Summary

Utvikling av en spytt antistoff Multiplex Immunoassay å måle menneskelig eksponering for miljø patogener

Published: September 12, 2016
doi:

Summary

In the current climate of scarce resources, new technologies are emerging that allow researchers to conduct studies cheaper, faster and with more precision. Here we describe the development of a bead-based salivary antibody multiplex immunoassay to measure human exposure to multiple environmental pathogens simultaneously.

Abstract

Etiologi og konsekvensene av menneskelig eksponering for miljø patogener er av stor bekymring over hele verden, og dermed vil evnen til å vurdere eksponering og infeksjoner ved bruk av kostnadseffektive, high-throughput tilnærminger være uunnværlig. Dette manuskriptet beskriver utvikling og analyse av en kule-baserte multipleks immunoassay stand til å måle nærværet av antistoffer i humant spytt til flere patogener samtidig. Spytt er spesielt attraktivt i denne anvendelse fordi den er ikke-invasiv, billigere og enklere å samle enn serum. Antigener fra miljøet patogener ble koblet til karboksylerte mikrosfærer (perler) og brukes til å måle antistoffer i meget små volumer av human spyttprøver ved hjelp av en vulst basert, løsning-fase-analysen. Perler ble kombinert med antigener fra Campylobacter jejuni, Helicobacter pylori, Toxoplasma gondii, noroviruses (G I.1 og G II.4) og hepatitt A virus. For å sikre at antigenene var tilstrekkelig koblet tilkulene, kobling ble bekreftet ved bruk av artsspesifikke, animalske primære fangst-antistoffer, etterfulgt av inkubasjon med biotinylerte anti-arter sekundære deteksjon-antistoffer og streptavidin-R-fykoerytrin reporter (SAPE). Som en kontroll for å måle ikke-spesifikk binding, ble en perle sett behandlet identisk med de andre, bortsett fra at det ikke ble koblet til en hvilken som helst antigen. De antigen-koblet og kontroll perler ble deretter inkubert med fremadrettet oppsamlede humane spyttprøver, målt på en høy gjennomstrømning analysator basert på prinsippene om flowcytometri, og nærværet av antistoffer mot hvert antigen ble målt i Median fluorescensintensitet enheter (MFI) . Denne multiplex immunoassay har en rekke fordeler, blant annet mer data med mindre prøven; reduserte kostnader og arbeid; og evne til å tilpasse analysen til mange mål av interesse. Resultater indikerer at spytt multipleks immunoassay kan være i stand til å identifisere tidligere eksponeringer og infeksjoner, som kan være especially nyttig i overvåking studier som involverer store befolkningsgrupper.

Introduction

Åtti-åtte prosent av diaré-relaterte sykdom på verdensbasis er forbundet med menneskelig eksponering for forurenset vann, utrygg mat, og dårlig hygiene / hygiene, forårsaker om lag 1,5 millioner dødsfall, de fleste av dem er barn 1. Dette er en viktig årsak til bekymring for offentlige helsemyndigheter og politikere. I et forsøk på å undersøke eksponeringer og sykdommer forbundet med vannbåren og andre miljø patogener, har vi utviklet en multiplex immunologisk å måle antistoffer i humane prøver 2-4. Denne fremgangsmåten kan anvendes på epidemiologiske studier for å bestemme human eksponering for disse patogener og for å bedre definere immunoprevalence og innfallende infeksjoner.

Spytt holder betydelige løftet som et alternativ til serum for human biomarkør forskning. Blant fordelene med å bruke spytt er den ikke-invasivitet og enkel prøvetaking, lav pris, og prøvene kan lett hentes fra barn 5-7 </ Sup>. Serum og spyttprøver har blitt studert for antistoffer mot H. pylori 2,3,8, Plasmodium falciparum 9, Entamoeba histolytica 10, Cryptosporidium parvum 3,11, Streptococcus pneumonia 12, hepatittvirus A og C 13-14, noroviruses 2-4,15, T. gondii 2-4, dengue virus 16, humant immunsviktvirus (HIV) 17, og Escherichia coli O157: H7 18.

En multipleks immunoassay tillater analyse av multiple analytter samtidig innenfor en enkelt prøvevolum og i løpet av en enkelt syklus eller løp. Multipleksede antigener fra C. jejuni, T. gondii, H. pylori, hepatitt A virus, og to noroviruses ble brukt til å måle menneskelig spytt IgG 2-4 og IgA 3,4 og plasma IgG 2,3 antistoffresponser mot disse patogener ved hjelp av enperle-baserte multipleksing immunoassay. Når den brukes sammen med epidemiologiske studier av eksponering for mikrober i vann, jord og mat, kan den typen av analysen beskrevet i denne studien gi verdifull informasjon for å forbedre forståelsen av infeksjoner forårsaket av miljø patogener. Videre kan spytt antistoff-data oppnådd fra slike undersøkelser anvendes for å forbedre risikovurderinger modeller 19-22.

Protocol

Godkjenning ble innhentet fra Institutional Review Board (IRB # 08-1844, University of North Carolina, Chapel Hill, NC, USA) for innsamling av stimulert crevikulære spyttprøver fra badestrand på Boqueron Beach, Puerto Rico, som en del av USA Environmental Protection Agency (USEPA) National Epidemiologiske og Environmental Assessment of Recreational (neear) Vann Study 23 for å vurdere svømme forbundet eksponeringer og sykdommer. Forsøkspersonene gitt informert samtykke og ble instruert om bruken av spytt…

Representative Results

Og en unik perlesett ble anvendt som en kontroll for å måle ikke-spesifikk binding og prøve til prøve variabilitet. Disse perler ble behandlet identisk til de antigen kombinert perler med unntak av at de ikke ble inkubert med hvilken som helst antigen i koblingstrinnet. MFI-verdier> 500 oppnådd fra kontrollperlene inkubert med alle spyttprøver ble fjernet fra ytterligere analyser på grunn av mistanke om forurensning fra serum og de resterende responser ble log fordelt. Spytt ka…

Discussion

Disse resultatene indikerer at multipleks-immunoassay-metoden er nyttig for å skille mellom spyttprøver, som er immunopositive eller immunonegative. For å bestemme immunopositivity, ble en eneste cut-off point utviklet ved å beregne middelverdien pluss tre standardavvik logg forvandlet MFI reaksjoner fra kontroll koblede perler testet med alle de spyttprøver. Cut-off point gis muligheten til å vurdere eksponering og immunoprevalence til enten en enkelt eller flere patogener. Dette diskriminerende makt kan være ny…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Clarissa Curioso was supported through an appointment to the Research Participation Program at the U.S. Environmental Protection Agency administered by the Oak Ridge Institute for Science and Education through an interagency agreement between the U.S. Department of Energy and U.S. EPA.

Materials

Equipment and Software
Microcentrifuge Thermo Electron Corporation 75002446 Used to centrifuge samples
Vortex Mixer VWR G560 Used to mix samples
Sonicator (mini) Fisher Scientific 15-337-22 Used to separate beads
Pipettors P10, P20, P100, P1000, 8 ch. Capp Various
Hemacytometer (Bright Line) Housser Scientific  3200 Used to count coupled beads
Multiscreen Vacuum Manifold Millipore MSVMHTS00 Used in washing steps to remove supernatant
MicroShaker VWR 12620-926 Used to agitate beads during incubations
Tube rack (1.5mL and 0.5mL) (assorted) VWR 30128-346
Weighing Scale Mettler or other Used to measure wash reagents for making buffers
Dynabead Sample Mixer Invitrogen 947-01 Used during coupling incubation step
MatLab (R2014b) The MathWorks, Inc. Used to analyze antibody response data
Microsoft Excel 2014 Microsoft Corporation Used to analyze antibody response data
Luminex Analyzer with xPonent 3.1 software Luminex Corporation LX200-XPON3.1 Instrument and software used to run assay
Antigens
GI.1 Norwalk Virus : p-particle Xi Jiang (CCHMC)* NA  *Cincinnati Childrens' Hospital. Final conc. 5 µg.
GII.4 Norovirus VA387 : p-particle Xi Jiang (CCHMC)* NA  *Cincinnati Childrens' Hospital. Final conc. 5 µg.
Hepatitis A Virus : grade II concentrate from cell culture Meridian Life Sciences 8505 Antigen coupled at 100 µg
Helicobacter pylori : lysate Meridian Life Sciences R14101 Antigen coupled at 25 µg
Toxoplasma gondii : recombinant p30 (SAG1) Meridian Life Sciences R18426 Antigen coupled at 25 µg
Campylobacter jejuni : heat killed whole cells KPL 50-92-93 Antigen coupled at 50 µg
Primary Antibodies
Guinea pig anti-Norovirus (CCHMC)* NA Used for coupling confirmation
Mouse anti-Hepatitis A IgG Meridian Life Sciences C65885M Used for coupling confirmation
Mouse anti-Hepatitis A IgG Meridian Life Sciences C65885M Used for coupling confirmation
BacTraceAffinity Purified Antibody to Helicobacter pylori KPL 01-93-94 Used for coupling confirmation
Goat pAb to Toxoplasma gondii Abcam Ab23507 Used for coupling confirmation
BacTrace Goat anti-Campylobacter species KPL 01-92-93 Used for coupling confirmation
Secondary  Antibodies
Biotin-SP-Conjugated AffiniPure Donkey anti-Goat IgG (H+L) Jackson 705-065-149 Used for coupling confirmation
Biotinylated Rabbit anti-Goat IgG (H+L) KPL 16-13-06 Used for coupling confirmation
Biotinylated Goat anti-Mouse IgG (H+L) KPL 16-18-06 Used for coupling confirmation
Affinity Purified Antibody Biotin Labeled Goat anti-Rabbit IgG(H+L) KPL 176-1506 Used for coupling confirmation
Affinity Purified Antibody Biotin Labeled Goat anti-Human IgG(ᵞ)  KPL 16-10-02 Used for Salivary Immunoassay
Consumables
1.5 mL copolymer microcentrifuge tubes USA Scientific 1415-2500 Used as low binding microcentrifuge tubes
10 µL pipette tip refills BioVentures 5030050C
200 µL pipette tip refills BioVentures 5030080C
1000 µL pipette tip refills BioVentures 5130140C
Aluminum foil Various Vendors Used keep beads in the dark during incubations
Deep Well plates VWR 40002-009 Used for diluting saliva samples
Multiscreen Filter Plates Millipore MABVN1250 Used to run assays
Oracol saliva collection system Malvern Medical Developments Limited Used for saliva collection
Reagents
Carboxylated microspheres (beads) Luminex Corporation Dependent on bead set Antigens are coupled to the microspheres
EDC (1-ethyl-3-[3dimethylaminopropyl] carbodiimide hydrochloride) Pierce 77149 or 22980 Used in bead activation
Sulfo-NHS (N-hydroxysulfosuccinimide) Pierce 24510 Used in bead activation
Steptavidin-R-phycoerythrin (1mg/mL) Molecular Probes S-866 Used as reporter
MES (2-[N-Morpholino]ethanesulfonic acid) Sigma M-2933 Used for coupling
Tween-20 (Polyoxyethylenesorbitan monolaurate) Sigma P-9416 Used in wash buffer to remove non-specific binding
Protein Buffers
PBS-TBN Blocking/ Storage Buffer (PBS, 0.1% BSA, 0.02% Tween-20, 0.05% Azide, pH 7.4)** Filter Sterilize and store at 4°C
PBS, pH 7.4 Sigma P-3813 138 mM NaCl, 2.7 mM KCl
BSA Sigma A-7888 0.1% (w/v)
Tween-20 Sigma P-9416 0.2% (v/v)
Sodium Azide (0.05% azide)** Sigma S-8032 **Caution: Sodium azide is acutely toxic. Avoid contact with skin and eyes. Wear appropriate PPE's. Dispose of according to applicable laws.
MES/ Coupling Buffer (0.05 M MES, pH 5.0)
MES (2-[N-Morpholino]ethanesulfonic acid) Sigma S-3139
5 N NaOH Fisher SS256-500
Assay Buffer (PBS, 1% BSA, pH 7.4)  Filter Sterilize and store at 4°C
PBS, 1% BSA, pH 7.4 Sigma P-3688 138 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 1% BSA
Activation Buffer (0.1 M NaH2PO4, pH 6.2) Filter Sterilize and store at 4°C
NaH2PO4 (Sodium phosphate, monobasic anhydrous) Sigma S-3139 0.1M NaH2PO4
5 N NaOH Fisher SS256-500
Wash Buffer (PBS, 0.05% Tween-20, pH 7.4) Filter Sterilize and store at 4°C
PBS, 0.05% Tween-20, pH 7.4 Sigma P-3563 138 mM NaCl, 2.7 mM KCl, 0.05% TWEEN

Riferimenti

  1. Prüss-Üstün, A., Gore, F., Bartram, J. . Safer water, better health: costs, benefits and sustainability of interventions to protect and promote health. , (2008).
  2. Augustine, S., et al. Statistical approaches to developing a multiplex immunoassay for determining human exposure to environmental pathogens. J Immunol Methods. 425, 1-9 (2015).
  3. Griffin, S., et al. Application of salivary antibody immunoassays for the detection of incident infections with Norwalk virus in a group of volunteers. J Immunol Methods. 424, 53-63 (2015).
  4. Griffin, S., Chen, I., Fout, G., Wade, T., Egorov, A. Development of a multiplex microsphere immunoassay for the quantitation of salivary antibody responses to selected waterborne pathogens. J Immunol Methods. 364 (1-2), 83-93 (2011).
  5. Ferguson, D. Current diagnostic uses of saliva. J Dent Res. 66, 420-424 (1987).
  6. Mandel, I. The diagnostic uses of saliva. J Oral Pathol Med. 19, 119-125 (1990).
  7. Malamud, D. Saliva as a Diagnostic Fluid. Brit Med J. 305, 207-208 (1992).
  8. Ballam, L., et al. Western blotting is useful in the salivary diagnosis of Helicobacter pylori infection. J Clin Pathol. 53, 314-317 (2000).
  9. Estevez, P., Satoguina, J., Nwakanma, D., West, S., Conway, D., Drakeley, C. Human saliva as a source of anti-malarial antibodies to examine population exposure to Plasmodium falciparum. Malar J. 10, 104 (2011).
  10. Abd-Alla, M., Jackson, T., Reddy, S., Ravdin, J. Diagnosis of invasive amebiasis by enzyme-linked immunosorbent assay of saliva to detect amebic lectin antigen and anti-lectin immunoglobulin G antibodies. J Clin Microbiol. 38 (6), 2344-2347 (2000).
  11. Toyoguchi, A., et al. Antibody reactivity to Cryptosporidium parvum in saliva of calves after experimental infection. J Vet Med Sci. 62 (11), 1231-1234 (2000).
  12. Choo, S., Zhang, Q., Seymour, L., Akhtar, S., Finn, A. Primary and booster salivary antibody responses to a 7-valent pneumococcal conjugate vaccine in infants. J Infect Dis. 182 (4), 1260-1263 (2000).
  13. Tourinho, R., et al. Importance of the cutoff ratio for detecting antibodies against hepatitis A virus in oral fluids by enzyme immunoassay. J Virol Methods. 173 (2), 169-174 (2011).
  14. Moorthy, M., Daniel, H., Kurian, G., Abraham, P. An evaluation of saliva as an alternative to plasma for the detection of hepatitis C virus antibodies. Indian J Med Microbiol. 26 (4), 327-332 (2008).
  15. Moe, C., Sair, A., Lindesmith, L., Estes, M., Jaykus, L. Diagnosis of norwalk virus infection by indirect enzyme immunoassay detection of salivary antibodies to recombinant norwalk virus antigen. Clin Diagn Lab Immunol. 11 (6), 1028-1034 (2004).
  16. Yap, G., Sil, B., Ng, L. Use of saliva for early dengue diagnosis. PLoS Negl Trop Dis. 5 (5), e1046 (2011).
  17. Schramm, W., Angulo, G., Torres, P., Burgess-Cassler, A. A simple saliva-based test for detecting antibodies to human immunodeficiency virus. Clin Diagn Lab Immunol. 6 (4), 577-580 (1999).
  18. Chart, H., Perry, N., Willshaw, G., Cheasty, T. Analysis of saliva for antibodies to the LPS of Escherichia coli O157 in patients with serum antibodies to E. coli O157 LPS. J Med Microbiol. 52 (Pt 7), 569-572 (2003).
  19. Ashbolt, N., Bruno, M. Application and refinement of the WHO risk framework for recreational waters in Sydney, Australia. J Water Health. 1 (3), 125-131 (2003).
  20. Westrell, T., Schonning, C., Stenstrom, T., Ashbolt, N. QMRA (quantitative microbial risk assessment) and HACCP (hazard analysis and critical control points) for management of pathogens in wastewater and sewage sludge treatment and reuse. Water Sci Technol. 50 (2), 23-30 (2004).
  21. Ashbolt, N. Microbial contamination of drinking water and disease outcomes in developing regions. Toxicology. 198 (1-3), 229-238 (2004).
  22. Eisenberg, J., Soller, J., Scott, J., Eisenberg, D., Colford, J. A dynamic model to assess microbial health risks associated with beneficial uses of biosolids. Risk Anal. 24, 221-236 (2004).
  23. Wade, T. J., et al. . Report on 2009 National Epidemiologic and Environmental Assessment of Recreational Water Epidemiology Studies, US EPA. US EPA Report Number: EPA/600/R-10/168: US EPA2011. , (2011).
  24. Fujii, Y., et al. Serological surveillance development for tropical infectious diseases using simultaneous microsphere-based multiplex assays and finite mixture models. PLoS Negl Trop Dis. 8, e3040 (2014).
  25. Rota, M., Massari, M., Gabutti, G., Guido, M., De Donno, A., Ciofi degli Atti, M. Measles serological survey in the Italian population: interpretation of results using mixture model. Vaccine. 26 (34), 4403-4409 (2008).
  26. Vyse, A., Gay, N., Hesketh, L., Pebody, R., Morgan-Capner, P., Miller, P. Interpreting serological surveys using mixture models: the seroepidemiology of measles, mumps and rubella in England and Wales at the beginning of the 21st century. Epidemiol Infect. 134 (6), 1303-1312 (2006).
  27. Baughman, A., et al. Establishment of diagnostic cutoff points for levels of serum antibodies to pertussis toxin, filamentous hemagglutinin, and fimbriae in adolescents and adults in the United States. Clin Diagn Lab Immunol. 11 (6), 1045-1053 (2004).
  28. Clotilde, L., Bernard, C., Hartman, G., Lau, D., Carter, J. Microbead-based immunoassay for simultaneous detection of Shiga toxins and isolation of Escherichia coli O157 in foods. J Food Prot. 74 (3), 373-379 (2011).
  29. . . Luminex User Software Manual (RUO) xPONENT 3.1 Rev. 2. 3, 6-102 (2014).
  30. Waterboer, T., Sehr, P., Pawlita, M. Suppression of non-specific binding in serological Luminex assays. J Immunol Methods. 309 (1-2), 200-204 (2006).
check_url/it/54415?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Augustine, S. A. J., Eason, T. N., Simmons, K. J., Curioso, C. L., Griffin, S. M., Ramudit, M. K. D., Plunkett, T. R. Developing a Salivary Antibody Multiplex Immunoassay to Measure Human Exposure to Environmental Pathogens. J. Vis. Exp. (115), e54415, doi:10.3791/54415 (2016).

View Video