Here we present a procedure to quantify enterovirus and norovirus in environmental and drinking waters using reverse transcription-quantitative PCR. Mean virus recovery from groundwater with this standardized procedure from EPA Method 1615 was 20% for poliovirus and 30% for murine norovirus.
EPA Method 1615 measures enteroviruses and noroviruses present in environmental and drinking waters. This method was developed with the goal of having a standardized method for use in multiple analytical laboratories during monitoring period 3 of the Unregulated Contaminant Monitoring Rule. Herein we present the protocol for extraction of viral ribonucleic acid (RNA) from water sample concentrates and for quantitatively measuring enterovirus and norovirus concentrations using reverse transcription-quantitative PCR (RT-qPCR). Virus concentrations for the molecular assay are calculated in terms of genomic copies of viral RNA per liter based upon a standard curve. The method uses a number of quality controls to increase data quality and to reduce interlaboratory and intralaboratory variation. The method has been evaluated by examining virus recovery from ground and reagent grade waters seeded with poliovirus type 3 and murine norovirus as a surrogate for human noroviruses. Mean poliovirus recoveries were 20% in groundwaters and 44% in reagent grade water. Mean murine norovirus recoveries with the RT-qPCR assay were 30% in groundwaters and 4% in reagent grade water.
PCR quantitativa (qPCR; vedi materiali supplementari per le definizioni dei termini utilizzati in questo manoscritto) e trascrizione inversa-qPCR (RT-qPCR) sono strumenti preziosi per il rilevamento e la quantificazione dei virus enterici umani in ambientale e acque potabili, e soprattutto per molti virus che fanno Non replicare o replicare male in sistemi di colture cellulari. Entrambi gli strumenti hanno dimostrato che molti tipi di virus sono presenti nelle acque potabili ambientali e in tutto il mondo 1-6. Il loro utilizzo insieme con il sequenziamento dei frammenti genomici amplificati durante indagini sui focolai di malattie ha fornito prove per la trasmissione del virus per via d'acqua, come hanno dimostrato che il virus trovato in acqua potabile è identica a quella capannone dai pazienti scoppio 7-10.
Sia qPCR e RT-qPCR sono utili strumenti di sanità pubblica. Ad esempio, i dati provenienti da studi condotti dalla US Environmental Protection Agency (EPA) ha dimostrato una forte relazione siale misure degli indicatori tween di qPCR e gli effetti sulla salute nelle acque ad uso ricreativo. Come risultato, finale 2012 Criteri di Qualità dell'acqua ricreativo dell'EPA include un metodo qPCR per monitorare le spiagge ricreativi 11,12. Borchardt e colleghi hanno anche trovato una forte relazione tra gastroenterite acuta in comunità con le acque sotterranee non trattate e il virus nelle acque sotterranee, come misurato mediante RT-qPCR 1.
Lo scopo di questo lavoro è quello di descrivere la componente analisi molecolare del metodo EPA 1615 13,14. Questo test utilizza RT-qPCR per fornire una stima quantitativa di enterovirus e copie genomiche norovirus (GC) per litro in base al volume originale di acqua ambientale o bere passato attraverso un filtro elettropositivo. Una panoramica della procedura molecolare è mostrato in Figura 1 punto. Protocollo 1 particolari le procedure per preparare la curva standard. Questi standard sono preparati da un reagente che contiene un RNUna copia della sequenza target per tutti i set di primer / sonda. Sezione 2 descrive la procedura di concentrazione terziaria. Sezione 3 illustra la procedura per estrarre RNA da campioni di acqua e di controllo concentrati. L'RNA da ogni campione viene inversione trascritto mediante saggi in triplo e primer casuali per innescare la trascrizione (sezione 4). Il cDNA da ogni reazione trascrizione inversa è suddiviso in cinque saggi specifici per il virus separate che vengono analizzati in triplice copia da qPCR (sezione 5; Figura 2). Il test utilizza primer e sonde dalla letteratura scientifica (Tabella 1) che sono progettati per rilevare molti enterovirus e norovirus e un reagente contenente epatite G RNA per identificare i campioni di prova che inibiscono RT-qPCR 15.
Larga scala studi nazionali di contaminazione virale di acque di fonte e bere richiedono l'utilizzo di più laboratori di analisi. In queste condizioni è necessario un metodo standard per garantire che i dati generati dai diversi laboratori è paragonabile. Ci sono molti metodi molecolari pubblicati di individuazione del virus, ma molto pochi metodi molecolari standardizzati. Metodo EPA 1615 è un metodo standardizzato specificamente progettato per il rilevamento di enterovirus e norovirus in matrici di acqua mediante RT-qPCR. Metodi molecolari standardizzati sono disponibili per il rilevamento di virus negli alimenti (CEN / TS 15216-1 e ISO CEN / TS 15216-2 ISO, 7 Aprile 2013) 16,17 e sono state applicate al rilevamento di virus dell'epatite A e norovirus in primavera acqua 16. Tutti i metodi standard devono comprendere controlli delle prestazioni di qualità e criteri per ridurre al minimo inter- e variazione intra-laboratorio e dati falsi positivi dovuti a contaminazione da laboratorio. Per ridurre ulteriormente i dati falsi, EMetodo PA 1615 segue la guida di EPA sui metodi molecolari, 18, che prevede la separazione del lavoro durante la lavorazione e un modo flusso di lavoro. Esso comprende una epatite G 1,19 procedure di controllo e di ridurre al minimo risultati falsi negativi a causa di inibitori della RT-qPCR 15 interno. Esso utilizza analisi quantitative con volumi standardizzati sia di acqua campionata e acqua analizzata in modo che tutti i dati di campo è espressa in copie genomiche per litro del campo o di bere acqua campionata. Sebbene efficiente tubo singolo (one-step) saggi di RT-PCR sono disponibili in commercio, il metodo utilizza intenzionalmente test separati. Questo ha lo svantaggio di minimizzare la quantità di campione che può essere analizzato in ciascuna reazione, ma offre una maggiore flessibilità di impiego di più set di primer. Saggi di RT-qPCR sono limitati da e solo buono come primer e le sonde utilizzati e probabilmente senza primer rileveranno tutte le varianti del virus all'interno di un gruppo. Il set di primer enterovirus è stato scelto perchéesso si rivolge la regione codificante 5'-non conservati, 20,21 rileva una vasta gamma di sierotipi enterovirus e virus rilevati da esso sono associate con effetti sulla salute dal consumo di acque sotterranee non trattate 1. Due set di primer sono utilizzati per il rilevamento di genogruppo I norovirus 22,23. Il primo è stato scelto a causa della forte correlazione tra gli effetti sulla salute nei bambini e rilevato il virus 1. Il secondo genogruppo I set di primer e il set di primer utilizzato per genogruppo II norovirus sono stati scelti perché rilevano la più ampia varietà di ceppi 24,25.
Nonostante i principali vantaggi di procedure qPCR e RT-qPCR per la rilevazione di RNA virale in acqua, ci sono diverse limitazioni. In primo luogo, entrambe le particelle virali infettive e non infettive, comprese quelle inattivato da disinfettanti, possono essere amplificati da tali regimi. I risultati di Borchardt suggeriscono che si tratta di meno di un problema per le acque sotterranee non trattate facquiferi rom simili a quelli nelle comunità studiate che per le acque superficiali disinfettati 1. Per i virus coltivabili questo problema può essere superato utilizzando PCR in combinazione con la cultura 26,27. Il problema è stato affrontato anche per alcuni virus attraverso l'uso di acido nucleico reticolanti agenti 28-30. Quest'ultimo approccio è più efficace per i virus inattivati ipoclorito e non efficaci per coloro inattivato da UV.
Una seconda limitazione di queste procedure molecolari è che il volume di campione concentrato che possono essere analizzati in genere è molto più piccolo di quello utilizzato per le procedure di coltura 6,31. Questo problema è spesso effettuata o sostituendo una procedura basata glicole-polietilene per la concentrazione secondaria standard con flocculazione organica, che permette al campione da risospeso in un volume più piccolo, o con l'aggiunta di una concentrazione del campione terziaria passo 6,32,33 . Metodo 1615 utilizza centrifultrafiltrazione ugal per fornire la concentrazione terziaria. Ultrafiltrazione centrifuga rimuove l'acqua e componenti meno di 30.000 Daltons conseguente sia la concentrazione di qualsiasi virus in campioni di prova e una riduzione in piccoli inibitori peso molecolare di saggi molecolari. Questo terziarie risultati fase di concentrazione in un fattore di concentrazione> 10 5 per qualsiasi virus che era presente nell'acqua in fase di test.
Una terza limitazione è la presenza di inibitori di procedure molecolari in campioni ambientali. Sebbene siano stati sviluppati numerosi approcci per rimuovere inibitori, nessun metodo è efficace per tutte le matrici acqua e virus tipi 6,34,35, rendendo l'uso di controlli interni volti a stimare il livello di inibizione essenziale. Il reagente epatite G utilizzata in questo metodo soddisfa questa esigenza fornendo un livello costante di RNA virale in tutte le reazioni e un saggio RT-qPCR per stimare inibizione. Quando il meglio di tegli inibitore approcci rimozione non riescono a rimuovere l'inibizione, concentrati campione possono essere diluiti fino a quando le concentrazioni di virus sono più alti di inibitori concentrazioni 14,15.
La procedura curva standard qui descritta presenta vantaggi e una limitazione importante. Un vantaggio è che il reagente utilizzato fornisce tutti i componenti necessari in un unico reattivo, consentendo un unico comando da utilizzare per tutti i saggi. Questo reagente è particolarmente un vantaggio per le analisi norovirus. Norovirus particelle possono essere ottenuti solo da individui infetti che rende molto difficile ottenere particelle virali per l'uso come standard. Un altro importante vantaggio è che fornisce uno standard per tutti i virus RNA RNA target in un reagente, come avente un livello di RNA è essenziale per la quantificazione accurata di RNA 36. Tuttavia, la sua capacità di quantificare virus precisione è limitata dal fatto che gli effetti di matrice non vengono presi in considerazione. Ciò significa che la copia genomicaI valori numerici non possono essere considerati assoluta e devono essere considerati solo in termini relativi. Si raccomanda che un numero sufficiente di curva standard di Stock Working aliquote (punto 1.2) essere pronta a coprire studi completi. Per esempio, ogni 250 microlitri aliquota fornisce reagente sufficiente per 6 piastre RT. Se è noto che uno studio richiederà analisi di 500 campioni, sarebbe necessario un minimo di 12 aliquote (500 campioni / 7 campioni per piastra RT / 6 piatti RT per aliquota).
Metodo EPA 1615 è un metodo basato sulle prestazioni. Molti produttori fanno reagenti equivalenti a quelle specificate e questi reagenti possono essere sostituiti a condizione che siano rispettati i criteri di performance. La curva standard, che serve anche come controllo positivo RT-qPCR, è di valore in problemi di prestazioni di risoluzione dei problemi. Le prestazioni possono diminuire a causa di degradazione dell'RNA, shelf life del reagente, il fallimento di congelatori, calibrazione dello strumento, e errore tecnico. Problemi di prestazioni devono essere sospettied se curve standard differisce da quella illustrata nella figura 4 o se non sono conformi alle specifiche prestazioni per curve standard. Il test RT-qPCR è abbastanza robusto; completo fallimento è probabilmente dovuto a un uso improprio di RNA o errore tecnico (ad esempio, un reagente mancante). Grande cura dovrebbe essere presa in gestione di campioni di RNA tra l'estrazione e il passo RT per ridurre la degradazione dell'RNA da ribonucleasi.
Recuperi poliovirus di acque sotterranee e di grado reagente e recuperi norovirus murini dalla falda incontrato il metodo EPA 1615 criteri di accettazione delle prestazioni (Tabella 11), e sono simili a quelli riportati da altri 33,37,38. Recuperi norovirus murini da campioni LFB erano molto inferiori a quelli dei poliovirus e non avrebbero soddisfatto i criteri di accettazione specifici poliovirus. Le ragioni di basso recupero norovirus murino di acqua distillata sono sconosciuti. Simili ai risultati nel presente documento, Karim e Colleagues segnalato un recupero per norovirus GI.1 del 4% da acqua di rubinetto 39. Lee et al. 37 riportato recuperi medi di norovirus murino e GII.4 norovirus umana del 18% e il 26% da acqua distillata con filtri a disco, rispettivamente. Utilizzando condizioni simili a Lee e colleghi, Kim e Ko osservato recuperi del 46% e del 43% per questi virus, rispettivamente, 38. Gibbons et al. 40 ottengono circa 100% di recupero di GII.4 norovirus umana da acqua di mare, ma Kim e Ko 38 hanno trovato che l'aggiunta di sale e l'acqua distillata a concentrazioni simili o superiori di mare significativamente ridotta recuperi del virus murino e portato in una riduzione di due volte nel recupero GII.4.
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Dr. Eric Rhodes for preparing the clones used in the development of Standard curve reagent, Brian McMinn for assistance in sample processing, Larry Wymer for statistical analysis, Dr. Mark Borchardt, U.S. Department of Agriculture, Marshfield, WI, for supplying the Sabin poliovirus serotype 3 used in this study and Dr. H. W. Virgin, Washington University, St. Louis, MO, for murine norovirus. The authors also acknowledge Gretchen Sullivan for assistance in preparation of stock laboratory reagents, Dr. Mohammad Karim for propagation of murine norovirus stocks, and local private well owners and utilities for allowing us to collect water samples. Although this work was reviewed by EPA and approved for publication, it may not necessarily reflect official Agency policy. Mention of trade names or commercial products does not constitute endorsement or recommendation for use.
1.5 mL tube chamber | Diversified Biotech | CHAM-3000 | |
1°C cool brick | Diversified Biotech | BRIK-2501 | |
10X PCR Buffer II and 25-mM MgCl2 | Life Technologies | N8080130 | |
-20 °C freezer | VWR | 97043-346 | Must be a manual defrost freezer |
-70 °C or colder freezer | Thermo Scientific | MBF700LSAO-E | |
96-well chamber | Diversified Biotech | CHAM-1000 | |
Absolute ethanol | Fisher Scientific | BP2818-100 | |
Armored RNA EPA-1615 | Asuragen | Custom order | Used for quantifying the RT-qPCR assay |
Armored RNA Hepatitis G virus | Asuragen | 42024 | |
Autoclave | Steris | Amsco Lab Series | |
Biosafety cabinet | NuAir Laboratory Equipment Supply | Labgard 437 ES | |
Bovine serum albumin (BSA) | Affymetrix | 10856 | Crystalline grade or better |
Buffer AVE | Qiagen | 1026956 | Carrier RNA dilution buffer |
Buffer AVL | Qiagen | 19073 | Extraction buffer |
Carrier RNA | Qiagen | Not applicable | Use carrier RNA supplied with Buffer AVL |
Centrifuge bottles | Fisher Scientific | 05-562-23 or 05-562-26 | |
Centrifuge rotors | Beckman Coulter | 339080, 336380 | |
Cool safe box | Diversified Biotech | CSF-BOX | |
Dithiothreitol (DTT) | Promega | P1171 | |
LightCycler® 480 Probes Master kit | Roche Diagnostics | 4707494001 | |
Microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 02-682-550 | Use ribonuclease- and deoxyribonuclease-free tubes with snap caps |
Microcide III | Fitzgerald | 99R-103 | |
Microseal 'A' film | Bio-Rad Laboratories | HSA5001 | Heat resistant |
Microseal 'F' film | Bio-Rad Laboratories | MSA1001 | Freezer resistant |
Mini-plate spinner | Labnet International | MPS1000 | |
Multichannel pipette | Rainin | L8-20 | |
Multi-tube chamber | Diversified Biotech | CHAM-5000 | |
Optical reaction plate | Life Technologies | 4314320 | |
PCR nucleotide mix | Promega | U1515 | |
PCR plate | Bio-Rad Laboratories | HSS9601 | |
PCR-grade water | Roche | 3315932001 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | U.S. Biological | D9820 | |
Plate mixer | Scientific Industries | MicroPlate Genie | |
Prionex gelatin | Sigma Aldrich | G0411 | |
QIAamp DNA Blood Mini Kit | Qiagen | 51104 | Includes Buffers AW1 (first wash buffer), AW2 (second wash buffer), AE (elution buffer); ethanol must be added to Buffers AW1 and AW2 before use; Do not use Buffer AL supplied with the kit |
Quantitative PCR thermal cycler | Life Technologies | 4351405 | |
Random primer | Promega | C1181 | |
Reagent Reservoir | Fisher Scientific | 21-381-27E | |
Refrigerated centrifuge | Beckman Coulter | 367501 | |
RNase Inhibitor | Promega | N2515 or N2615 | |
ROX reference dye | Life Technologies | 12223 | |
SuperScript II or III Reverse Transcriptase | Life Technologies | 18064-022 or 18080044 | |
Surgical gloves | Fisher Scientific | 19-058-800 | |
Thermal cycler | Life Technologies | 4314879 | |
Trisma base | Sigma Aldrich | T1503 | |
Vivaspin 20 centrifugal concentrator units | Sartorius-Stedim | VS2022 |