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病原微生物提取的方法有哪些?
發布時間: 2021-10-25 點擊次數: 1615次數據統計
據 WHO 統計,全球感染性疾病導致的患者死亡占全部死因的 25%以上,在中國,感染性疾病占所有疾病的 50%以上,75%造血系統腫瘤患者和 50%實體腫瘤患者死于感染,膿毒癥(嚴重感染)患者病死率高達 50%。而在面對疑難重癥時,快速檢測病原微生物變得刻不容緩。 病原微生物是指侵犯入人體引起感染的微生物,或稱病原體。病原微生物包括病毒、細菌、真菌、支原體、衣原體、立克次體、螺旋體、寄生蟲和朊毒體等。mNGS就是綜合分析來自患者樣本的病原微生物的基因物質(DNA和RNA),實現病原種屬的快速鑒定和深入分析。mNGS檢測技術由于通量高、快速、成本適宜、準確度高等特點,在感染性疾病領域應用愈發火熱,同時也正在改變原有的檢測手段,大大提高了危急重癥和疑難感染的診斷水平。
mNGS檢測流程包括:臨床評估、樣本收集、保存和運輸、核酸提取、文庫構建、上機測序、數據分析和出具報告幾大步驟。多數臨床標本存在大量宿主細胞和宿主游離核酸,微生物核酸豐度相對較低,有些樣本中人源宿主DNA占比高達50-90%左右,這會導致后續測序數據中大部分是宿主DNA的信息,而病原微生物的數據占比較少,且宿主DNA 的非特異性序列還會干擾下游病原微生物的的判斷。針對這一問題,通常在核酸提取環節時去除宿主DNA或者增加測數據量的方式來提高病原微生物的檢出。接下來小編跟大家介紹幾個去除宿主DNA的小妙招~
目前去除宿主DNA的方法主要分為提取DNA前去除和提取DNA后去除。提取DNA前去除包括物理法、生物法、化學法,而提取DNA后去除主要通過抗甲基化DNA磁珠來實現。
1.物理法
該方法基于宿主細胞和微生物細胞大小的差異去除宿主細胞,例如粘膜上皮細胞平均大小為50 μm,而一些典型的細菌細胞一般是1 μm。這種情況下可以采用過濾法去除宿主細胞,或者根據細胞沉降系數的差別,利用離心法去除宿主細胞。但是該種方法無法有效去除胞外DNA。
2.生物法
基于微生物和動物細胞結構的不同,選擇性的裂解宿主細胞,利用核酸酶酶解掉釋放出來的宿主DNA,后利用珠磨、PK蛋白酶等方式裂解微生物,最后純化微生物DNA?;蛘咭部梢岳萌嗽醇毎募毎ぽ^微生物外壁脆弱的特點,在核酸提取前用溫和去污劑(如皂苷)裂解宿主細胞釋放 DNA,再用DNaseⅠ酶解裸露的宿主DNA ,后續進行微生物DNA提取等操作。該種方法通??墒刮⑸锔患侍岣?000倍[1]。
3.化學法
PMA(疊氮碘化丙錠)是一種可以高效結合dsDNA的染料,二者結合后熒光會增強,在可見光的誘導下,PMA分子的疊氮化物基團被光解并發生C-H插入反應并與DNA形成共價鍵,從而產生恒久性的DNA修飾,從而使DNA的片段化。由于這種染料無法通過功能完整的細胞膜,所以其可以標記裸露在外的DNA。該種方法先利用低滲溶液破壞人源宿主細胞,后利用PMA去除宿主DNA,后結合用珠磨、PK蛋白酶等方式裂解微生物,最后提取微生物DNA[2]。
4.抗甲基化DNA磁珠
在原核生物中,DNA甲基化主要發生在腺嘌呤堿基(A)上,在真核生物中,DNA甲基化主要發生在胞嘧啶堿基(C)上,人類基因中有90%以上的CpG位點被甲基化修飾。該方法先提取全部的DNA,利用帶有蛋白A修飾的磁珠,通過MBD2-Fc蛋白媒介,與宿主DNA中甲基化的CpG位點特異結合,可有效去除高達98%的甲基化宿主DNA,從而針對性的去除真核生物中常見的甲基化的核苷酸序列,可實現3~5倍富集[3]。
如果某些微生物甲基化模式和宿主類似,在去除宿主DNA時也會被去除。
【參考文獻】
[1] Charalampous T, Kay GL, Richardson H, et al. Nanopore metagenomics enables rapid clinical diagnosis of bacterial lower respiratory infection[J]. Nat Biotechnol, 2019, 37(7): 783‐792. DOI:10.1038/s41587‐019‐0156‐5.
[2] Marotz CA, Sanders JG, Zuniga C, et al. Improving saliva shotgun metagenomics by chemical host DNA depletion [J]. Microbiome, 2018, 6(1): 42. DOI: 10.1186/ s40168‐018‐0426‐3.
[3] Miller S, Naccache SN, Samayoa E, et al. Laboratory validation of a clinical metagenomic sequencing assay for pathogen detection in cerebrospinal fluid[J]. Genome Res, 2019, 29(5): 831‐842.DOI:10.1101/gr.238170.118.