Leptospiroza u ludzi pochodzi głównie ze źródeł środowiskowych1,2. Obecność Leptospira w jeziorach, rzekach i strumieniach jest wskaźnikiem transmisji leptospirozy wśród dzikich zwierząt oraz zwierząt domowych i hodowlanych, które mogą ostatecznie wejść w kontakt z tymi zbiornikami wodnymi1,3,4. Ponadto Leptospira zostały zidentyfikowane w źródłach nienaturalnych, w tym w ściekach, wodzie stojącej i wodzie z kranu5,6.
Leptospira to bakterie rozpowszechnione na całym świecie7,8, a rola środowiska w ich przetrwaniu i transmisji jest dobrze znana. Leptospira może przetrwać w wodzie pitnej przy zmiennym pH i zawartości minerałów9 oraz w naturalnych zbiornikach wodnych1. Może również przetrwać przez długi czas w wodzie destylowanej10, a przy stałym pH (7.8) może przeżyć do 152 dni11. Co więcej, Leptospira może wchodzić w interakcje w konsorcjach bakteryjnych, aby przetrwać trudne warunki12,13. Może być częścią biofilmów w wodach słodkich wraz z Azospirillum i Sphingomonas, a nawet jest zdolna do wzrostu i przetrwania w temperaturach przekraczających 49 °C14,15. Może również namnażać się w glebie podmokłej i pozostawać żywotna do 379 dni16, zachowując zdolność do wywoływania choroby przez rok17,18. Jednak niewiele wiadomo o ekologii wewnątrz zbiorników wodnych i o tym, jak bakterie te są w nich rozprzestrzenione.
Od czasu odkrycia badania rodzaju Leptospira opierały się na testach serologicznych. Dopiero w bieżącym stuleciu techniki molekularne stały się bardziej powszechne w badaniach nad tą krętką. Metoda dot-blot była rzadko wykorzystywana do jej identyfikacji, stosując (1) sondę izotopową opartą na 16S rRNA oraz na powtarzalnych sekwencjach międzyprostymi (ISSR)19,20, (2) jako nanozłoty test immunoenzymatyczny w kierunku leptospirozy u ludzi stosowany w badaniu moczu21, lub (3) jako test oparty na przeciwciałach dla próbek moczu bydlęcego22. Technika ta wyszła z użycia, ponieważ pierwotnie opierała się na sondach izotopowych. Jest to jednak dobrze znana metoda, która w połączeniu z PCR daje lepsze wyniki i jest uważana za bezpieczną dzięki zastosowaniu sond nieizotopowych. PCR odgrywa kluczową rolę w wzbogacaniu DNA Leptospira poprzez amplifikację specyficznego fragmentu DNA, który w próbce może występować w ilościach śladowych. W każdym cyklu PCR ilość docelowego fragmentu DNA w reakcji ulega podwojeniu. Na koniec reakcji amplikon zostaje powielony ponad milionkrotnie23. Produkt amplifikowany metodą PCR, często niewidoczny w elektroforezie w żelu agarozowym, staje się widoczny dzięki specyficznej hybrydyzacji z sondą znakowaną DIG w metodzie dot-blot24,25,26.
Technika dot-blot jest prosta, niezawodna i odpowiednia dla licznych próbek, co czyni ją dostępną dla laboratoriów o ograniczonych zasobach. Była ona wykorzystywana w różnych badaniach nad bakteriami, w tym (1) bakteriami jamy ustnej27, (2) innymi typami próbek, takimi jak żywność i kał28, oraz (3) w identyfikacji bakterii niehodowlanych29, często w zgodzie z innymi technikami molekularnymi. Do zalet oferowanych przez technikę dot-blot należą: (1) membrana posiada wysoką pojemność wiążącą, zdolną do związania ponad 200 μg/cm2 kwasów nukleinowych i do 400 μg/cm2; (2) wyniki dot-blot można interpretować wizualnie bez konieczności użycia specjalistycznego sprzętu oraz (3) mogą być one wygodnie przechowywane przez lata w temperaturze pokojowej (RT).
Rodzaj Leptospira został podzielony na klady patogenne, pośrednie i saprofityczne30,31. Rozróżnienie pomiędzy tymi kladami można przeprowadzić na podstawie specyficznych genów, takich jak lipL41, lipL32 oraz 16S rRNA. LipL32 występuje w kladach patogennych i wykazuje wysoką czułość w różnych narzędziach serologicznych i molekularnych, natomiast nie występuje u gatunków saprofitycznych21. Gen gospodarczy lipL41 jest znany ze swojej stabilnej ekspresji i stosowany w technikach molekularnych32, natomiast gen 16S rRNA jest wykorzystywany do ich klasyfikacji.
Tę metodologię można zastosować do dużych objętości wody po ich skoncentrowaniu za pomocą wirowania. Pozwala ona na ocenę różnych punktów i głębokości w zbiorniku wodnym w celu wykrycia obecności DNA leptospir oraz określenia klady, do której ono należy. Narzędzie to jest wartościowe zarówno do celów ekologicznych, jak i ogólnego screeningu, a także może być wykorzystane do wykrywania innych niehodowlanych bakterii, które mogą występować w wodzie.
Ponadto testy PCR i dot-blot są technicznie i ekonomicznie dostępne dla szerokiego grona laboratoriów, nawet tych nieposiadających zaawansowanego lub kosztownego sprzętu. Celem niniejszego badania jest zastosowanie metody dot-blot opartej na digoksigeninie do identyfikacji trzech kladów Leptospira w próbkach wody pobranych z naturalnych zbiorników wodnych.
Szczepy bakteryjne
W badaniu ujęto dwanaście serowarów Leptospira (Autumnalis, Bataviae, Bratislava, Canicola, Celledoni, Grippothyphosa, Hardjoprajitno, Icterohaemorrhagiae, Pomona, Pyrogenes, Tarassovi oraz Wolffi). Serowary te należą do kolekcji Katedry Mikrobiologii i Immunologii Wydziału Medycyny Weterynaryjnej i Zootechniki Narodowego Autonomicznego Uniwersytetu Meksyku i są obecnie wykorzystywane w teście mikroaglutynacji (MAT).
Wszystkie serowary Leptospira hodowano w podłożu EMJH, a ich DNA wyekstrahowano przy użyciu komercyjnego zestawu do ekstrakcji DNA (patrz Tabela materiałów). Mieszaninę DNA genomicznego dwunastu serowarów wykorzystano jako kontrolę pozytywną dla klady patogennych Leptospira. Jako kontrolę pozytywną dla klady pośredniej Leptospira zastosowano DNA genomiczne Leptospira fainei serowaru Hurstbridge szczep BUT6, natomiast jako kontrolę pozytywną dla klady saprofitycznej Leptospira uwzględniono DNA genomiczne Leptospira biflexa serowaru Patoc szczep Patoc I.
Kontrole negatywne składały się z pustego plazmidu, DNA z niepowiązanych bakterii (Ureaplasma urealyticum, Staphylococcus aureus, Brucella abortus, Salmonella typhimurium, Shigella boydii, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter baumannii, oraz Escherichia coli) i wody do PCR, która służyła jako kontrola bez matrycy.
Próbki wody
Dwanaście próbnych próbek pobranych punktowo zostało zebranych przy użyciu metody próbkowania warstwowego losowego z Centrum Badań Biologicznych i Akwakultury Cuemanco (CIBAC) (19° 16' 54" N 99° 6' 11" W). Próbki te pobrano z trzech głębokości: powierzchniowej, 10 cm oraz 30 cm (Rycina 1A, B). Procedury pobierania wody nie wpłynęły na żadne gatunki zagrożone lub chronione. Każda próbka została pobrana do sterylnej probówki do mikrocentryfugi o pojemności 15 mL. Aby pobrać próbkę, każdą probówkę delikatnie zanurzano w wodzie, napełniano na wybranej głębokości, a następnie szczelnie zamykano. Próbki utrzymywano w temperaturze 22 °C i bezzwłocznie transportowano do laboratorium w celu ich przetworzenia.
Każdą próbkę skoncentrowano poprzez wirowanie w sterylnych probówkach do mikrocentryfugi o pojemności 1.5 mL przy 8000 x g przez 20 min w temperaturze pokojowej. Krok ten powtarzano do momentu skoncentrowania wszystkich próbek w jednej probówce, która została następnie wykorzystana do ekstrakcji DNA (Rycina 1C).

Rysunek 1: Zagęszczanie próbek wody poprzez wirowanie. (A) Stawy do pobierania próbek wody oraz (B) potoki naturalne. (C) Obróbka próbek wody oparta na wirowaniu w powtarzalnych krokach tak długo, jak jest to konieczne (n). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Ekstrakcja DNA
Całkowite DNA wyizolowano przy użyciu komercyjnego zestawu do izolacji genomowego DNA zgodnie z instrukcjami producenta (patrz Tabela materiałów). Ekstrakty DNA eluowano w 20 µL buforu elucyjnego, a stężenie DNA określono za pomocą spektrofotometru UV przy 260-280 nm i przechowywano w temperaturze 4 °C do czasu użycia.
Amplifikacja PCR
Docelami PCR były geny 16S rRNA, lipL41 oraz lipL32, które identyfikują DNA z rodzaju Leptospira i pozwalają na rozróżnienie trzech kladów: patogennego, saprofitycznego i pośredniego. Projekty zarówno starterów, jak i sond oparto na wcześniejszych pracach Ahmeda i wsp., Azaliego i wsp., Bourhy'ego i wsp., Weissa i wsp. oraz Brangera i wsp.33,34,35,36,37. Sekwencje każdej sondy, startera oraz amplifikowanego fragmentu opisano w Tabeli 1, a ich dopasowanie do sekwencji referencyjnych przedstawiono w Pliku uzupełniającym 1, Pliku uzupełniającym 2, Pliku uzupełniającym 3, Pliku uzupełniającym 4 oraz Pliku uzupełniającym 5. Odczynniki do PCR oraz warunki termocyklingu opisano w sekcji protokołu.
Produkty amplifikacji wizualizowano za pomocą rozdziału elektroforetycznego na 1% żelu agarozy w buforze TAE (40 mM Tris base, 20 mM kwas octowy i 1 mM EDTA; pH 8.3), przy napięciu 60 V przez 45 min z detekcją przy użyciu bromku etydyny, jak pokazano na Rysunku uzupełniającym 1. DNA genomiczne uzyskane z każdego serowaru zastosowano w stężeniach od 6 x 106 do 1 x 104 ekwiwalentnych kopii genomu (GEq) w każdej reakcji PCR, w oparciu o wielkość genomu L. interrogans (4 691 184 bp)38 dla patogennych Leptospira, wielkość genomu L. biflexa (3 956 088 bp)39 dla saprofitycznych Leptospira oraz wielkość genomu L. fainei serowaru Hurstbridge szczep BUT6 (4 267 324 bp) o numerze dostępu AKWZ00000000.2.
Czułość sond oceniono w każdym doświadczeniu przy użyciu DNA z każdego patogennego serowaru, L. biflexa serowaru Patoc szczep Patoc I oraz L. fainei serowaru Hurstbridge szczep BUT6. Aby ocenić swoistość PCR oraz analizy hybrydyzacji dot-blot, do badania włączono DNA z niespokrewnionych bakterii.
Tabela 1: Startery i sondy PCR do amplifikacji produktów służących do identyfikacji kladów patogennych, saprofitycznych i pośrednich Leptospira. Kliknij tutaj, aby pobrać tę tabelę.
Test hybrydyzacji dot-blot
Technika ta nazywana jest dot-blot, ponieważ otwory, w których umieszcza się próbkę DNA, mają kształt kropki i nabierają one tej formy podczas ich odsysania w celu unieruchomienia za pomocą próżni. Technika ta została opracowana przez Kafatos i współpracowników40. Pozwala ona na półilościowe oznaczenie Leptospira w każdej próbce dodatniej pod kątem PCR. Protokół składa się z denaturacji za pomocą NaOH 0,4 M w temperaturze pokojowej; próbki zawierające DNA Leptospira w ilościach od 30 ng do 0,05 ng, co odpowiada 6 x 106 do 1 x 104 leptospir, są naniesione na membranę nylonową przy użyciu aparatu do dot-blotu z 96 dołkami. Po immobilizacji DNA jest wiązane z membraną poprzez naświetlanie światłem UV o dawce 120 mJ. Każda sonda DNA jest znakowana digoksygeniną-11 dUTP na końcu 3' w etapie katalizy transferazy terminalnej (Digoksygenina to steroid roślinny pozyskiwany z Digitalis purpurea, używany jako reporter41). Po rygorystycznej hybrydyzacji znakowanej sondy DNA (50 pmol) w specyficznej temperaturze z docelowym DNA, hybrydy DNA są wizualizowane za pomocą reakcji chemiluminescencyjnej z przeciwciałem anty-digoksygeninowym z fosfatazą alkaliczną kowalencyjnie sprzężonym z substratem CSPD. Luminescencja jest rejestrowana poprzez naświetlanie filmu rentgenowskiego (Rycina 2).

Rysunek 2: Etapy procedury testu PCR-dot-blot. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.