Mikroakışkan çip bazlı döngü aracılı izotermal amplifikasyon yoluyla alt solunum yolu enfeksiyonlarına neden olan bakteriyel patojenlerin hızlı tespiti
Summary
Çeşitli bakteriyel patojenler, doğru bir şekilde tespit edilmez ve derhal tedavi edilmezse solunum yolu enfeksiyonlarına neden olabilir ve ciddi sağlık sorunlarına yol açabilir. Döngü aracılı izotermal amplifikasyon yoluyla bu patojenlerin hızlı ve doğru tespiti, klinik ortamlarda solunum yolu enfeksiyonlarının etkili bir şekilde yönetilmesini ve kontrol edilmesini sağlar.
Abstract
Solunum yolu enfeksiyonları (RTI) klinik ortamlarda en sık görülen problemler arasındadır. Bakteriyel patojenlerin hızlı ve doğru bir şekilde tanımlanması, RTI’lerin yönetimi ve tedavisi için pratik kılavuzlar sağlayacaktır. Bu çalışma, çok kanallı döngü aracılı izotermal amplifikasyon (LAMP) yoluyla solunum yolu enfeksiyonlarına neden olan bakteriyel patojenleri hızlı bir şekilde tespit etmek için bir yöntemi açıklamaktadır. LAMP, bakteriyel nükleik asitleri yüksek doğruluk ve güvenilirlikle hızlı bir şekilde tespit eden hassas ve spesifik bir tanı aracıdır. Önerilen yöntem, zaman alıcı olan ve genellikle düşük bakteriyel nükleik asit seviyelerini tespit etmek için daha fazla hassasiyet gerektiren geleneksel bakteri kültürleme yöntemlerine göre önemli bir avantaj sunmaktadır. Bu makale, alt solunum yolundan örnekleri (balgam, bronşiyal lavaj sıvısı ve alveoler lavaj sıvısı) tespit etmek için LAMP kullanılarak K. pneumoniae enfeksiyonu ve çoklu ko-enfeksiyonlarının temsili sonuçlarını sunmaktadır. Özetle, çok kanallı LAMP yöntemi, klinik numunelerde tekli ve çoklu bakteriyel patojenleri tanımlamak için hızlı ve verimli bir yol sağlar, bu da bakteriyel patojenlerin yayılmasını önlemeye ve RTI’lerin uygun tedavisine yardımcı olabilir.
Introduction
Bakteriyel patojenlerin neden olduğu solunum yolu enfeksiyonları (RTI’ler) öncelikle dünya çapında morbidite ve mortaliteye katkıda bulunur1. 2-3 gün süren ateşin eşlik ettiği herhangi bir üst veya alt solunum yolu belirtisi olarak tanımlanır. Üst solunum yolu enfeksiyonu, alt solunum yolu enfeksiyonuna göre daha sık görülürken, kronik ve tekrarlayan solunum yolu enfeksiyonları da sık görülen, bireyler için büyük riskler oluşturan ve sağlık sistemleri üzerinde önemli bir yük oluşturan klinik durumlardır2. RTI’lerin yaygın bakteriyel patojenleri arasında Streptococcus pneumoniae3, Haemophilus influenzae4, Staphylococcus aureus, Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Stenotrophomonas maltophilia ve diğerleri bulunur. Bu patojenik bakteriler genellikle konakçının nazofarenks ve üst solunum yollarının mukozal yüzeylerini kolonize ederek boğaz ağrısı ve bronşit gibi RTI’lerin tipik semptomlarına neden olur. Üst solunum yollarından alt solunum yollarının steril bölgelerine yayıldıklarında pnömoniye neden olurlar ve solunum yolu ile kişiden kişiye yayılabilirler5. Ciddi vakalarda, dünya çapında tüm yaş gruplarındaki insanlarda morbidite ve mortalitenin önde gelen nedenleri olan bakteriyemik pnömoni, menenjit ve sepsis başta olmak üzere invaziv bakteriyel hastalıklara da yol açabilirler.
RTI’ler için geleneksel testler, boğaz sürüntüleri ve balgam solunum örnekleri kullanılarak yapılan mikrobiyolojik kültürü içerir6. Ek olarak, enzime bağlı immünosorbent testi (ELISA) gibi serolojik testler serumdaki antikorları veya antijenleri tespit ederken, aglütinasyon testleri enfeksiyonu tespit etmek için antikorların ve antijenlerin aglütinasyon reaksiyonunu gözlemler7. Mikrobiyal kültür, RTI’leri teşhis etmek için altın standart olarak kabul edilir, ancak düşük kültür pozitiflik oranı, düşük güvenilirliği ve uzun tespit döngüsü tanısal verimliliği sınırlar8. Gerçekte, RTI’lerin hızlı ve doğru teşhisi, bakteriyel patojenin kesin olarak ortadan kaldırılması için çok önemlidir. Hızlı ve etkili tespit yöntemleri, patojenlerin bulaşma hızını azaltmaya, enfeksiyon süresini kısaltmaya ve gereksiz antibiyotik kullanımını azaltmaya yardımcı olabilir 9,10. Moleküler biyoloji tabanlı yöntemler, patojenleri tespit etmek için bir hedef genin DNA dizisini çoğaltan polimeraz zincir reaksiyonu (PCR) gibi tespiti önemli ölçüde hızlandırır. Bununla birlikte, geleneksel PCR, hantal ve zaman alıcı olan karmaşık sıcaklık döngüsü ekipmanı gerektirir. Ayrıca, PCR kullanılarak yapılan her DNA amplifikasyonu (gerçek zamanlı PCR hariç), ürünün elektroforetik olarak ayrılmasıyla sonuçlanır ve bu da zaman alır. Ürünün görselleştirilmesi, çoğu mutajenik veya kanserojen olan boyalar gerektirir. Bu nedenle, RTI bakteriyel patojenlerini teşhis etmek için sürekli olarak yeni yöntemler ve teknolojiler geliştirmek zorunludur.
Döngü Aracılı İzotermal Amplifikasyon (LAMP), ilk olarak Notomi ve ark. 2000yılında 11. LAMP, karmaşık sıcaklık döngüsü ekipmanı olmadan kararlı izotermal koşullar altında DNA’yı çoğaltabilir, bu da onu hızlı algılama için uygun hale getirir ve ekipman karmaşıklığını ve maliyetiniazaltır 12. LAMP, düşük konsantrasyonlarda hedef DNA’yı yüksek hassasiyetletespit edebilir 13. Hedef diziler için seçiciliği artırmak ve yanlış pozitifler14 olasılığını azaltmak için birden fazla spesifik primer kullanır. LAMP, RTI’leri tespit etmek için bile kolaylığı, hızı ve sezgisel kullanımı nedeniyle klinik laboratuvarlarda giderek yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada, Şekil 1’de gösterildiği gibi klinik örneklerde (balgam, bronşiyal lavaj sıvısı ve alveoler lavaj sıvısı) düşük RTI’leri tespit etmede LAMP’nin etkinliğini araştırdık. LAMP’in daha düşük RTI tespitinde geleneksel testlere göre hız, hassasiyet ve kullanım kolaylığı gibi avantajlar sunduğu ve bu da onu umut verici bir uygulama haline getirdiği açıktır.
Şekil 1: LAMP algılama yönteminin şematik gösterimi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Protocol
Representative Results
Discussion
Solunum yolu enfeksiyonları, hastaneyle ilişkili yaygın enfeksiyonlardır ve hastalar üzerinde ciddi sonuçlar doğurur ve ölüm oranlarını artırır16. Potansiyel patojenlerin zamanında ve doğru bir şekilde tanımlanması ve ardından etkili antibiyotikler, özellikle geleneksel kültür yöntemlerinin doğasında bulunan sınırlamalar göz önüne alındığında, başarılı tedavinin ve prognozun iyileştirilmesinin anahtarıdır17. Bu çalışmada, RTI’lerin…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Guangdong Temel ve Uygulamalı Temel Araştırma Vakfı (Hibe No. 2022A1515220023) ve Guandong Eyalet Halk Hastanesi İleri Yetenekler Araştırma Vakfı (Hibe No. KY012023293).
Materials
| Bath Incubator(MK2000-2) | ALLSHENG | Provide a constant temperature environment | |
| Bronchial lavage fluid collector head | TIANPINGHUACHANG | SEDA 20172081375 | Collecting bronchoalveolar lavage fluid |
| Fiberoptic bronchoscope | OLYMPUS | SEDA 20153062703 | A flexible bronchoscope equipped with a fiberoptic light source and camera, to visually examine the airways and structures within the lungs. Assist in collecting bronchoalveolar lavage |
HR1500- B2 |
Haier | SEDA 20183541642 | Biosafety cabinet |
| NAOH | MACKLIN | S817977 | Liquefy viscous lower respiratory tract sample |
| Nucleic acid detection kit for respiratory tract pathogens | Capitalbio Technology | SEDA 20173401346 | Testing for bacteria infection |
| Nucleic acid extraction reagent | Capitalbio Technology | SEDA 20160034 | For DNA extraction |
| RTisochip-W | Capitalbio Technology | SEDA 20193220539 | Loop-mediated Isothermal Amplification |
| THERMO ST16R | Thermo Fisher Scientific | SEDA 20180585 | Centrifuge the residual liquid off the wall of the tube. |
| Vortex mixer VM-5005 | JOANLAB | For mixing reagent |
References
- GBD 2016 Lower Respiratory Infections Collaborators. Estimates of the global, regional, and national morbidity, mortality, and aetiologies of lower respiratory infections in 195 countries, 1990-2016: A systematic analysis for the global burden of disease study 2016. Lancet Infect Dis. 18 (11), 1191-1210 (2018).
- Niederman, M. S., Torres, A. Respiratory infections. Eur Respir Rev. 31 (166), 220150 (2022).
- Weiser, J. N., Ferreira, D. M., Paton, J. C. Streptococcus pneumoniae: Transmission, colonization and invasion. Nat Rev Microbiol. 16 (6), 355-367 (2018).
- Watt, J. P., et al. Burden of disease caused by Haemophilus influenzae type b in children younger than 5 years_ global estimates. Lancet. 374 (9693), 903-911 (2009).
- Kadioglu, A., Weiser, J. N., Paton, J. C., Andrew, P. W. The role of streptococcus pneumoniae virulence factors in host respiratory colonization and disease. Nat Rev Microbiol. 6 (4), 288-301 (2008).
- Popova, G., Boskovska, K., Arnaudova-Danevska, I., Smilevska-Spasova, O., Jakovska, T. Sputum quality assessment regarding sputum culture for diagnosing lower respiratory tract infections in children. Open Access Maced J Med Sci. 7 (12), 1926-1930 (2019).
- Nuyttens, H., Cyncynatus, C., Renaudin, H., Pereyre, S., Identification Bébéar, C. expression and serological evaluation of the recombinant ATP synthase beta subunit of mycoplasma pneumoniae. BMC Microbiol. 10 (1), 216 (2010).
- Noviello, S., Huang, D. B. The basics and the advancements in diagnosis of bacterial lower respiratory tract infections. Diagnostics (Basel). 9 (2), 37 (2019).
- Hanson, K. E., et al. Molecular testing for acute respiratory tract infections: Clinical and diagnostic recommendations from the IDSA’s diagnostics committee. Clin Infect Dis. 71 (10), 2744-2751 (2020).
- Daniel Reynolds, J. P. B., et al. The threat of multidrug-resistant/extensively drug-resistant gram-negative respiratory infections: Another pandemic. Eur Respir Rev. 31 (166), 220068 (2022).
- T Notomi, H. O., et al. Loop-mediated isothermal amplification of DNA. Nucleic Acids Res. 28 (12), 63 (2000).
- Soroka, M., Wasowicz, B., Rymaszewska, A. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP): The better sibling of PCR. Cells. 10 (8), 1931 (2021).
- Mori, Y., Kitao, M., Tomita, N., Notomi, T. Real-time turbidimetry of lamp reaction for quantifying template DNA. Biophys J. 59 (2), 145-157 (2004).
- Parida, M., Sannarangaiah, S., Dash, P. K., Rao, P. V., Morita, K. Loop mediated isothermal amplification (LAMP): A new generation of innovative gene amplification technique: Perspectives in clinical diagnosis of infectious diseases. Rev Med Virol. 18 (6), 407-421 (2008).
- Chinese Medical Association Respiratory Branch Critical Care Medicine Group, Working Committee on Critical Care Medicine of the Chinese Physicians Association Respiratory Physicians Branch. Standardization of collection, submission, testing, and interpretation of bronchoalveolar lavage fluid in ICU patients. Chin J Tubere Respir Dis. 43 (9), 744-756 (2020).
- Koch, A. M., Nilsen, R. M., Eriksen, H. M., Cox, R. J., Harthug, S. Mortality related to hospital-associated infections in a tertiary hospital: Repeated cross-sectional studies between 2004-2011. Antimicrob Resist Infect Control. 4 (1), 57 (2015).
- Seymour, C. W. F. G., et al. Time to treatment and mortality during mandated emergency care for sepsis. N Engl J Med. 376 (23), 2235-2244 (2017).
- Choi, C. W., Hyun, J. W., Hwang, R. Y., Powell, C. A. Loop-mediated isothermal amplification assay for detection of candidatus Liberibacter asiaticus: A causal agent of citrus huanglongbing. Plant Pathol. 34 (6), 499-505 (2018).
- Büscher, P., Njiru, Z. K. Loop-mediated isothermal amplification technology: Towards point of care diagnostics. PLoS Negl Trop Dis. 6 (6), e1572 (2012).
- Notomi, T., Mori, Y., Tomita, N., Kanda, H. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP): Principle, features, and future prospects. J Microbiol. 53 (1), 1-5 (2015).
- Ajibola, O., Gulumbe, B., Eze, A., Obishakin, E. Tools for detection of schistosomiasis in resource limited settings. Medical Sciences. 6 (2), 39 (2018).
- Kumar, Y. S. B., et al. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP): A rapid and sensitive tool for quality assessment of meat products. Compr Rev Food Sci Food SAF. 16 (6), 1359-1378 (2017).
- Hongling Ou, Y. W., et al. Rapid detection of multiple pathogens by the combined loop-mediated isothermal amplification technology and microfluidic chip technology. Ann Palliat Med. 10 (10), 11053-11066 (2021).
- Liang Wang, J. -. X. L., et al. Quantitative polymerase chain reaction (qPCR)-based rapid diagnosis of helicobacter pylori infection and antibiotic resistance. J Vis Exp. (197), e65689 (2023).
- Jing-Wen Lyu, B. X., et al. Rapid prediction of multidrug-resistant klebsiella pneumoniae through deep learning analysis of SERS spectra. Microbiol Spectr. 11 (2), e0412622 (2023).
- Wei Liu, J. -. W. T., et al. Discrimination between carbapenem-resistant and carbapenem-sensitive klebsiella pneumoniae strains through computational analysis of surface-enhanced Raman spectra a pilot study. Microbiol Spectr. 10 (1), e0240921 (2022).
- Zhang, L. Y., et al. Classification and prediction of klebsiella pneumoniae strains with different MLST allelic profiles via SERS spectral analysis. Peer J. 11, e16161 (2023).
- Zhi Liu, Q. Z., et al. Rapid and sensitive detection of salmonella in chickens using loop-mediated isothermal amplification combined with a lateral flow dipstick. J Microbiol Biotechnol. 29 (3), 454-464 (2019).
- Chen, F., et al. Fully Integrated microfluidic platform for multiplexed detection of hunov by a dynamic confined-space-implemented one-pot RPA-LAMP system. Adv Sci (Weinh). 21, e2306612 (2023).
