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Biologie

SARS-CoV-2、インフルエンザA/B、MERS-CoVを検出するためのマルチプレックスリアルタイムRT-qPCRアッセイの開発

Published: November 10, 2023
doi:
10.3791/65822
, , , , , ,
1Biological and Environmental Sciences and Engineering Division (BESE),King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)

Summary

一般的な呼吸器系ウイルス用の2つのプローブベースのワンステップRT-qPCRキットを紹介します。最初のアッセイは、SARS-CoV-2(N)、インフルエンザA(H1N1およびH3N2)、およびインフルエンザBに対するものです。2つ目は、SARS-Cov-2(N)とMERS(UpEとORF1a)です。これらのアッセイは、あらゆる専門ラボでうまく実施できます。

Abstract

コロナウイルス病2019(COVID-19)を引き起こす重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)は、一般市民の健康に対する深刻な脅威です。インフルエンザの季節には、SARS-CoV-2やその他の呼吸器系ウイルスの蔓延により、管理が困難な呼吸器疾患の集団的負担を引き起こす可能性があります。そのためには、呼吸器系ウイルスであるSARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、中東呼吸器症候群(MERS-CoV)を、特にSARS-CoV-2、インフルエンザA、B型インフルエンザの場合、感受性集団、感染様式、臨床症候群などの同様の疫学的要因を共有するため、今後の秋から冬にかけて注意深く監視する必要があります。標的特異的なアッセイを行わないと、これらのウイルスの類似性から症例を区別することが困難になる可能性があります。したがって、これらのウイルス標的を容易に区別できる高感度で標的を絞ったマルチプレックスアッセイは、医療従事者にとって有用である。本研究では、SARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、SARS-CoV-2、MERS-CoVを同時に検出するために、自社開発のR3TワンステップRT-qPCRキットを利用したリアルタイム逆転写酵素PCRベースのアッセイを開発しました。わずか10コピーの合成RNAで、SARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、MERS-CoVのターゲットを100%の特異性で同時に同定することに成功しました。このアッセイは、正確で信頼性が高く、シンプルで、高感度で、特異的であることがわかっています。開発された分析法は、病院、医療センター、診断ラボ、および研究目的で、最適化されたSARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、およびSARS-CoV-2、MERS-CoV診断アッセイとして使用できます。

Introduction

現在進行中の新型コロナウイルス感染症2019(COVID-19)のパンデミックは、重症急性呼吸器症候群コロナウイルス2(SARS-CoV-2)1として知られる新型コロナウイルスによって引き起こされています。SAR-CoV-2の強い伝染性と急速な感染力により、COVID-19のパンデミックは中国の武漢市で発生し、世界中に急速に広がりました。これは最終的に呼吸困難の徴候の始まりにつながり、死にさえつながりました2,3,4。COVID-19は213カ国以上でパンデミックと宣言されており、さまざまな調査研究で発表された論文からも明らかなように、確認された症例数の急激な増加が予想されています3,5。COVID-19は、主に感染者が環境中に放出する小さな呼吸器飛沫によって感染し、吸入や汚染された表面との密接な接触によって脆弱な個人に曝露します。これらの飛沫が目、口、鼻の粘膜に接触すると、人は感染する可能性があります6。世界保健機関(WHO)が発表した統計によると、世界中で7,600万人以上の感染が確認され、700万人という驚異的な死者が出ています7。このように、国連は、COVID-19によるパンデミックは、世界中の何十億もの人々の生活に直接影響を与え、経済的、環境的、社会的に広範囲に影響を及ぼしたため、災害に分類しました。

徹底的な検査、早期発見、接触者追跡、症例隔離などの公衆衛生イニシアチブはすべて、このパンデミックを制御下に置く上で重要であることが示されています8,9,10,11。冬季は、COVID-19に似た症状を持つインフルエンザAやBなどの他の呼吸器系ウイルスの循環が増加し、COVID-19の症例を早期に特定、追跡、隔離することが困難になります。毎年、インフルエンザAおよびBの流行は晩秋または1月上旬に始まり、季節性は予測可能です12。SARS-CoV-2ウイルスとインフルエンザウイルスには多くの疫学的特徴が共通しています。さらに、子供、高齢者、免疫不全、喘息、慢性閉塞性肺疾患、心不全および腎不全、糖尿病などの慢性併存疾患を持つ個人を含む感受性集団の類似性を共有しています12,13。これらのウイルスは、脆弱な集団だけでなく、接触経路や呼吸器飛沫の感染経路も共有しています14。インフルエンザの季節が近づくにつれて、患者はこれらの呼吸器系ウイルスの1つ以上に感染する可能性が高いと予想されます14。そのためには、SARS-CoV-2とインフルエンザウイルスのスクリーニングを、症状のある患者を隔離する前に行う必要があります。3つのウイルス(SARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB)について個別に検査を行うことは、核酸の抽出と診断のためのリソースが世界的に不足しているため、不可能です。1回の反応でそれらをすべてスクリーニングするには、メソッドまたはテストを開発する必要があります。

中東呼吸器症候群(MERS)-CoVは、ヒトコロナウイルス(CoV)ファミリーのメンバーです。最初のMERS-CoVウイルス分離株は、2012年9月に急性呼吸器疾患により死亡したサウジアラビアの入院患者から採取された15。MERS-CoVの顕著なリザーバー宿主がヒトコブラクダであることを示唆する証拠があります。感染したヒトコブラクダ由来のウイルスは人畜共通感染症であり、したがって人間に感染する可能性があることが証明されています16,17。このウイルスに感染した人間は、密接な接触によって他の人に感染させる可能性があります18。2018年1月26日現在、MERS-CoVの検査で確認された症例は2143例で、そのうち750人が死亡しています19。最も典型的なMERS-CoVの症状は、咳、発熱、息切れです。MERS-CoV感染症は、肺炎、下痢、胃腸病の症状を示すことも報告されています20。現在、MERS-CoVの市販のワクチンや特異的な治療法はありません。したがって、MERS-CoVの蔓延を予防し、MERS-CoVとSARS-CoV-2疾患を区別するためには、迅速かつ正確な診断が不可欠です。

現在までに、マルチプレックスRT-PCR 21,22,23,24,25、CRISPR/Cas1226,27、CRISPR/Cas928、CRISPR/Cas329、ラテラルフロー免疫測定法30、紙ベースの生体分子センサー31、ワンポットでのシャーロック検査32、DNAアプタマー33、ループ媒介等温など、これらのウイルスを検出するための多くのアプローチが提案されている増幅(LAMP)19,34など前述の各方法には、感度と特異性の点で独自の利点と欠点があります。これらの方法の中で、核酸増幅ベースの検査であるマルチプレックスqRT-PCRが最も一般的であり、SARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、およびMERS-CoVの診断のゴールドスタンダードであると考えられています。

本研究では、SARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、SARS-CoV-2、MERS-CoVを標準ツイスト合成ウイルスRNAを用いて効果的かつ正確かつ同時に検出するための様々なプライマーの組み合わせとプローブを設計・評価しました。MERS-CoVまたはSARS-CoV-2の標的遺伝子に対して開発されたマルチプレックスアッセイは、世界保健機関(WHO)によって推奨されています。これらの遺伝子は一般に、MERS−CoVアッセイに使用されるオープンリーディングフレーム1a(ORF1a)内の領域など、複製/転写複合体(RTC)35の形成に寄与するタンパク質および複合体をコードする。さらに、構造タンパク質は、MERS-CoVおよびSARS-Cov-2アッセイにそれぞれ使用されるエンベロープ遺伝子の上流領域(upE)およびヌクレオカプシド遺伝子(N)などの診断アッセイに利用される遺伝子によってコードされています35,36。社内のR3TワンステップRT-qPCRキットを使用して、ウイルス検出用のRT-qPCRを確立しました37。R3T ワンステップ RT-qPCR キットおよびプライマーセットのウイルス検出、感度、特異性、およびダイナミックレンジは、標準 Twist 合成 RNA の 10 倍段階希釈を使用して試験および評価されました。実用的検出の最低限界は、1反応あたり約10個の転写産物コピーでした。その結果、SARS-CoV-2、インフルエンザA、インフルエンザB、およびSARS-CoV-2、MERS-CoVのルーチン同時診断に、社内のR3TワンステップRT-qPCRキットとプライマー/プローブセットを正常に使用および実装できます。

Protocol

1. Taqポリメラーゼの発現と精製 酵素のC末端に切断可能なヘキサ-ヒスチジンタグを有するプラスミドを構築します。 発現ベクター50ngを標準プロトコル38に従って大腸菌BL21-(DE3)株に形質転換する。 37°Cでそれぞれ2Lの2YT培地ブロスが入った4つの6Lフラスコに、OD 600が0.8または細胞番号6.4 x 108 に達するまで170rpmで振とうしなが?…

Representative Results

近年、PCRアプローチ21、22、23、24、25を使用して一般的な呼吸器ウイルスを検出するための診断アプローチに大きな進歩がありました。しかし、これらの進歩にもかかわらず、1回の検査で複数のウイルスを検出できるマルチプレックスアプローチは、特にRT-qPCRプラット?…

Discussion

SARS-CoV-2、インフルエンザA/B、MERS-CoV変異株などの一般的な呼吸器系ウイルスの蔓延による高い感染率と死亡率により、世界中の医療システムに大きな経済的負担がかかっています12,19,20。この負担を軽減する責任感に突き動かされ、1回の検査でこれらの一般的なウイルスを区別するためのRT-qPCRなどの迅速で正確でアクセ?…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、キング・アブドゥッラー科学技術大学(King Abdullah University of Science and Technology)が中核資金とS.M.H.へのNational Term Grand Challenge(NTGC)を通じて支援しました。

Materials

0.45 μm filter cups Thermo Scientific 291-4545
10X Tris-Glycine SDS running buffer Novex LC2675
6-well tissue culturing plates Corning 353046
Ammonium sulfate Fisher Scientific A701-3
Ampicillin Corning 61-238-RH
Cation exchange (HiTrap SP HP) 5 mL Cytiva 17-1152-01
D-(+)-Biotin, 98+% Thermo Scientific A14207.60
DH10Bac competent cells Fisher Scientific 10361012
Dialysis bag (Snakeskin 10,000 MWC) Thermo Scientific 68100
Dithiothreitol (DTT) Thermo Scientific R0862
Dnase/Rnase Free Distilled Water Ambion AM9930
dNTPs Thermo Scientific R0192
E. coli BL21(DE3) competent cells Invitrogen C600003
EDTA Fisher Scientific BP120-1
Elution Buffer Qiagen 19086
ESF 921 insect cell culture medium (Insect cells media) Expression Systems 96-001-01
FBS Solution Gibco A38400-01
Fugene (transfection reagent) Promega E2311
Gentamicin Fisher Scientific 15750060
Glycerol Sigma Aldrich G5516-500
IGEPAL CA-630 Sigma Aldrich I8896-100ml
Imidazole Sigma Aldrich 56750-1Kg
Influenza A (H1N1) synthetic RNA Twist Bioscience 103001
Influenza A (H3N2)  synthetic RNA Twist Bioscience 103002
Influenza B synthetic RNA Twist Bioscience 103003
IPTG Gold Biotechnology I3481C100
Kanamycin Gibco 11815-032
LB Agar Fisher Scientific BP1425-500
LB Broth media Fisher Scientific BP1426-500
Lysozyme Sigma Aldrich L6876-10G
Magnesium Chloride Sigma Aldrich 13152-1Kg
MERS-CoV synthetic RNA Twist Bioscience 103015
MicroAmp Fast Optical 96-well Reaction plates with Barcode (0.1 mL) Applied Biosystems 10310855
Mini- PROTEAN TGX Precast Gel Bio-Rad 456-1093
Miniprep kit Qiagen 27106
Ni-NTA Excel (HisTrap Excel) 5 mL Cytiva 17-3712-06
Ni-NTA HP (HisTrap HP) 5 mL Cytiva 17-5248-02
Optical Adhesice Covers (PCR Compatible,DNA/Rnase/PCR Inhibitors Free Applied Biosystems 4311971
Potassium Chloride Fisher Bioreagents BP366-1
Primers and Probes Integrated DNA Technologies, Inc.
Protease Inhibitor Mini tablets EDTA-Free Thermo Scientific A32955
Protein marker Fermentas 26616
RT-qPCR machine (QuantStudio 7 Flex) Applied Biosystems
S.O.C medium Fisher Scientific 15544034
SARS-CoV-+A2:C442 synthetic RNA Twist Bioscience 102024
Sf9 insect cells Gibco A35243
Sodium Chloride Sigma Aldrich S3014-1Kg
StrepTrap XT 5 mL Cytiva 29401323
Tetracycline IBI Scientific IB02200
Tris Base Molecular Biology Grade Promega H5135
Tris-HCl Affymetrix 22676
Tween 20 Sigma Aldrich P1379-100ml
X-Gal Invitrogen B1690
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References

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Althobaiti, A., Hamdan, K., Sobhy, M. A., Rawas, R., Takahashi, M., Artyukh, O., Tehseen, M. Development of Multiplex Real-Time RT-qPCR Assays for the Detection of SARS-CoV-2, Influenza A/B, and MERS-CoV. J. Vis. Exp. (201), e65822, doi:10.3791/65822 (2023).
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