Summary

Gıda kaynaklı patojen tarama kullanarak Manyeto-floresan Nanosensor: E. Coli O157: H7 hızlı tespiti

Published: September 17, 2017
doi:

Summary

Hızlı algılama özellikle patojenik bakterilerin manyetik gevşeme ve floresan emisyon modaliteleri kombinasyonu ile hedef ve bu protokol genel amacı, düşük maliyetli, taşınabilir için fonksiyonel nanosensors sentez etmektir.

Abstract

Enterohemorrhagic Escherichia coli O157: H7-var bağlı su bazlı hem de ve gıda kaynaklı hastalıklar ve bir tehdit rağmen gıda ve su filtreleme yöntemleri kullanılan şu anda kalır. Polimeraz zincir tepkimesi (PCR) ve enzim bağlı immunosorbent deneyleri (ELISA) özellikle patojenik kirleticiler, algılayabilir gibi konvansiyonel bakteri algılama yöntemleri, bunlar geniş numune hazırlama ve uzun bekleme süreleri gerektirir. Ayrıca, bu uygulamaları talep gelişmiş Laboratuvar Cihazları ve ayarları ve eğitimli profesyoneller tarafından yürütülmelidir. Burada, bir protokol manyetik ve floresan parametreleri nanoparçacık tabanlı bir platform, eşsiz kombinasyonu özellikleri basit bir tanı tekniği için önerilmiştir. Önerilen multiparametric Manyeto-floresan nanosensors (MFnS) E. coli O157: H7 kirlenme olduğu kadar az 1 adet az 1 h çözümünüzde mevcut koloni oluşturan ile algılayabilir. Ayrıca, MFnS gibi karmaşık medyada son derece işlevsel kalır yeteneği süt ve göl su doğrulanmadı. Ek özgüllük deneyleri de MFnS yalnızca belirli hedef bakteri, hatta huzurunda benzer bakteriyel tür algılama yeteneğini göstermek için kullanılmıştır. Manyetik ve floresan yöntemleri eşleştirme algılama ve patojen bulaşma her iki erken ve geç-aşamalı kirlenme algılama içinde yüksek performans sergileyen konsantrasyonları, geniş bir alanda miktar sağlar. Etkinliği, uygun fiyatta ve MFnS taşınabilirliği için bakım noktası tarama bakteriyel kirletici için ideal bir aday ayarları, geniş bir ticari olarak paketlenmiş gıda su depoları dan onları.

Introduction

Bakteriyel kontaminasyon hem de kalıcı geçtiği ticari gıda üretilen ve su kaynaklarının giderek hızlı ve spesifik tanı platformları için bir ihtiyaç yarattı. 1 , 2 , Salmonella, Staphylococcus, Listeria, Vibrio, Shigella, Bacillus ve Escherichia cins daha yaygın bakteriyel kirletici için yiyecek ve su kirlenmesi sorumlu bazılarıdır. 3 , 4 kez bakteriyel kontaminasyon Bu patojenler tarafından ateş, kolera, gastroenterit ve ishal gibi belirtiler olur. 4 su kaynaklarının kirlenme kez yeterince filtrelenmiş su erişimi olmayan topluluklar üzerinde ciddi ve olumsuz etkileri vardır ve gıda kontaminasyonu hastalıklar ve ürün geri çekme çabaları çok sayıda için açmıştır. 5 , 6

Bakteriyel kirlenme tarafından neden olduğu hastalıkların oluşumunu azaltmak için bir dizi hangi su ve yiyecek verimli satış veya tüketim önce taranabilir yöntemleri geliştirmek için çaba olmuştur. PCR,1,7,8,9,10 ELISA,11,12 döngü-aracılı izotermal amplifikasyon () gibi 3 teknikleri LAMBA),13,14 diğerleri arasında15,16,17,18,19,20,21, 22,23,24 son zamanlarda çeşitli patojenler tespiti için kullanılır. Geleneksel bakteriyel kültür yöntemleri ile karşılaştırıldığında, bu tekniklerin özgüllük ve zaman açısından çok daha verimli. Ancak, bu teknikler hala yanlış pozitif ve negatif, karmaşık prosedürleri ve maliyet ile mücadele. 1 , 3 , 25 multiparametric Manyeto-floresan nanosensors (MFnS) bakteriyel algılama için alternatif bir yöntem olarak önerilen bu nedenle içindir.

Bu nanosensors benzersiz olarak birlikte manyetik gevşeme ve floresan yöntemleri, hızlı ve doğru bir çift-algılama platformu için izin eşleyin. E. coli O157: H7 örnek kirletici kullanarak, MFnS dakika içinde olduğu kadar az 1 CFU algılama yeteneğini gösterilmiştir. Patojen özel antikorlar özgüllüğü artırmak için kullanılır ve algılama ve miktar her iki düşük ve yüksek kirlilik aralıklardaki bakteriyel kirletici için manyetik ve floresan modaliteleri kombinasyonu sağlar. 16 bakteriyel kontaminasyon durumunda patojen özgü antikorların hedefleme yetenekleri nedeniyle bakteri çevresinde nanosensors swarm. Manyetik nanosensors ile bakteri arasındaki manyetik demir çekirdekli ve çevresindeki su proton arasındaki etkileşimi sınırlar. Bu artış T2 gevşeme zamanlarda manyetik bir relaxometer tarafından kaydedildiği şekilde neden olur. Çözüm bakterilerde konsantrasyon yükselir gibi bakteri, alt T2 değerleri kaynaklanan artan sayıda nanosensors dağıtmak. Tersine, Floresans emisyon nanosensors patojen için doğrudan bağlı artan sayıda nedeniyle bakteri konsantrasyonu ile orantılı artar. Santrifüjü örnekleri ve bakteriyel Pelet yalıtım sadece doğrudan herhangi bir serbest yüzer nanosensors kaldırılması ve doğrudan Floresans emisyon sayısı ile korele bakteri iliştirilmiş nano tanecikleri tasarruf etmek bakteri içinde çözüm sunuyoruz. Bu mekanizma şematik gösterimi şekil 1‘ de temsil edilir.

Bu MFnS platform bakım noktası tarama unutmayın, düşük maliyetli ve taşınabilir özellikleri kaynaklanan ile dizayn edilmiştir. MFnS oda sıcaklığında kararlı olduğunu ve sadece doğru algılama bakteriyel kirletici için çok düşük konsantrasyonlarda gerekmektedir. Ayrıca, sentez sonra MFnS kullanımı basittir ve alanında eğitimli uzmanları kullanımı gerektirmez. Son olarak, bu tanı platform, bu tarafından bir platformda her türlü patojenler birçok farklı ortamlarda algılamak için kullanılan bir araç sağlayarak son derece özelleştirilebilir hedefleme için sağlar.

Protocol

1. sentez ve çok parametrik Manyeto-floresan Nanosensors (MFnS) Functionalization. Superparamagnetic demir oksit sentezi nano tanecikleri (IONPs) IONP sentezi için hazırlamak için aşağıdaki 3 çözümleri hazırlamak: çözüm 1: FeCl 3 (0.70 g) ve FeCl 2 H 2 O içinde (2 mL), çözüm 2: NH 4 OH (2.0 mL, 13.4 M) H 2 O (15 mL) ve çözüm 3: polyacrylic asit (0.855 g) H 2 O (5 mL). 2 M hidroklorik asit (HCl) 90 µL ç?…

Representative Results

MFnS etki mekanizması şekil 1′ de temsil edilir. MFnS bakteriyel kirletici yüzeyi kümeleme MFnS magnetic cores ve çevresindeki hidrojen çekirdekleri arasındaki etkileşimler etkilemektedir. Bu kümeleme, manyetik gevşeme sonucu olarak değerlerini artırmak. Bakteriyel kirletici konsantrasyonu arttıkça, kümeleme azaltır ve T2 değerleri değişikliği azalır. Bu nedenle, bir floresan modality eklenmesi önemlidir. Bakteri konsantrasyonu arttıkça, her iki düşük ve yüksek ko…

Discussion

Bu iletişim kuralı basit tamamen işlevsel MFnS üretmek için tasarlanmış mümkün olduğunca. Ancak, değişiklik Protokolü’nün kullanıcının nihai hedef bağlı olarak yararlı olabilecek çok önemli noktalar vardır. Örneğin, farklı antikor kullanımı birçok diğer patojenleri hedefleme için izin verecek. Ayrıca, bu iletişim kuralını molekülleri hedefleme olarak antikor kullanımı sınırlı değildir. Konak hücre reseptörleri gibi hedef patojenler için özel b…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser K-INBRE P20GM103418, Kansas soya Komisyonu (KSC/PSU 1663), ACS PRF 56629-UNI7 ve PSU polimer kimya başlangıç Fonu, tüm SS tarafından desteklenmektedir. Biz Üniversitesi videoları çekiyor, Bay Jacob Anselmi, video ile onun en iyi çalışma için teşekkür ederim. Biz de Bay Roger Heckert ve Bayan Katha Heckert cömert destekleri araştırma için teşekkür ederiz.

Materials

Ferrous Chloride Tetrahydrate Fisher Scientific I90-500
Ferric Chloride Hexahydrate Fisher Scientific I88-500
Ammonium Hydroxide Fisher Scientific A669S-500
Hydrochloric Acid Fisher Scientific A144S-500
Polyacryllic Acid Sigma-Aldrich 323667-100G
EDC Thermofisher Scientific 22980
NHS Fisher Scientific AC157270250
Anti-E. coli O111 antibody  sera care 5310-0352
Anti-E. coli O157:H7 antibody [P3C6]  Abcam ab75244
DiI Stain Fisher Scientific D282
Nutrient Broth Difco 233000
Freeze-dried E. coli O157:H7 pellet ATCC 700728
Magnetic Relaxomteter  Bruker mq20
Zetasizer Malvern NANO-ZS90
Plate Reader  Tecan Infinite M200 PRO
Magnetic Column  QuadroMACS 130-090-976
Centrifuge Eppendorf 5804 Series
Centrifuge (accuSpin Micro 17) Fisher Scientific 13-100-676
Floor Model Shaking Incubator SHEL LAB SSI5
Analytical Balance Metler Toledo ME104E
Digital Vortex Mixer Fisher Scientific 02-215-370
Open-Air Rocking Shaker Fisher Scientific 02-217-765

References

  1. Law, J. W., Ab Mutalib, N. S., Chan, K. G., Lee, L. H. Rapid methods for the detection of foodborne bacterial pathogens: principles, applications, advantages and limitations. Front Microbiol. 5, 770 (2014).
  2. Pandey, P. K., Kass, P. H., Soupir, M. L., Biswas, S., Singh, V. P. Contamination of water resources by pathogenic bacteria. AMB Express. 4, 51 (2014).
  3. Zhao, X., Lin, C. W., Wang, J., Oh, D. H. Advances in rapid detection methods for foodborne pathogens. J Microbiol Biotechnol. 24 (3), 297-312 (2014).
  4. Heithoff, D. M., et al. Intraspecies variation in the emergence of hyperinfectious bacterial strains in nature. PLoS Pathog. 8 (4), e1002647 (2012).
  5. Ishii, S., Sadowsky, M. J. Escherichia coli in the Environment: Implications for Water Quality and Human Health. Microbes Environ. 23 (2), 101-108 (2008).
  6. Chiou, C. S., Hsu, S. Y., Chiu, S. I., Wang, T. K., Chao, C. S. Vibrio parahaemolyticus serovar O3:K6 as cause of unusually high incidence of food-borne disease outbreaks in Taiwan from 1996 to 1999. J Clin Microbiol. 38 (12), 4621-4625 (2000).
  7. Zhou, G., et al. PCR methods for the rapid detection and identification of four pathogenic Legionella spp. and two Legionella pneumophila subspecies based on the gene amplification of gyrB. Appl Microbiol Biotechnol. 91 (3), 777-787 (2011).
  8. Chen, J., Tang, J., Liu, J., Cai, Z., Bai, X. Development and evaluation of a multiplex PCR for simultaneous detection of five foodborne pathogens. J Appl Microbiol. 112 (4), 823-830 (2012).
  9. LeBlanc, J. J., et al. Switching gears for an influenza pandemic: validation of a duplex reverse transcriptase PCR assay for simultaneous detection and confirmatory identification of pandemic (H1N1) 2009 influenza virus. J Clin Microbiol. 47 (12), 3805-3813 (2009).
  10. Mahony, J. B., Chong, S., Luinstra, K., Petrich, A., Smieja, M. Development of a novel bead-based multiplex PCR assay for combined subtyping and oseltamivir resistance genotyping (H275Y) of seasonal and pandemic H1N1 influenza A viruses. J Clin Virol. 49 (4), 277-282 (2010).
  11. Alvarez, M. M., et al. Specific recognition of influenza A/H1N1/2009 antibodies in human serum: a simple virus-free ELISA method. PLoS One. 5 (4), e10176 (2010).
  12. Huang, C. J., Dostalek, J., Sessitsch, A., Knoll, W. Long-range surface plasmon-enhanced fluorescence spectroscopy biosensor for ultrasensitive detection of E. coli O157:H7. Anal Chem. 83 (3), 674-677 (2011).
  13. Zhang, J., et al. Rapid visual detection of highly pathogenic Streptococcus suis serotype 2 isolates by use of loop-mediated isothermal amplification. J Clin Microbiol. 51 (10), 3250-3256 (2013).
  14. Han, F., Wang, F., Ge, B. Detecting potentially virulent Vibrio vulnificus strains in raw oysters by quantitative loop-mediated isothermal amplification. Appl Environ Microbiol. 77 (8), 2589-2595 (2011).
  15. Wang, J., et al. Rapid detection of pathogenic bacteria and screening of phage-derived peptides using microcantilevers. Anal Chem. 86 (3), 1671-1678 (2014).
  16. Banerjee, T., et al. Multiparametric Magneto-fluorescent Nanosensors for the Ultrasensitive Detection of Escherichia coli O157:H7. ACS Infect Dis. 2 (10), 667-673 (2016).
  17. Shelby, T., et al. Novel magnetic relaxation nanosensors: an unparalleled "spin" on influenza diagnosis. Nanoscale. 8, 19605-19613 (2016).
  18. Bui, M. P., Ahmed, S., Abbas, A. Single-Digit Pathogen and Attomolar Detection with the Naked Eye Using Liposome-Amplified Plasmonic Immunoassay. Nano Lett. 15 (9), 6239-6246 (2015).
  19. Farnleitner, A. H., et al. Rapid enzymatic detection of Escherichia coli contamination in polluted river water. Lett Appl Microbiol. 33 (3), 246-250 (2001).
  20. Huh, Y. S., Lowe, A. J., Strickland, A. D., Batt, C. A., Erickson, D. Surface-enhanced Raman scattering based ligase detection reaction. J Am Chem Soc. 131 (6), 2208-2213 (2009).
  21. Jayamohan, H., et al. Highly sensitive bacteria quantification using immunomagnetic separation and electrochemical detection of guanine-labeled secondary beads. Sensors (Basel). 15 (5), 12034-12052 (2015).
  22. Kaittanis, C., Naser, S. A., Perez, J. M. One-step, nanoparticle-mediated bacterial detection with magnetic relaxation. Nano Lett. 7 (2), 380-383 (2007).
  23. Meeker, D. G., et al. Synergistic Photothermal and Antibiotic Killing of Biofilm-Associated Staphylococcus aureus Using Targeted Antibiotic-Loaded Gold Nanoconstructs. ACS Infect Dis. 2 (4), 241-250 (2016).
  24. Wang, Y., Ye, Z., Si, C., Ying, Y. Subtractive inhibition assay for the detection of E. coli O157:H7 using surface plasmon resonance. Sensors (Basel). 11 (3), 2728-2739 (2011).
  25. Zhao, X., et al. A rapid bioassay for single bacterial cell quantitation using bioconjugated nanoparticles. Proc Natl Acad Sci U S A. 101 (42), 15027-15032 (2004).

Play Video

Cite This Article
Shelby, T., Sulthana, S., McAfee, J., Banerjee, T., Santra, S. Foodborne Pathogen Screening Using Magneto-fluorescent Nanosensor: Rapid Detection of E. Coli O157:H7. J. Vis. Exp. (127), e55821, doi:10.3791/55821 (2017).

View Video