Opisano niedrogą, wysokoprzepustową metodę jednoczesnego wykrywania do 43 celów molekularnych. Zastosowania mPCR/RLB obejmują typowanie mikrobiologiczne oraz wykrywanie wielu patogenów w próbkach klinicznych.
Artykuł metodologiczny
Opisano niedrogą, wysokoprzepustową metodę jednoczesnego wykrywania do 43 celów molekularnych. Zastosowania mPCR/RLB obejmują typowanie mikrobiologiczne oraz wykrywanie wielu patogenów w próbkach klinicznych.
Analiza Multiplex PCR/Reverse Line Blot Hybridization umożliwia detekcję do 43 celów molekularnych w 43 próbkach przy użyciu jednej reakcji multiplex PCR, po której następuje hybrydyzacja sond na wielokrotnego użytku membranie nylonowej. Sondy są modyfikowane aminą na końcu 5', co pozwala na ich utrwalenie na membranie. Primery są modyfikowane biotyną na końcu 5', co umożliwia detekcję zhybrydyzowanych produktów PCR przy użyciu streptawidyny-peroksydazy i substratu chemiluminescencyjnego za pomocą filmu światłoczułego. Dzięki niskim kosztom konfiguracji i materiałów eksploatacyjnych technika ta jest niedroga (około 2 USD za próbkę), charakteryzuje się wysoką przepustowością (możliwość jednoczesnego przetwarzania wielu membran) oraz krótkim czasem realizacji (około 10 godzin).
Technikę tę można wykorzystać na kilka sposobów. Można zaprojektować wiele sond w celu wykrycia zmienności sekwencji w obrębie jednego produktu amplifikacji lub jednocześnie amplifikować wiele produktów, używając jednej (lub więcej) sond do późniejszej detekcji. W ramach jednego testu można zastosować również połączenie obu tych podejść. Możliwość zastosowania wielu sond dla jednej sekwencji docelowej sprawia, że test jest wysoce specyficzny.
Opublikowane zastosowania mPCR/RLB obejmują wykrywanie genów oporności na antybiotyki1,2, typowanie metycylino-opornych Staphylococcus aureus3-5 oraz Salmonella sp6, molekularne serotypowanie Streptococcus pneumoniae7,8, Streptococcus agalactiae9 i enterowirusów10,11, identyfikację Mycobacterium sp12, wykrywanie patogenów narządów płciowych13-15, dróg oddechowych16 i innych17 oraz wykrywanie i identyfikację mollicutes18. Jednak wszechstronność tej techniki sprawia, że jej zastosowania są praktycznie nieograniczone i nie ograniczają się wyłącznie do analizy molekularnej mikroorganizmów.
Pięć etapów mPCR/RLB to: a) projektowanie starterów i sond, b) ekstrakcja DNA i amplifikacja PCR, c) przygotowanie membrany, d) hybrydyzacja i detekcja oraz e) regeneracja membrany.
Należy poświęcić szczególną uwagę projektowaniu starterów i sond. W celu zidentyfikowania konserwatywnych obszarów stanowiących odpowiednie cele, należy wykorzystać wszystkie dostępne sekwencje interesujących nas celów z baz danych, takich jak GenBank. W przypadku amplifikacji dużej liczby celów w jednym badaniu mPCR, każda amplifikowana sekwencja powinna mieć podobną długość i nie powinna przekraczać 300 par zasad, aby uniknąć konkurencji. Alternatywnym zastosowaniem tej metody jest amplifikacja jednego dłuższego celu za pomocą starterów skierowanych przeciwko regionom konserwatywnym i użycie wielu sond do identyfikacji zmienności sekwencji w obrębie amplikonu. W takim przypadku amplifikowany produkt PCR może być dłuższy. Temperatury przyłączania starterów powinny być zbliżone, a warunki PCR odpowiednio dostosowane. Należy unikać starterów, które tworzą silne struktury drugorzędowe lub dimery starterów. Do wiarygodnego przewidywania tych cech można użyć kalkulatora DNA Sigma Aldrich (http://www.sigma-genosys.com/calc/DNACalc.asp).
Sondy DNA powinny być zaprojektowane tak, aby ich temperatury hybrydyzacji były zbliżone do 60°C. W celu maksymalizacji swoistości w teście można zastosować dwie sondy dla każdego docelowego sekwencji: jedną hybrydyzującą z forwardową nicią DNA w sąsiedztwie miejsca wiązania primera reverse, a drugą z nicią reverse w sąsiedztwie miejsca wiązania primera forward. W takim przypadku oba primery (forward i reverse) muszą być modyfikowane biotyną. Jeśli dla każdego amplifikowanego celu stosowana jest tylko jedna sonda, modyfikacja biotyną jest wymagana tylko dla jednego primera.
Projektując startery i sondy do testu mPCR/RLB, zdecydowanie zaleca się stosowanie metod in silico do przewidywania produktów PCR oraz hybrydyzacji sond w celu korelacji z wynikami in vitro. Idealnie powinno się to przeprowadzać z wykorzystaniem izolatów, dla których dostępna jest sekwencja całego genomu. W tym celu można wykorzystać oprogramowanie takie jak FastPCR (dostępne pod adresem http://primerdigital.com/fastpcr.html). Słaby lub brak sygnału sondy można przewidzieć w przypadkach, gdy analiza in silico wskazuje na niedopasowania par zasad skutkujące niskimi temperaturami przyłączania sondy.
Techniki ekstrakcji DNA różnią się w zależności od badanych próbek, a warunki PCR zależą od projektu starterów. W celu uzyskania szerszych informacji na temat odczynników i warunków ekstrakcji DNA oraz PCR odsyłamy czytelników do publikacji dotyczących poszczególnych testów1-19.
Każdy test przeprowadza się z odpowiednimi kontrolami, aby uzyskać co najmniej jeden sygnał dodatni i jeden ujemny dla każdej sondy na membranie, a także kontrolę wolną od DNA. Ponadto korzystne jest umieszczenie na górze membrany sondy, która powinna być dodatnia dla wszystkich próbek (np. sondy specyficznej dla gatunku lub rodzaju w przypadku mikroorganizmów). Służy ona jako dodatnia sonda kontrolna, a także umożliwia łatwą orientację w wynikach.
1. Przygotowanie membrany
2. Hybrydyzacja i detekcja
3. Regeneracja membrany
4. Reprezentatywne wyniki:
Najlepsze efekty obserwacji uzyskuje się, kładąc film na wydrukowanej siatce lub skanując obraz i importując go do oprogramowania takiego jak BioNumerics (Applied Maths, Sint-Martens-Latem, Belgia). Każdy wynik sondy należy interpretować w odniesieniu do sond kontrolnych dodatnich i ujemnych. Wyniki najlepiej klasyfikować jako ujemne, słabe lub dodatnie. Wyniki dodatnie to takie, w których sygnał jest tak samo silny lub silniejszy niż w przypadku dodatniej sondy kontrolnej. Wyniki ujemne to takie, w których sygnał nie występuje lub jest równy sygnałowi z ujemnej kontroli (w przypadku sygnału tła). Wyniki słabe to takie, w których sygnał jest słabszy niż w przypadku dodatniej sondy kontrolnej, ale silniejszy niż w przypadku ujemnej kontroli. Wyniki słabe mogą być efektem mutacji punktowych prowadzących do słabego wiązania sondy lub wynikać z nieswoistych sygnałów powstałych w wyniku tworzenia dimerów starterów. Zastosowanie dwóch sond na każdy analizowany cel może poprawić specyficzność, dzięki czemu pojedynczy słaby wynik można bezpiecznie zinterpretować jako sygnał nieswoisty. W przypadku jakichkolwiek wątpliwości można przeprowadzić reakcję PCR w układzie single-plex z detekcją żelową i sekwencjonowaniem każdego amplifikowanego produktu, aby ustalić, czy wynik jest rzeczywiście dodatni. Reprezentacyjny wynik przedstawiono na rysunku 2.

Rysunek 1. Zasady mPCR/RLB (P1) Krok 1.9. Sondy zmodyfikowane grupami aminowymi są kowalencyjnie wiązane z membraną nylonową. (P2) Krok 2.10. Produkty PCR zmodyfikowane biotyną ulegają hybrydyzacji z sondami. (P3) Krok 2.14. Streptawidyna, znakowana peroksydazą, jest inkubowana z membraną i wiąże się z biotyną. (P4) Kroki 2.19-2.21. Peroksydaza katalizuje reakcję w odczynnikach do detekcji ECL, emitując światło, na które naświetlana jest folia światłoczuła. Następnie membrana jest płukana w celu ponownego użycia.

Rycina 2. Reprezentatywny wynik mPCR/RLB. Próbki od 1 do 6 stanowią kontrole pozytywne – pomiędzy nimi występuje co najmniej jeden pozytywny sygnał sondy dla każdej z 43 sond. Każda sekwencja docelowa (od A do U) jest wykrywana za pomocą dwóch różnych sond w celu maksymalizacji swoistości. Sondy A1 i A2 to sondy specyficzne gatunkowo, które powinny być pozytywne dla każdej próbki i pomagają w orientacji folii. Sonda A1 jest powtórzona na dole membrany. Próbki 7 i 8 to kontrole negatywne. Należy zauważyć, że sondy Q1, Q2, T1 i T2 wykazują sygnał w kontrolach negatywnych, co wskazuje na prawdopodobne nieswoiste wiązanie starterów lub obecność produktu dimerów starterów. Wymagane byłoby przeprojektowanie tych sond lub starterów. Sondy C1, D1 i F1 wykazują smużenie na membranie, prawdopodobnie z powodu nieswoistego wychwytu koniugatu streptawidyna-peroksydaza lub substratu chemiluminescencyjnego, jednak jest to łatwo rozróżnialne od prawdziwych pozytywnych sygnałów sond. Sondy D1 i D2 mają stosunkowo słaby sygnał w porównaniu z innymi sondami, co może wynikać z większych amplikonów prowadzących do mniej wydajnej amplifikacji. Sonda J2 jest negatywna w kilku próbkach (1, 3, 4, 6, 39), w których sonda J1 jest pozytywna. Najprawdopodobniej reprezentuje to mutację w miejscu wiązania J2 dla tych próbek.
Metoda mPCR/RLB pozwala na jednoczesną detekcję dużej liczby amplikonów PCR. Dzięki wysokiej czułości detekcji opartej na sondach chemiluminescencyjnych, do amplifikacji matrycy DNA można zastosować pojedynczą reakcję multiplex PCR z dużą liczbą par starterów.
Jeśli w przypadku jednej lub większej liczby próbek nie uzyskano sygnałów sondy, przeprowadzenie elektroforezy żelowej pozostałego produktu PCR może pomóc w ustaleniu, czy problem dotyczy amplifikacji PCR, czy hybrydyzacji sondy. W sytuacjach, gdy wszystkie sygnały sond na membranie są słabe lub nieobecne, ale elektroforeza żelowa wskazuje na pomyślną amplifikację PCR, możliwe przyczyny obejmują problemy z znakowaniem membrany, nieprawidłową regenerację membrany po poprzednim użyciu, niewłaściwe temperatury podczas hybrydyzacji lub inkubacji ze streptawidyną, a także wadliwy koniugat streptawidyna-peroksydaza lub odczynnik detekcyjny.
Jeśli próbki kontrolne wskazują, że poszczególne sondy mogą generować fałszywie ujemne sygnały, można przeprowadzić pojedynczą reakcję PCR z detekcją żelową i następującym po niej sekwencjonowaniem, aby zweryfikować amplifikację produktu PCR oraz poszukać wariantów sekwencji w miejscu wiązania sondy. Słaby lub brak sygnału sondy może wynikać z dużego rozmiaru amplikonu: jeśli to możliwe, wszystkie amplikony powinny mieć podobną długość i nie przekraczać 300 bp. Wtórne struktury DNA amplikonów mogą również powodować słabe wiązanie sondy i może to wymagać ponownego zaprojektowania starterów. Można również modyfikować stężenia poszczególnych starterów lub sond w celu optymalizacji siły sygnału.
Fałszywie dodatnie sygnały wynikające z wiązania sond z nieamplifikowanymi starterami lub produktami dimerów starterów można zbadać, przeprowadzając pojedynczą reakcję PCR z detekcją żelową i następującym po niej sekwencjonowaniem. W takim przypadku konieczna może być zmiana projektu sond. Mutacje punktowe w miejscach wiązania sond mogą prowadzić do słabych lub nieobecnych sygnałów. Zastosowanie dwóch sond dla każdego amplifikowanego produktu pozwala na łatwą detekcję tego zjawiska. Cecha ta może zostać wykorzystana przy starannym zaprojektowaniu starterów i sond do wykrywania niewielkich wariacji sekwencji w docelowym DNA.
Podsumowując, choć dostępnych jest wiele metod wykrywania produktów po reakcjach multipleksowej PCR, mPCR/RLB charakteryzuje się wysoką przepustowością, niskim kosztem oraz niskimi kosztami konfiguracji. Elastyczność tej metody pozwala na jej zastosowanie w szerokim zakresie analiz.
Nie zadeklarowano konfliktów interesów.
Matthew O'Sullivan i Fei Zhou są laureatami stypendiów badawczych dla doktorantów medycyny przyznawanych przez Australian National Health and Medical Research Council.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 5’ sondy oligonukleotydowe modyfikowane aminą C6 | Sigma-Aldrich | ||
| NaHCO33 | Sigma-Aldrich | S-8875 | roztwór 0,5 M doprowadzony do pH 8,4 |
| NaOH | Sigma-Aldrich | S5881 | roztwór 0,1 M |
| bufor 20x SSPE | Amresco | 0810-4L | |
| Dodecylosiarczan sodu (SDS) | Sigma-Aldrich | L-4390 | Przygotować 10% roztwór stokowy; nie autoklawować; przechowywać maksymalnie przez 1 tydzień przed użyciem. |
| Kwas etylenodiaminotetraoctowy (EDTA) | Sigma-Aldrich | E9884 | Przygotować roztwór 0,5 M, dostosować pH do wartości 8,0 i wysterylizować w autoklawie |
| N-(3-dimetyloaminopropyl)-N′hydrochlorowodorek 1-etylo-3-(3-dimetyloaminopropyl)karbodiimidu (EDAC) | Sigma-Aldrich | E7750 | Tuż przed użyciem przygotować 20 ml 16% roztworu, rozpuszczając 3,2 g EDAC w 18 ml wody Millipore. |
| BiodyneC 0,45 μmembrana nylonowa 20x20 cm | Pall Corporation | 74480C | |
| Woda dejonizowana, oczyszczona | |||
| Detergent w płynie Pyroneg | Johnson Diversey | HH12291 | |
| Koniugat streptawidyna-peroksydaza | Grupa Roche | 11 089 153 001 | |
| odczynniki do detekcji Amersham ECL | GE Healthcare | RPN2105 | |
| Odczynniki do detekcji Amersham ECL | GE Healthcare | RPN2105 | |
| Folia do rzutnika overhead (OHP) | Corporate Express | EXP 504 OHP | |
| Amersham hyperfilm ECL wysokowydajny film chemiluminescencyjny 18x24 cm | GE Healthcare | 28906837 | |
| Lód | |||
| Tabela 1. Materiały eksploatacyjne wykorzystane w analizie mPCR/RLB. | |||
| Mieszadło Hybaid’n’Inkubatory piętrowe (2) z systemem obrotowym dla butelek i nylonową siatką rozdzielczą | Thermo Fisher Scientific, Inc. | HBSNSRS220 | Metodę można przeprowadzić w jednym inkubatorze, pod warunkiem że istnieje możliwość utrzymywania roztworów w temperaturze 42°C.°C i 60°C przed użyciem |
| Platforma kołysząca Belly Dancer | Stovall Life Sciences, IBI Sciences | Euro BDbo | |
| Miniblotter | Immunetyka | MN100-45 | |
| Kąpiel wodna | |||
| Odsysanie | |||
| Płyta grzejna | |||
| Kasetka ekspozycyjna | Sigma-Aldrich | Z36,009-0 | |
| Wywoływacz do filmów rentgenowskich | Można również zastosować kuwety z wywoływaczem, utrwalaczem i wodą w ciemni zamiast automatycznej wywoływarki. Zamiast filmu rentgenowskiego można również użyć obrazownika luminescencyjnego. | ||
| Tabela 2. Wyposażenie wymagane do analizy mPCR/RLB. |