Ogólnym celem tego protokołu jest synteza funkcjonalnych nanosensorów do przenośnego, opłacalnego i szybkiego wykrywania specyficznie ukierunkowanych bakterii chorobotwórczych poprzez połączenie relaksacji magnetycznej i emisji fluorescencji.
Artykuł metodologiczny
Ogólnym celem tego protokołu jest synteza funkcjonalnych nanosensorów do przenośnego, opłacalnego i szybkiego wykrywania specyficznie ukierunkowanych bakterii chorobotwórczych poprzez połączenie relaksacji magnetycznej i emisji fluorescencji.
Enterokrwotoczna Escherichia coli O157:H7 została powiązana zarówno z chorobami przenoszonymi przez wodę, jak i przez żywność, i pozostaje zagrożeniem, pomimo stosowanych obecnie metod badania żywności i wody. Podczas gdy konwencjonalne metody wykrywania bakterii, takie jak reakcja łańcuchowa polimerazy (PCR) i testy immunoenzymatyczne (ELISA), mogą specyficznie wykrywać zanieczyszczenia chorobotwórcze, wymagają one intensywnego przygotowania próbki i długich okresów oczekiwania. Ponadto praktyki te wymagają wyrafinowanych przyrządów i ustawień laboratoryjnych i muszą być wykonywane przez przeszkolonych specjalistów. W niniejszym dokumencie zaproponowano protokół prostszej techniki diagnostycznej, która charakteryzuje się unikalnym połączeniem parametrów magnetycznych i fluorescencyjnych w platformie opartej na nanocząstkach. Proponowane wieloparametryczne nanoczujniki magnetofluorescencyjne (MFnS) mogą wykrywać zanieczyszczenie E. coli O157:H7 przy obecności zaledwie 1 jednostki tworzącej kolonie w roztworze w czasie krótszym niż 1 godzina. Ponadto zweryfikowano zdolność MFnS do zachowania wysokiej funkcjonalności w złożonych mediach, takich jak mleko i woda z jeziora. Zastosowano również dodatkowe testy swoistości, aby zademonstrować zdolność MFnS do wykrywania tylko określonych bakterii docelowych, nawet w obecności podobnych gatunków bakterii. Połączenie modalności magnetycznej i fluorescencyjnej pozwala na wykrywanie i kwantyfikację zanieczyszczenia patogenami w szerokim zakresie stężeń, wykazując wysoką skuteczność zarówno we wczesnym, jak i późnym etapie wykrywania zanieczyszczeń. Skuteczność, przystępność cenowa i przenośność MFnS sprawiają, że są one idealnym kandydatem do badań przesiewowych pod kątem zanieczyszczeń bakteryjnych w miejscu opieki nad pacjentem w szerokim zakresie zastosowań, od zbiorników wodnych po żywność pakowaną komercyjnie.
Uporczywe występowanie skażenia bakteryjnego zarówno w komercyjnie produkowanych źródłach żywności, jak i wody stworzyło zapotrzebowanie na coraz szybsze i bardziej specyficzne platformy diagnostyczne. 1,2 Niektóre z najczęstszych zanieczyszczeń bakteryjnych odpowiedzialnych za zanieczyszczenie żywności i wody pochodzą z rodzajów Salmonella, Staphylococcus, Listeria, Vibrio, Shigella, Bacillus i Escherichia. 3,4 Skażenie bakteryjne tymi patogenami często powoduje objawy takie jak gorączka,, zapalenie żołądka i jelit oraz biegunka. 4 Zanieczyszczenie źródeł wody często ma drastyczne i negatywne skutki dla społeczności bez dostępu do wystarczająco przefiltrowanej wody, a zanieczyszczenie żywności doprowadziło do dużej liczby chorób i prób wycofania produktu. 5,6
Aby zmniejszyć występowanie chorób spowodowanych skażeniem bakteryjnym, podjęto szereg wysiłków w celu opracowania metod, dzięki którym woda i żywność mogą być efektywnie skanowane przed sprzedażą lub spożyciem. 3 Techniki takie jak PCR,1,7,8,9,10 ELISA,11,12 amplifikacja izotermiczna za pośrednictwem pętli (LAMP),13,14 między innymi,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24 są ostatnio używane do wykrywania różnych patogenów. W porównaniu z tradycyjnymi metodami hodowli bakteryjnej, techniki te są znacznie bardziej skuteczne pod względem specyficzności i czasu. Jednak techniki te nadal zmagają się z wynikami fałszywie dodatnimi i ujemnymi, skomplikowanymi procedurami i kosztami. 1,3,25 Właśnie z tego powodu wieloparametryczne magnetofluorescencyjne nanoczujniki (MFnS) są proponowane jako alternatywna metoda wykrywania bakterii.
Te nanosensory unikalnie łączą ze sobą modalności relaksacji magnetycznej i fluorescencji, co pozwala na stworzenie platformy podwójnej detekcji, która jest zarówno szybka, jak i dokładna. Wykorzystując E. coli O157:H7 jako zanieczyszczenie próbki, wykazano zdolność MFnS do wykrycia zaledwie 1 jtk w ciągu kilku minut. Przeciwciała specyficzne dla patogenu są stosowane w celu zwiększenia swoistości, a połączenie modalności magnetycznej i fluorescencyjnej pozwala na wykrywanie i ilościowe określanie zanieczyszczeń bakteryjnych zarówno w zakresie niskiego, jak i wysokiego zanieczyszczenia. 16 W przypadku skażenia bakteryjnego, nanosensory będą roić się wokół bakterii ze względu na zdolność przeciwciał specyficznych dla patogenu do celowania. Wiązanie między magnetycznymi nanoczujnikami a bakteriami ogranicza interakcję między magnetycznym rdzeniem żelaza a otaczającymi go protonami wody. Powoduje to wydłużenie czasu relaksacji T2, rejestrowanego przez relaksometr magnetyczny. Wraz ze wzrostem stężenia bakterii w roztworze nanoczujniki rozpraszają się wraz ze wzrostem liczby bakterii, co skutkuje niższymi wartościami T2. I odwrotnie, emisja fluorescencji będzie rosła proporcjonalnie do stężenia bakterii, ze względu na zwiększoną liczbę nanoczujników bezpośrednio związanych z patogenem. Wirowanie próbek i izolacja osadu bakteryjnego pozwoli zachować tylko nanocząstki bezpośrednio przyczepione do bakterii, usuwając wszelkie swobodnie unoszące się nanoczujniki i bezpośrednio korelując emisję fluorescencji z liczbą bakterii obecnych w roztworze. Schematyczne przedstawienie tego mechanizmu przedstawiono na rysunku 1.
Ta platforma MFnS została zaprojektowana z myślą o badaniach przesiewowych w miejscu opieki nad pacjentem, co skutkuje tanimi i przenośnymi cechami. MFnS są stabilne w temperaturze pokojowej i są wymagane tylko w bardzo niskich stężeniach do dokładnego wykrywania zanieczyszczeń bakteryjnych. Ponadto po syntezie korzystanie z MFnS jest proste i nie wymaga korzystania z przeszkolonych specjalistów w tej dziedzinie. Wreszcie, ta platforma diagnostyczna pozwala na wysoce konfigurowalne targetowanie, zapewniając środki, za pomocą których ta jedna platforma może być używana do wykrywania wszelkiego rodzaju patogenów w wielu różnych ustawieniach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1.Synteza i funkcjonalizacja wieloparametrycznych magnetofluorescencyjnych nanosensorów (MFnS).
2. Hodowla bakterii i przygotowanie roztworu podstawowego
3. Szybkie wykrywanie E. coli O157:H7 za pomocą MFnS
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Mechanizm działania MFnS jest reprezentowany w Rysunek 1. Grupowanie MFnS wokół powierzchni zanieczyszczeń bakteryjnych zakłóca interakcje między rdzeniami magnetycznymi MFnS a otaczającymi jądrami wodoru. W wyniku tego grupowania wzrastają wartości relaksacji magnetycznej. Wraz ze wzrostem stężenia zanieczyszczeń bakteryjnych zmniejsza się grupowanie, a zmiana wartości T2 maleje. Dlatego kluczowe znaczenie ma dodanie metody fluorescencyjnej. Wraz ze wzrostem stężenia bakterii wzrasta siła s...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Protokół ten został zaprojektowany tak, aby w pełni funkcjonalny MFnS był tak prosty, jak to tylko możliwe. Istnieje jednak wiele kluczowych punktów, w których zmiana protokołu może być przydatna, w zależności od końcowego celu użytkownika. Na przykład zastosowanie różnych przeciwciał pozwoliłoby na celowanie w wiele innych patogenów. Ponadto protokół ten nie ogranicza się do stosowania przeciwciał jako cząsteczek docelowych. Każda cząsteczka, która ma specyficzne powinowactwo wiązania do...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wykazane zastosowanie tej nanotechnologii nie zostało jeszcze zatwierdzone przez FDA.
Ta praca jest wspierana przez K-INBRE P20GM103418, Kansas Soybean Commission (KSC/PSU 1663), ACS PRF 56629-UNI7 i PSU polymer chemistry startup fund, wszystkie do SS. Dziękujemy kamerzyście uniwersyteckiemu, panu Jacobowi Anselmiemu, za jego wyjątkową pracę nad filmem. Dziękujemy również Panu Rogerowi Heckertowi i Pani Kathie Heckert za ich hojne wsparcie dla badań.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Czterowodny chlorek żelaza | Fisher Scientific | I90-500 | |
| Sześciowodny chlorek żelaza | Fisher Scientific | I88-500 | |
| Wodorotlenek amonu | Fisher Scientific | A669S-500 | |
| Kwas solny | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Kwas poliakrylowy | Sigma-Aldrich | 323667-100G | |
| EDC | Thermofisher Scientific | 22980 | |
| NHS | Fisher Scientific AC157270250 | ||
| Przeciwciało anty-E. coli O111 | sera care | 5310-0352 | |
| Przeciwciało anty-E. coli O157:H7 [P3C6] | Abcam | ab75244 | |
| DiI Stain | Fisher Scientific | D282 | |
| Bulion odżywczy | Difco | 233000 | |
| Liofilizowany granulat E. coli O157:H7 ATCC | 700728 | ||
| Magnetyczny relaksomteter | Bruker | mq20 | |
| Zetasizer | Malvern | NANO-ZS90 | |
| Tecan | Infinite M200 PRO | ||
| Wirówka QuadroMACS | 130-090-976 | ||
| Wirówka serii Eppendorf | 5804 | ||
| (accuSpin Micro 17) | Fisher Scientific | 13-100-676 | |
| Inkubator z wytrząsaniem modelu podłogowego | SHEL LAB | SSI5 | |
| Waga analityczna | Metler Toledo | ME104E | |
| Cyfrowy mieszalnik wirowy | Fisher Scientific | 02-215-370 | |
| Otwarta huśtaczka | Fisher Scientific | 02-217-765 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie