Dit protocol beschrijft een volledig geïntegreerde methode op basis van een microfluidische chip en LAMP, die point-of-care detectie mogelijk maakt van 15 pathogenen die lagere luchtweginfecties veroorzaken bij IC-patiënten binnen één uur.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
* These authors contributed equally
Dit protocol beschrijft een volledig geïntegreerde methode op basis van een microfluidische chip en LAMP, die point-of-care detectie mogelijk maakt van 15 pathogenen die lagere luchtweginfecties veroorzaken bij IC-patiënten binnen één uur.
Infecties van de lagere luchtwegen (LRTIs) behoren tot de belangrijkste oorzaken van klinische achteruitgang en overlijden bij kritiek zieke patiënten. Op de intensive care (IC) is een tijdige identificatie van de veroorzakende pathogeen essentieel voor een passende antimicrobiële therapie; conventionele kweekmethoden duren echter 3 tot 5 dagen en hebben suboptimale positiviteitspercentages, in het bijzonder voor schimmels. Moleculaire benaderingen zoals PCR verkorten de doorlooptijd, maar zijn nog steeds afhankelijk van handmatige extractie van nucleïnezuren en thermocycling, wat hun geschiktheid voor gebruik aan het bed beperkt. Dit protocol beschrijft een point-of-care workflow rondom een volledig geïntegreerde, schijfvormige microfluidische chip (CD-chip) die magnetische kraal-gebaseerde zuivering van nucleïnezuren koppelt aan loop-mediated isotherme amplificatie (LAMP). Na een vereenvoudigde handmatige liquefactie- en lysestap wordt het bewerkte monster samen met twee vooraf verpakte reagens vials op de chip geladen. Het instrument voert vervolgens autonoom de extractie, amplificatie bij 65 °C en real-time fluorescentie-uitlezing uit, waarbij kwalitatieve resultaten voor 15 targets worden geretourneerd — namelijk 11 bacteriën, 3 schimmels en 1 atypische pathogeen — binnen 45 min instrument-run-tijd (ongeveer 1 u voor de complete sample-to-answer workflow, inclusief de handmatige voorbehandelingsstap). We presenteren detectiegegevens van 10 IC-monsters, waaronder sputum, bronchiale aspiraten en bronchoalveolaire lavagevloeistof, omvattend zowel enkelvoudige pathogeen- als polymicrobiële co-infecties met tot 7 organismen op één chip. Het gesloten cartridge-ontwerp minimaliseert het risico op aerosolcontaminatie, en de enkele laadstap vereist geen gespecialiseerde training, waardoor dit systeem een praktisch diagnostisch instrument aan het bed is voor IC-teams.
Onder kritiek zieke patiënten op de IC blijven infecties van de onderste luchtwegen, met ventilator-geassocieerde pneumonie (VAP) als belangrijkste vorm, een aanhoudende oorzaak van morbiditeit, verlengde mechanische ventilatie en overmatige mortaliteit1,2. Het microbiologische landschap van op de IC verworven infecties van de onderste luchtwegen (LRTIs) verschilt aanzienlijk van dat van in de gemeenschap verworven ziekten. Multiresistente Gram-negatieven (Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Acinetobacter baumannii) overheersen, vaak in polymicrobiële constellaties die empirische behandelregimes bemoeilijken3,4. Opportunistische schimmels voegen een extra laag complexiteit toe. Invasieve pulmonale aspergillose, ooit beschouwd als een kenmerk van diepe immunosuppressie, wordt nu met toenemende frequentie vastgesteld bij niet-neutropene IC-patiënten, met name na ernstige influenza en COVID-195. Bestaande diagnostische algoritmen voor aspergillose combineren kweekmethoden met een lage opbrengst met galactomannan (GM) antigeentests, maar de GM-assay wordt beperkt door goed gedocumenteerde diagnostische vensters en een variabele sensitiviteit bij niet-neutropene gastheren6. Elk uur vertraging bij het starten van een passende antimicrobiële therapie voor sepsis is geassocieerd met een meetbare toename in mortaliteit7. Gezameld gezien vereisen de snelheid en complexiteit van IC-infecties diagnostische instrumenten die kunnen voldoen aan de klinische urgentie.
Standaard microbiologische kweek is onmisbaar voor gevoeligheidstesten, maar is fundamenteel beperkt door de snelheid: de doorlooptijd bedraagt 3 tot 5 dagen, veeleisende organismen worden gemist en de positiviteit van schimmelkweken blijft laag8. Metagenomische next-generation sequencing (mNGS) biedt een onbevooroordeeld alternatief, maar de klinische adoptie wordt belemmerd door de kosten, verwerkingstijden van 24 tot 48 uur, de afhankelijkheid van bioinformatica-pipelines en de beperkte haalbaarheid aan het bed van de patiënt (point-of-care)9. PCR-gebaseerde panels hebben de tijdkloof verkleind, maar vereisen nog steeds een extractie van nucleïnezuren in meerdere stappen, thermocyclus-instrumentatie en, voor conventionele formaten, elektforese na amplificatie10. Geen van deze platforms voldoet volledig aan de convergente eisen van de ICU: een snelheid van minder dan één uur, minimale handmatige tijd, gemultiplexte pathogeendekking inclusief schimmels en een operationele eenvoud die voldoende is voor niet-laboratoriumpersoneel.
Loop-gemedieerde isotherme amplificatie (LAMP) lost verschillende van deze beperkingen op. De methode, voor het eerst beschreven door Notomi et al., amplificeert doel-DNA bij een constante temperatuur van 65 °C met behulp van een set van vier tot zes primers die zes verschillende regio's herkennen, aangestuurd door een strand-displacing polymerase11. De reactie genereert karakteristieke stem-loop en bloemkoolachtige ampliconstructuren die detecteerbaar zijn via real-time fluorescentie, wat leidt tot S-vormige curven binnen enkele minuten na het overschrijden van de drempelwaarde. De gevoeligheid bij lage templateconcentraties is hoog, en het multi-primer ontwerp biedt een selectiviteit die fout-positieven beperkt12,13. Wanneer LAMP wordt gekoppeld aan microfluidische chipplatforms, kan het proces geparalleliseerd worden over meerdere doelwitten vanuit één enkel monster14. Eerder werk heeft aangetoond dat LAMP-chipsystemen respiratoire pathogenen detecteren met een doorlooptijd van ruim onder de drie uur15. Een belangrijke beperking van deze systemen is echter hun afhankelijkheid van aparte, handmatige DNA-extractie, wat tijd, operationele complexiteit en het risico op contaminatie toevoegt.
Het hier beschreven systeem elimineert deze bottleneck. Het systeem is gebouwd rond een microfluïdische chip voor eenmalig gebruik in de vorm van een schijf (86 mm in diameter) en integreert monsterladen, zuivering van nucleïnezuren op basis van magnetische kralen en 16-plex LAMP-amplificatie in één enkele afgesloten cartridge (Figuur 1). De operator voert slechts een korte handmatige liquefactie-lysisstap uit met een speciaal ontworpen verwerkingsbuis en laadt vervolgens het lysaat en twee reagensflesjes op de chip (Figuur 2). Vanaf dat moment verzorgt het instrument autonoom de extractie, isotherme amplificatie bij 65 °C en fluorescentieacquisitie, waarbij binnen 45 min kwalitatieve uitslagen worden geleverd voor 15 klinisch relevante targets, namelijk 11 bacteriën, 3 schimmels (Aspergillus spp., Candida albicans, Pneumocystis jirovecii) en 1 atypisch pathogeen (Mycoplasma pneumoniae). Een neuroblastoma breakpoint family (NBPF)-gen, dat als interne controle dient, valideert de geschiktheid van het monster en de integriteit van de reactie in elke assay. Dit protocol biedt stapsgewijze instructies voor de volledige workflow, van monsterafname op de ICU via de voorbewerking, het laden van de chip en geautomatiseerde detectie tot de interpretatie van de resultaten, bedoeld voor zowel klinisch laboratoriumpersoneel als teams aan het bed op de ICU.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Alle monsters zijn verzameld volgens een protocol dat is goedgekeurd door de Ethiekcommissie van het Peking Union Medical College Hospital, Chinese Academy of Medical Sciences (goedkeuringsnummer I-24PJ1778). Voorafgaand aan de monstername is schriftelijke geïnformeerde toestemming verkregen van elke deelnemer of diens wettelijk gemachtigde vertegenwoordiger. Het panel met doelpathogenen en de toewijzing van de reactieputjes staan vermeld in Tabel 1, en de verbruiksartikelen die tijdens de monstervoorbewerking zijn gebruikt, staan vermeld in Tabel 2.
1. Afname van klinische monsters uit de onderste luchtwegen op de ICU
2. Liquefactie en pathogenenlyse
3. Chipbelading en geautomatiseerde detectie
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Na voltooiing van een geldige run toonde het instrument real-time fluorescentiesporen voor alle 16 kanalen. Positieve kanalen vertoonden de verwachte S-vormige amplificatiekinetiek met automatisch geannoteerde TP-waarden, terwijl negatieve kanalen op de basislijn bleven. Het IC-kanaal (putje 16) leverde in alle geldige runs een S-vormige curve op met TP < 12 min.
Als pilot en proof-of-concept demonstratie van het protocol werden 10 representatieve monsters geselecteerd om de reeks klinisch...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Snelle identificatie van pathogenen is van cruciaal belang bij het beheer van infecties op de intensive care. Het hier beschreven systeem reduceert de tijd tot identificatie van de pathogeen van de 3 tot 5 dagen die doorgaans nodig zijn voor een kweek naar minder dan 1 uur, een tijdsbestek waarin eerstelijnsbeslissingen over antimicrobiële middelen vaak worden genomen7. Door nucleïnezurextractie, zuivering en 16-plex LAMP-amplificatie te integreren in één enkele verzegelde chip, elimineert deze wo...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren geen concurrerende belangen.
Niet-overdraagbare chronische ziekten-Nationaal Wetenschaps- en Technologiehoofdproject (No. 2023ZD0516500), Nationale klinische onderzoeksfinanciering voor ziekenhuizen van hoog niveau (2026-PUMCH-A-103) en CMB Open Competition Program (24-561) en Peking Union Medical College Hospital Talent Cultivation Program (No.UGG11571).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Geautomatiseerde nucleïnezuuranalyzer | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | THE-T80-01 | TurboFlow T; voert centrifugale reagensdistributie, extractie met magnetische beads, LAMP bij 65 °C en real-time fluorescentiedetectie uit (~45 min run) |
| #1 Wegwerppasteurpipet | Zhongtai Experimental Equipment Factory (Haimen) | Custom-made | Wegwerpmateriaal; 0.5 mL; overbrengt gehomogeniseerd monster naar lysebuis |
| #2 Wegwerppasteurpipet | Zhongtai Experimental Equipment Factory (Haimen) | Custom-made | Wegwerpmateriaal; 2 mL; zuigt monster tot aan de markeerlijn op in de liquefactiebuis |
| CD-chip | Beijing Hongyang Chensheng Technology Co., Ltd | Custom-made | Wegwerpmateriaal; disc van 86 mm met centrale laadzone (poorten O, B, S), zone voor zuivering met magnetische beads en buitenring met 16 reactieputjes (15 pathogene targets + NBPF interne controle) |
| LAMP-reactiereagentia | Yeasen Biotechnology (Shanghai) Co., Ltd | 16730ES80 | LAMP-reactiereagentia vooraf opgeslagen in de CD-chip als gelyofiliseerde beads |
| Liquefactiebuis | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | Custom-made | Wegwerpmateriaal; 2 mL/buis; ontvangt monster voor handmatige homogenisatie |
| Lysebuis | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | Custom-made | Wegwerpmateriaal; 0.5 mL/buis; samendrukbare siliconen behuizing met 200 µm filtermembraan; voorgevulde lysereagentia |
| Primers | Sangon Biotech (Shanghai) Co., Ltd | Custom-made | Primermengsel ingebed in de reactiekamer van de CD-chip |
| Apparaat voor monster-preprocessering | Beijing Taihao Biotechnology Co., Ltd | THE-R10-02 | TS-2000; geautomatiseerde liquefactie–lysecyclus (~15 min) |
| Single-dose vial “B” | Ruifu Biotechnology (Guangzhou) Co., Ltd | Custom-made | Wegwerpmateriaal; voorverpakt on-chip reagens; één per test; bewaard bij 4 °C en geëquilibreerd naar kamertemperatuur (~25 °C) vóór het laden |
| Single-dose vial “O” | Ruifu Biotechnology (Guangzhou) Co., Ltd | Custom-made | Wegwerpmateriaal; voorverpakt on-chip reagens; één per test; bewaard bij 4 °C en geëquilibreerd naar kamertemperatuur (~25 °C) vóór het laden |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.