Tutaj prezentujemy protokół wykrywania i oznaczania ilościowego Plasmodium falciparum w zakażonych czerwonych krwinkach wodnych za pomocą spektrometru podczerwonego o całkowitym odbiciu i wielowymiarowej analizy danych.
Artykuł metodologiczny
Tutaj prezentujemy protokół wykrywania i oznaczania ilościowego Plasmodium falciparum w zakażonych czerwonych krwinkach wodnych za pomocą spektrometru podczerwonego o całkowitym odbiciu i wielowymiarowej analizy danych.
Demonstrujemy metodę kwantyfikacji i wykrywania pasożytów w krwinkach czerwonych (RBC) za pomocą prostego spektrometru ATR-FTIR (Attenuated Total Reflection Fourier Transform Infrared) w połączeniu z Multivariate Data Analysis (MVDA). 3D7 P. falciparum zostały wyhodowane do 10% pasożytów w stadium pierścieniowym parazytemii i użyte do zwiększenia świeżych krwinek czerwonych izolowanych od dawcy w celu stworzenia serii rozcieńczeń między 0-1%. Umieszczono 10 μL każdej próbki na środek okna diamentowego ATR, aby uzyskać widmo. Dane próbki poddano obróbce w celu poprawy stosunku sygnału do szumu i usunięcia udziału wody, a następnie zastosowano drugą pochodną w celu rozwiązania cech spektralnych. Dane zostały następnie przeanalizowane przy użyciu dwóch typów MVDA: najpierw analizy głównych składowych (PCA) w celu określenia wszelkich wartości odstających, a następnie częściowej regresji metodą najmniejszych kwadratów (PLS-R) w celu zbudowania modelu kwantyfikacji.
Malaria jest jedną z najbardziej niszczycielskich chorób naszych czasów; ponad połowa populacji żyje zagrożona w regionach endemicznych i nieproporcjonalnie obciąża biednych1,2,3,4. Dużą częścią problemu są bezobjawowi nosiciele i pacjenci we wczesnym stadium choroby, którzy działają jak rezerwuary dla wektorów komarów5, powodując gwałtowne wzrosty infekcji w porze deszczowej i pozwalając im utrzymywać się w społecznościach. Malaria jest wywoływana przez pięć pasożytów Plasmodium, z których najbardziej śmiertelnym jest P. falciparum, który powoduje najcięższą postać choroby2.
Obecnie techniki diagnozowania malarii są dalekie od doskonałości. Mikroskopia optyczna, obecny złoty standard, może wykryć tylko 62-88 pasożytów/μl, w zależności od zastosowanej metody6. Ponadto, ze względu na intensywność i wysokie wymagane umiejętności, w wielu regionach mikroskopia >50% przypadków, zwłaszcza tych z niskim poziomem parazytemii2, co można bezpośrednio przypisać brakowi zasobów w okolicy i prowadzi do nadużywania leków przeciwmalarycznych. Pozostałe 2 główne metody diagnostyczne to szybkie testy diagnostyczne (RDT), które wykorzystują przeciwciała do wykrywania, oraz testy reakcji łańcuchowej polimerazy (PCR), które dyskryminują i określają ilościowo pasożyty na podstawie DNA. Obecnie RDT są w stanie wykryć P. falciparum i P. vivax tylko na co najmniej 100 pasożytów/μl krwi, co powoduje, że rzadsze formy choroby nie są leczone. 7,8 W przeciwieństwie do tego, testy PCR rozróżniają i określają ilościowo różne gatunki Plasmodium przy czułości 0,0004-5 pasożytów/μL krwi. Wymaga jednak drogich odczynników, sprzętu i umiejętności technicznych, a zatem nie nadaje się do zastosowań w terenie.
Wysoce czuła, niezawodna i przystępna cenowo technika jest niezbędna do skrócenia czasu diagnozy, a tym samym poprawy wyników leczenia pacjentów i umożliwienia eliminacji chorób. Spektroskopia z transformacją Fouriera z tłumieniem całkowitego odbicia (ATR-FTIR) oferuje potencjalne rozwiązanie tego problemu. Wcześniejsze prace wykazały, że możliwe jest wykrycie i ilościowe określenie P. falciparum w utrwalonych błonach krwi metanolu, osiągając granice wykrywalności <1 pasożyta/μl krwi (<0,0002 % parazytemii)9, co jest porównywalne z metodami PCR. Ostatnie badania wykazały, że możliwe jest wykrycie i ilościowe określenie pasożytów w próbkach wodnych, a tym samym wyeliminowanie etapu fiksacji. Jednak czynniki takie jak para wodna, szum spektralny i przetwarzanie danych muszą być brane pod uwagę w celu uzyskania optymalnych wyników10.
Ten protokół ma na celu pokazanie nowym użytkownikom, jak pozyskiwać widma ATR-FTIR i przygotować model regresji do wykrywania P. falciparum z próbek krwinek czerwonych (RBC) w stanie roztworu wodnego10.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Proszę zapoznać się z odpowiednimi Kartami Charakterystyki Substancji Niebezpiecznej (MSDS) i zasięgnąć odpowiedniego szkolenia w zakresie poziomu bezpieczeństwa biologicznego 2 (BSL-2). Wszystkie etapy hodowli muszą być wykonywane w komorze BSL-2 przy użyciu techniki aseptycznej, co oznacza, że istnieje ryzyko narażenia na szkodliwe promieniowanie UV z etapów dekontaminacji, zranień igłą oraz potencjalnego narażenia biologicznego i infekcji, jeśli kultura pasożyta dostanie się do jakichkolwiek obrażeń. Co więcej, krew z banków krwi jest badana pod kątem tylko niektórych chorób, a potencjalne ryzyko rozprzestrzeniania się chorób przenoszonych przez krew stanowi potencjalne ryzyko. Natychmiast wezwij pomoc medyczną w przypadku wystąpienia urazu.
1. Przygotowanie i pomiar serii rozcieńczeń pasożytów 3D7 Plasmodium falciparum
UWAGA: Hodowla Plasmodium sp. jest bardzo wrażliwa. Używaj świeżych/nieprzeterminowanych odczynników i regularnie karmij pasożyty, zmieniając pożywkę. Karm kultury poniżej 5% parazytemii co drugi dzień; karmić kultury od 6-10% parazytemii raz lub dwa razy dziennie; i karmić kultury od 11 do 20% do 4 razy dziennie. Pasożyty, które zaczynają głodować, tracą swój kształt i zaczynają się kurczyć. W takim przypadku należy natychmiast podać i rozcieńczyć, zmieniając pożywkę i dodając podstawowe krwinki czerwone. Krew dawcy należy pobrać do probówek do pobierania krwi zawierających heparynę jako antykoagulant i zmierzyć w ciągu pierwszych 6 godzin.
2. Wielowymiarowa analiza danych (MVDA)
UWAGA: Przetwarzanie danych musi być przeprowadzone na całym zbiorze danych, aby uniknąć szumu i dodawania pików pochodzenia niebiologicznego. Natomiast przeanalizuj obszary istotne biologicznie: 2980-2800/cm i 1750-850/cm.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wykres cząstkowych najmniejszych kwadratów (PLS-R) i związany z nim wektor regresji, Rysunek 1a i 1b odpowiednio, pokazują, że sygnał od pasożytów jest na tyle różny od RBC, że można go użyć do stworzenia modelu regresji liniowej, który będzie używany do przewidywania pasożytów w przyszłych zestawach danych.
Solidny, liniowy model PLS-R został wygenerowany z wartością R-kwadrat równ...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Model PLS-R jest nadzorowaną metodą wielowymiarową, która znajduje liniową zależność, Y=bX+E, między zmiennymi predykcyjnymi X (w tym przypadku absorbancja dla każdej liczby falowej) a zmienną ciągłą Y (w tym przypadku poziom parazytemii). Krótko mówiąc, model łączy zmienne w X, aby utworzyć nowy zestaw zmiennych utajonych (LV), które przechwytują wariancję X skorelowaną z Y, i oblicza wektor regresji (b), który pomnożony przez nowe widmo daje oszacowanie wartości y. Siłę modelu można określić na podstawie dwóch wartości...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Finansowanie dla autorów zostało zapewnione przez Australijską Radę ds. Badań Naukowych (Future Fellowship FT120100926 do BRW), National Health and Medical Research Council of Australia (grant programowy i Senior Research Fellowship dla JGB; Stypendia na początku kariery JSR; Dotacja w ramach programu wsparcia infrastruktury dla instytutów badawczych dla Instytutu Burnet) oraz dotacja na wsparcie infrastruktury operacyjnej rządu stanu Wiktoria dla Instytutu Burneta. Dziękujemy Panu Finlayowi Shanksowi za wsparcie instrumentalne.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Krew dawcy | - | musi być pobrana przez przeszkolonego lekarza | |
| Krew zapasowa | Australijski Czerwony Krzyż' | - | |
| 3D7 Plasmodium falciparum | Burnet | Institute-Laboratory | Odpowiednik dzikiego szczepu |
| RPMI-1640 z L-hepes bez wodorowęglanu sodu | Sigma Aldrich | R6504 | |
| Albumax (Gibco) | Thermofisher | E003000PJ | Porcję do probówek sokoła o pojemności 50 ml i przechowuj w zamrażarce |
| Wodorowęglan sodu | Sigma | Aldrich S5761 | |
| Giemsa Stain | Sigma Aldrich | 48900 | |
| Sorbitol | Sigma Aldrich | S1876 | Należy przefiltrować przed użyciem w hodowli |
| Probówki do pobierania krwi (Vacutainers) | Becton, Dickonson and Company | 367671 | |
| Olejek immersyjny | Thermofisher | M3004 | |
| 50 ml Naczynia hodowlane | Falcon | 353025 | |
| 25 ml Końcówki do pipet | Falcon | 357515 | |
| 10 ml | Szkiełka | 357530 | |
| Sigma Aldrich | S8902 | ||
| Probówki wirówkowe 50 ml | Sigma Aldrich | T2318 | |
| Automatyczny kontroler pipet | Integra-biosciences | 155 015 | |
| Wirówka Sorvall Legend X1R | Thermofisher | 75004260 | |
| Forma™ 310 Inkubatory CO2 z bezpośrednim ciepłem | Thermofisher | 310TS | |
| Nikon Eclipse E-100 Mikroskop lornetkowy | Nikon Instruments | E100_2CE-MRTK-1 | Przy zakupie upewnij się, że soczewka 100x jest olejem obiektyw zanurzeniowy |
| Spektrometr Ft-IR Bruker Alpha z szybkozłączką ATR | Bruker | 9308-3700 | Pamiętaj, aby poprosić o przystawkę "Eco-ATR" przy zakupie |
| Matlab | Mathworks Inc | Oprogramowanie do analizy danych wielowymiarowych | |
| Unscrambler X | CAMO | Multivariate oprogramowanie do analizy danych | |
| PLS-Toolbox | Mathworks, Inc. | Graficzny interfejs użytkownika dla Matlaba |
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