF 객담 샘플14에서 대사적으로 활성인 S. 아우레우스를 확인하기 위해 사용되었다. 또 다른 예에서, 13C표지된 글루코스는 P. aeruginosa와 Rothia mucilaginosa12의 CF 임상 단리물 사이의 대사산물의 교차 공급을 입증하는데 사용되었다.
질량 분광법 기술의 발전과 함께, 휘발성 신호를 검출하는 방법은 질적 관찰에서 더 정량적 측정으로 옮겨갔습니다. 가스 크로마토그래피 질량 분광법 (GC-MS)을 사용함으로써 생물학적 샘플의 처리는 대부분의 실험실 또는 임상 환경에서 도달 할 수있게되었습니다. 휘발성 분자를 조사하기 위한 많은 방법들이 오염을 검출하기 위해 식품, 박테리아 배양물, 및 다른 생물학적 샘플, 및 공기 및 물과 같은 샘플을 프로파일링하는데 사용되어 왔다. 그러나, 높은 처리량을 갖는 휘발성 샘플링의 몇몇 일반적인 방법은 용매를 필요로 하며, 진공 추출에 의해 제공되는 이점으로 수행되지 않는다. 또한 분석 15,16,17,18,19에 더 많은 부피 또는 양(0.5mL 초과)의 샘플링된 물질이 필요한 경우가 많지만, 이는 기판에 따라 다르며 각 샘플 유형 및 방법에 대한 최적화가 필요합니다.
여기서, GC-MS 상에서 열 탈착에 이어 진공 보조 흡착제 추출(VASE)을 사용하여 박테리아 모노 및 공동 배양물의 휘발성 프로파일을 조사하고 인간 분변, 타액, 하수 및 객담 샘플로부터 안정한 동위원소 프로빙을 갖는 활발하게 생성된 휘발성 물질을 확인했다(도 1). 제한된 샘플 수량으로, VOCs는 가래의 최소 15 μL에서 추출되었다. 인간 샘플을 이용한 동위원소 프로빙 실험은 미생물 군집의 성장을 육성하기 위해 13C글루코스와 같은 안정한 동위원소 공급원 및 배지를 첨가하는 것이 필요했습니다. 휘발성 물질의 활성 생산은 GC-MS에 의해 더 무거운 분자로 확인되었다. 정적 진공 하에서 휘발성 분자를 추출하면 감도가 증가한 휘발성 분자를 검출할 수 있었습니다20,21,22.
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1. 헤드스페이스 흡착펜(HSP) 및 샘플 분석 고려 사항
참고: 흡착제 Tenax TA를 함유하는 HSP는 광범위한 휘발성 물질을 포획하기 위해 선택되었다. Tenax는 다른 흡착제에 비해 물에 대한 친화력이 낮기 때문에 수분이 높은 샘플에서 더 많은 VOC를 포획 할 수 있습니다. Tenax는 또한 불순물 수준이 낮으며 재사용을 위해 컨디셔닝 될 수 있습니다. 흡착제 선택은 또한 GC-MS에 설치된 컬럼을 고려하여 이루어졌다( 물질의 표 참조).
2. 모노 및 공동 문화 준비
3. 생물학적 샘플 준비에서 안정적인 동위원소 프로빙
참고 : 대변과 타액 샘플은 캘리포니아 어바인 기관 검토위원회 (HS # 2017-3867)의 승인을 받아 익명의 기증자로부터 기증되었습니다. 하수는 캘리포니아 주 샌디에고에서 나왔습니다. 가래 샘플은 낭포성 섬유증을 앓고있는 피험자로부터 미시간 의과 대학 기관 검토 위원회 (HUM00037056)에 의해 승인 된 더 큰 연구의 일환으로 수집되었습니다.
4. 시료 추출
5. 가스 크로마토그래피에서 샘플 분석 - 질량 분광계 (GC-MS)
6. 데이터 분석
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S. aureus, P. aeruginosa, A. baumannii의 모노 및 공동 문화
모노 및 공동 배양은 박테리아 종 S. aureus, P. aeruginosa, 및 A. baumannii로 구성되었다. 이들은 인간의 상처와 만성 감염에서 발견되는 일반적인 기회 주의적 병원체입니다. 모노- 및 공동-배양물에 존재하는 휘발성 분자를 확인하기 위해, 200 rpm 교반으로 70°C에서 짧은 1-h 추출을 수행하였다. 24- 및 48-h 시점에서의 모노- 및 공동 배양물로부터, 43개의 주석이 달린 휘발성 분자가 검출되었고(도 2), 그 중 알데히드, 케톤, 알코올, 황산 화합물, 탄화수소, 카르복실산 또는...
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시험관내 배양 및 인간 관련 샘플에서의 휘발성 생산을 확인하기 위해, P. aeruginosa, S. aureus 및 A. baumanii의 모노- 및 공동 배양물의 휘발성 분석 및 상이한 생물학적 샘플의 안정한 동위원소 프로빙을 수행하였다. 모노- 및 공동-배양물에 대한 분석에서, 휘발성 물질은 70°C에서 1시간 동안 짧은 추출을 수행하여 검출되었다. 모노 및 공동 배양의 휘발성 분석은 개별 종에 의해 그리고 다른 종과의 상호 작용 중에 생성 된 화합물의 조사를 허용했습니다. 다른 문화 유형과 시간대에 걸쳐 상대적 풍부함의 차이가있었습니다. 안정한 동위원소 프로빙 실험에서, 생물학적 샘플은 낭포성 섬유증을 앓고 있는 피험자로부터의 건강한 피험자로부터의 대변과 타액, 하수 및 가래를 포함하였다. 안정한 동위원소 프로파일링은 37°C에서 18시간 동안 추출함으로써 활발하게 생성된 휘발성 분자의 동정을 가능하게 하였다. 더 낮은 온도로 긴 추출 시간은 생물학적 샘플에 존재하는 미...
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V. L. V와 S. J.B. D.는 Entech Instruments Inc.의 전직 직원이었으며 K. W.는 Entech의 University Program의 회원입니다. J. P., J. K., C. I. R.은 선언할 이해상충이 없다.
이 원고를 신중하게 편집해 주신 Heather Maughan과 Linda M. Kalikin에게 감사드립니다. 이 작업은 NIH NHLBI (보조금 5R01HL136647-04)가 지원했습니다.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 13C 포도당 | Sigma-Aldrich | 389374-1G | |
| 2-Stg 디아프 펌프 | Entech Instruments | 01-10-20030 | |
| 20 mL VOA 바이알 | Fisher Scientific | 5719110 | |
| 24 mm 검은색 구멍이 있는 캡, 격막 없음 | Entech Instruments | 01-39-76044B | 의 뚜껑 라이너를 제자리에 고정합니다 |
| . | Entech Instruments | SP-L024S | 상단에 진공 밀봉을 할 수 있도록 합니다 |
| . | Entech Instruments | 5600-SPES | 5600 흡착 펜 추출 장치 -120 VAC |
| 96-well 분석 플레이트 | Genesee | 25-224 | |
| 뇌 심장 주입(BHI) 매체 | Sigma-Aldrich | 53286-500G | |
| ChemStation 스토웨어 | 애질런트 | ||
| DB-624 컬럼 | 애질런 | 122-1364E | 60m, 0.25mm ID, 1.40미크론 필름 두께, GC-MS |
| 중수소산화물 | 시그마-알드리치 | 151882-1L | |
| Dexsi 소프트웨어 | Dexsi(오픈 소스) | ||
| GC-MS(7890A GC 및 5975C 비활성 XL MSD(3축 검출기 포함) | 애질런트 | 7890A GC 및 5975C 비활성 XL MSD(3축 포함) 검출기 | |
| 헤드스페이스 번들 HS-B01, 120VA | Entech Instruments | SP-HS-B01 | 번들에 포함된 실행 헤드스페이스 추출용 항목 |
| 헤드스페이스 흡착 펜(HSP) - 빈 | Entech Instruments | SP-HS-0 | |
| 헤드스페이스 흡착식 펜(HSP) Tenax TA(35/60 메시) | Entech Instruments | SP-HS-T3560 | |
| 마이크로 원심분리기 튜브(2mL) | VWR | 53550-792 | |
| O-링 | Entech Instruments | SP-OR-L024 | |
| 샘플 준비 레일 | Entech Instruments | ||
| 흡착식 펜 열 조절기 | Entech Instruments | 3801-SPTC | |
| Todd Hewitt (TH) 미디어 | Sigma | T1438-500G |
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