Vi præsenterer her, en protokol for at beskrive en enkel, hurtig og effektiv prion amplifikationsteknologi, real-time skælven-induceret (RT-QuIC) konverteringsmetode.
RT-QuIC teknikken er en følsomme i vitro celle-fri prion forstærkning assay hovedsagelig baseret på de seedede misfoldning og sammenlægning af rekombinant prion protein (PrP) substrat ved hjælp af prioner frø som en skabelon for konverteringen. RT-QuIC er en roman høj overførselshastighed teknik, der er analog til real-time Polymerasekædereaktionen (PCR). Påvisning af amyloid fibril vækst er baseret på farvestoffet Thioflavin T, der fluorescerer ved specifik interaktion med ᵦ-ark rige proteiner. Således kan amyloid dannelse påvises i realtid. Vi forsøgte at udvikle en pålidelig non-invasiv screeningstest for at påvise kroniske wasting disease (CWD) prioner i fecal ekstrakt. Her har vi specielt tilpasset RT-QuIC teknikken for at afsløre PrPSc såning aktivitet i afføring fra CWD inficeret hjortedyr. I første omgang var seeding aktiviteten af fækal ekstrakterne vi forberedt forholdsvis lav i RT-QuIC, muligvis på grund af potentielle assay hæmmere i fecal materiale. For at forbedre seeding aktivitet af afføring ekstrakter og fjerne potentielle assay hæmmere, homogeniseret vi fækal prøverne i en buffer, som indeholder vaske-og rengøringsmidler og proteasehæmmere. Vi har også forelagt prøverne med forskellige metoder at koncentrere PrPSc på grundlag af protein nedbør ved hjælp af natrium phosphorwolfram syre, og centrifugalkraften. Endelig, afføring ekstrakter blev testet af optimeret RT-QuIC som omfattede substrat udskiftning i protokollen at forbedre følsomheden af påvisning. Dermed, vi etableret en protokol for følsomme påvisning af CWD prion såning aktivitet i afføring af prækliniske og kliniske hjortedyr af RT-QuIC, som kan være et praktisk værktøj for non-invasiv CWD diagnose.
Prionsygdomme eller transmissible spongiforme encephalopatier (TSE) er neurodegenerative sygdomme herunder Creutzfeldt – Jakob sygdom (CJD) hos mennesker, bovin spongiform encephalopati (BSE) hos kvæg, scrapie hos får og geder og kronisk spilde sygdom (CWD) i hjortedyr 1,2. TSE er kendetegnet ved karakteristiske spongiforme udseende og tab af neuroner i hjernen. Ifølge “protein kun” hypotese, er prioner hovedsageligt komponeret af PrPSc (“Sc” for scrapie) 3, en fejlfoldede isoform af den vært-kodet cellulære prion, PrPC. PrPSc resultater fra omdannelse af PrPC til en kropsbygning, beriget med ᵦ-ark 4,5,6 , som kan fungere som en frø til at binde og konvertere andre PrPC molekyler. De nyligt genererede PrPSc molekyler er indarbejdet i en voksende polymer 7,8 der bryder i mindre oligomerer, hvilket resulterer i højere antal smitsomme kerner. PrPSc er tilbøjelige til akkumulering og er delvist resistente over for proteaser 9,10.
CWD påvirker vilde og opdrættede elg (Cervus canadensis), mule deer (Odocoileus hemionus), hvide – tailed hjorte (WTD; Odocoileus virginianus), moose (Alces alces), og rensdyr (Rangifer tarandus tarandus) 11,12,13. Det betragtes som den mest smitsomme prioner sygdom med horisontal overførsel begunstiget af cervid interaktioner og miljømæssige persistens af smitteevne 14,15. I modsætning til andre prionsygdomme, hvor PrPSc ophobning og smitteevne er begrænset til hjernen, i CWD findes disse også i perifere væv og legemsvæsker f.eks. spyt, urin og afføring 16,17, 18.
Immunhistokemi betragtes som guldstandarden for CWD diagnose at opdage PrPSc distribution og spongiform læsioner 19,20. ELISA og i mere sjældne tilfælde, vestlige skamplet bruges også til CWD diagnostik. Således er aktuelle prion sygdom diagnose hovedsagelig baseret på påvisning af prioner i post mortem væv. Ante mortem diagnose for CWD er tilgængelig ved at tage mandler eller recto-anal slimhinde-associerede lymfoide væv (RAMALT) biopsier; men denne procedure er invasiv og kræver erobringen af dyrene. Således ville brug af let tilgængelige enheder, såsom urin og afføring, være en praktisk måde for CWD prion påvisning. Men disse ekskrementer fra havnen relativt lave koncentrationer af prioner under detektionsgraensen for nuværende diagnostiske metoder. Er derfor behov for en mere følsom og høj overførselshastighed diagnostisk værktøj. In vitro konvertering systemer, såsom protein misfoldning cykliske forstærkning assay (PMCA) 21, amyloid såning assay, og real-time skælven-induceret konvertering (RT-QuIC) assay 22,23, 24 er meget effektive værktøjer til at udnytte PrPSc selvstændig formeringsmateriale evne til at efterligne i vitro prion konvertering proces og dermed forstærke tilstedeværelsen af små mængder af PrPSc til påviselige mængder 25 ,26. Metoden RT-QuIC imidlertid udnytter det faktum, at konvertering produktet beriget med β-plade sekundærstruktur specifikt kan binde thioflavin T (Th-T). Derfor vokser rekombinant PrP (rPrP) ved seedede konvertering ind i amyloid fibriller, som binder Th-T og dermed kan blive opdaget i realtid ved at måle fluorescens af Th-T udtrykt som relativ fluorescens enheder (RFU) over tid. Når overvåges, kan RFU bruges til at evaluere relative seeding aktiviteter og kvantitative parametre såsom den mellemliggende fase. Den mellemliggende fase repræsenterer klokkeslæt (h) kræves for at nå den tærskel, under hvilken rPrP konvertering på det tidlige stadium af reaktionen er under detektionsgrænsen for Th-T fluorescens. Slutningen af fasen synlige lag samtidig til dannelsen af en tilstrækkelig amyloid kernen (Nukleering/brudforlængelse), opstår, når Th-T fluorescens overstiger tærskelværdien og bliver positiv. Vækst af amyloid fibriller kan påvises i realtid og indledende PrPSc eller seeding aktivitet indeholdt i prøven forstærkes af segmentering, der genererer flere frø. Disse frø fremkalde igen en hurtig eksponentiel fase af amyloid fiber vækst.
Fordi dette assay er købedygtig opdager så lavt som 1 fg PrPSc 24, den højfølsomme kvalificerer denne teknik til at opnå ante mortem eller non-invasiv diagnose ved påvisning af PrPSc i forskellige perifere væv, ekskrementer eller andre former for modellen husly lave niveauer af smitteevne. RT-QuIC absolut giver fordele i forhold til andre assays reproducerbarhed, praktiske, hurtighed (mindre end 50 h) og lave omkostninger i forhold til bioassays. Den undgår de tekniske kompleksitet som sonikering bruges i PMCA; også, det er udført i en tape-forseglet mikrotiterplade, der minimerer risikoen for aerosol kontaminering af hver brønd. Formatet multi godt muliggør analysen af op til 96 prøver i det samme eksperiment. For at imødegå de tilbagevendende problem af falske positiver og spontan omdannelse af rPrP i in vitro- konvertering assays er gennemførelsen af en tærskel (cut-off) i RT-QuIC meget nyttig. Faktisk, baseret på resultaterne af den negative kontrol (gennemsnitlig RFU negative prøver + 5 SD 27), en baseline er sat op som forskelsbehandling mellem positive og negative prøver kan gøres. Brugen af fire flergangsbestemmelser for hver prøve kan således bidrage til at definere en prøve som positiv, når mindst 50% af replikater viser et positivt signal, krydser dvs cut-off 28. Homologi mellem frø og substrat er ikke påkrævet i RT-QuIC, som f.eks. i en tidligere undersøgelse, hamster rPrP fandtes at være mere følsomme substrat i forhold til den homologe substrat i menneskelige PrPvCJD seedede og får scrapie seedede reaktioner 29. hamster-får kimære rPrP foreslog også for at være et mere velegnet substrat end menneskelige rPrP at opdage menneskelige variant Creutzfeldt-Jakobs sygdom prioner 30. Således er brug af rPrP substrater fra forskellige arter meget almindelige i dette assay. Denne analyse har været anvendt med succes til flere prionsygdomme, såsom sporadisk CJD 31,32,33, genEtic prion sygdomme 34, BSE 35,36,37, scrapie 23,36og CWD 38,39,40,41, 42. Undersøgelser, behandles cerebrospinalvæske, blod, spyt og urin som frø i RT-QuIC lykkedes alle at opdage PrPSc 38,39,40,41, 42. fremme opdagelse evne i prøver såsom blodplasma, der kan indeholde hæmmere af amyloid dannelse, Orrú mfl. (2011) udviklet en strategi for at fjerne potentielle hæmmere af amyloid dannelsen af kæmning PrPSc immunoprecipitation (IP) trin og RT-QuIC, opkaldt “forbedret QuIC” assay (eQuIC). Derudover var et substrat udskiftning trin ansat efter ~ 24 h af reaktionstid for at forbedre følsomheden. I sidste ende, som lavt som 1 ag af PrPSc var påvises ved eQuIC 30.
For at rense afføring ekstrakter og fjerne mulige assay hæmmere i afføring, blev fækal prøver i prækliniske og kliniske faser fra elg ved eksperimentel oral infektion homogeniseret i buffer der indeholder vaske-og rengøringsmidler og proteasehæmmere. Afføring ekstrakter indkom yderligere til forskellige metoder til at koncentrere PrPSc i prøverne udnytte protein nedbør via natrium phosphorwolfram syre (NaPTA) nedbør. Metoden NaPTA nedbør, første gang beskrevet af Safar et al. 43, der bruges til at koncentrere PrPSc i analyseprøverne. Inkubation af NaPTA med prøveresultater i præferentielle udfældning af PrPSc snarere end PrPC. Den molekylære mekanisme er imidlertid stadig uklart. Dette trin også hjulpet indeholdende og forhindre spontan omdannelse af rPrP, som er observeret i nogle tilfælde. Endelig, afføring ekstrakter blev testet af optimeret RT-QuIC ved hjælp af musen rPrP (aa 23-231) som substrat og herunder substrat udskiftning i protokollen at forbedre følsomheden af påvisning.
Resultaterne her vise, at denne forbedrede metode kan registrere meget lave koncentrationer af CWD prioner og øger følsomheden af påvisning og specificitet i fecal prøver i forhold til en protokol uden NaPTA nedbør og substrat udskiftning. Denne metode potentielt kan anvendes til andre væv og legemsvæsker og kan være til stor nytte for CWD overvågning i vilde og fangenskab hjortedyr.
RT-QuIC var tidligere ansat til at opdage CWD prioner i urin og fækal ekstrakter mundtligt inficerede hvide – tailed hjorte og mule deer 38. Systemet vist i dette håndskrift er en tilpasset metode af RT-QuIC analysen. Yderligere trin blev indarbejdet i den “klassiske” RT-QuIC assay at forbedre afsløring og følsomhed af analysen for CWD prioner i fecal materiale af inficerede dyr.
Lav følsomheden af påvisning i afføring ekstrakter førte os til forbedring af RT-Qu…
The authors have nothing to disclose.
Vi er taknemmelige for Dr. Byron Caughey (NIH Rocky Mountain laboratorier) for at give uddannelses- og cervid PrP bakteriel udtryk plasmid. SG understøttes af programmet Canada forskning stol. Vi anerkender, at finansiering af denne forskning til SG fra genom Canada, Alberta Prion Research Institute og Alberta landbrug og skovbrug gennem genom Alberta, og University of Calgary til støtte for dette arbejde. Vi anerkender forskning tilskud fra Margaret Gunn Foundation for Animal forskning.
Materials | |||
Acrodisc seringe filters | PALL | 4652 | |
amicon Ultra-15 Centrifugal filter Unit | Millipore | UCF901024 | |
BD 10 ml seringe | VWR | CA75846-842 | |
Chloramphenicol | Sigma-Aldrich | C0378 | |
Corning bottle-top vacuum filters | Sigma-Aldrich | 431118 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma-Aldrich | E4884 | |
gentleMACS M Tube | Miltenyi Biotec | 130-093-236 | |
Guanidine hydrochloride | Sigma-Aldrich | G4505 | |
Imidazole | Sigma-Aldrich | I5513 | |
Isopropanol | Sigma-Aldrich | I9516 | |
Kanamycin sulfate | Sigma-Aldrich | 60615 | |
Luria-Bertani (LB) broth | ThermoFisher Scientific | 12780029 | |
Magnesium chloride | Sigma-Aldrich | M9272 | |
N2 supplement (100X) | ThermoFisher Scientific | 15502048 | |
N-lauroylsarcosine sodium salt (sarkosyl) | Sigma-Aldrich | ML9150 | |
Nanosep centrifugal devices with omega membrane 100K | PALL | OD100C34 | |
Nunc sealing tapes | ThermoFisher Scientific | 232702 | |
Parafilm M | VWR | 52858-000 | |
phenylmethylsulfonyl fluoride (PMSF) | Sigma-Aldrich | P7626 | |
Protease inhibitor tablet | Roche | 4693159001 | |
Sodium chloride | Sigma-Aldrich | S3014 | |
Sodium deoxycholate | Sigma-Aldrich | D6750 | |
Sodium dodecyl sulfate (SDS) | Calbiochem | 7910-OP | |
sodium phosphate | Sigma-Aldrich | 342483 | |
Sodium phosphate dibasic anhydrous | Sigma-Aldrich | S9763 | |
Sodium phosphate monobasic monohydrate | Sigma-Aldrich | S9638 | |
Sodium phosphotungstate hydrate (NaPTA) | Sigma-Aldrich | 496626 | |
Thioflavin T | Sigma-Aldrich | T3516 | |
Tris-Hydroxy-Methyl-Amino-Methan (Tris) | Sigma-Aldrich | T6066 | |
Triton-100 | Calbiochem | 9410-OP | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Commercial buffers and solutions | |||
BugBuster Master Mix | Nogagen | 71456-4 | |
Ni-NTA superflow | Qiagen | 1018401 | |
Phosphate-buffered saline (PBS) pH 7.4 (1X) | Life Technoligies | P5493 | |
UltraPure Distilled Water | Invitrogen | 10977015 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Standards and commercial kits | |||
Express Autoinduction System 1 | Novagen | 71300-4 | |
Pierce BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher Scientific | 23227 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Equipment setup | |||
AKTA protein purification systems FPLC | GE Healthcare Life Sciences | ||
Beckman Avanti J-25 Centrifuge | Beckman Coulter | ||
Beckman rotor JA-25.50 | Beckman Coulter | ||
Beckman rotor JA-10 | Beckman Coulter | ||
FLUOstar Omega microplate reader | BMG Labtech | ||
gentleMACS Dissociator | Miltenyi Biotec | 130-093-235 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Sofware | |||
MARS Data Analysis | BMG Labtech | ||
GraphPad Prism6 | GraphPad software |