Detectie van virussen van Bioaerosols met behulp van Anion Exchange hars
Summary
Een anion wisselen hars gebaseerde methode, aangepast aan vloeistof impingement gebaseerde bioaerosol bemonstering van virussen is aangetoond. Wanneer gekoppeld aan downstream moleculaire detectie, zorgt de methode voor facile en gevoelige detectie van virussen van bioaerosols.
Abstract
Dit protocol wordt een aangepaste bioaerosol bemonsteringsmethode voor virussen. Anion uitwisseling hars is in dit systeem, in combinatie met vloeibare impingement-gebaseerde air sampling apparaten voor effectieve concentratie van negatief geladen virussen van bioaerosols. Dus, de hars fungeert als een extra concentratie stap in de werkstroom bioaerosol bemonstering. Nucleïnezuur extractie van de virale deeltjes wordt vervolgens rechtstreeks vanuit de anion uitwisseling hars, met het resulterende monster geschikt voor moleculair analyses uitgevoerd. Verder, dit protocol beschrijft een custom-built bioaerosol kamer geschikt voor het genereren van virus-beladen bioaerosols onder een verscheidenheid van milieu-omstandigheden en rekening houdend met de continue monitoring van omgevingsvariabelen zoals temperatuur, vochtigheid, windsnelheid en de massaconcentratie aërosol. Het belangrijkste voordeel van het gebruik van dit protocol is verhoogde gevoeligheid van de detectie van virale, zoals beoordeeld via directe vergelijking met een ongewijzigde conventionele vloeibare impinger. Andere voordelen zijn het potentieel te concentreren divers negatief geladen virussen, de lage kosten van anion uitwisseling hars (~$0.14 per monster), en gebruiksgemak. Nadelen onder meer het onvermogen van dit protocol te beoordelen van de infectiviteit van hars-geadsorbeerde virale deeltjes, en potentieel de noodzaak voor de optimalisatie van de vloeistof bemonstering buffer gebruikt binnen de impinger.
Introduction
Het doel van deze methode is een zeer gevoelige bioaerosol bemonstering platform om moleculaire detectie van virussen negatief geladen bioaerosols te bieden. Micro-organismen, met inbegrip van virale deeltjes, kunnen overleven in bioaerosols voor langere tijd1. Bioaerosols kunnen reizen over relatief lange afstanden en onderhouden van levensvatbaarheid en infectiviteit, zoals blijkt uit een uitbraak van veteranenziekte die afkomstig van industriële koeltorens zijn, gelegen op een afstand van 6 km van de getroffen personen en resulteerde in 18 doden2. Indirecte overdracht van virussen bij de mens gemedieerd door bioaerosols kan voorkomen in meerdere instellingen en heeft aangetoond voor uitbraken van norovirus in scholen en restaurants3,4. Evenzo, bioaerosol transmissie van virussen kan optreden in agrarische instellingen zoals in varkens en pluimvee boerderijen, met deze transmissie route wordt beschouwd als een belangrijke factor in het verkeer van virussen tussen productie faciliteiten5, 6 , 7 , 8 , 9.
Effectieve bemonstering van virus-beladen bioaerosols zorgt voor verbetering in de snelle diagnostiek en paraatheid in geval van uitbraak preventie, zoals wordt weergegeven in de demonstraties in welke H5 influenza een virussen werden waargenomen van bioaerosols in levende dier in China markten en de Verenigde Staten10,11. Huidige bioaerosol bemonstering technologieën omvatten een aantal verschillende deeltje vangen beginselen, en in grote lijnen kunnen worden onderverdeeld in impingers, cyclonen, botslichamen en filters,12. Het valt buiten het toepassingsgebied van dit protocol uitputtend voor alle voordelen en nadelen van deze platforms voor bemonstering van virussen van bioaerosols; echter kan worden gesteld dat de meerderheid van deze bemonstering apparaten niet zijn geoptimaliseerd voor het verzamelen van virussen en bacteriofagen13. Infectiviteit van virale deeltjes is bovendien vaak negatief beïnvloed, met vloeibare impingers beschouwd als virale infectiviteit effectiever dan bemonstering van apparaten zoals solid botslichamen of filters14handhaven. Een nadeel van vloeibare impingement is echter het doel verwateringseffect, die optreedt omdat virussen verzameld in relatief grote hoeveelheden (meestal ≥20 mL) vloeistof in het vat van de collectie worden. Een ander belangrijk nadeel houdt de suboptimaal efficiëntie van vloeibare impingers te concentreren deeltjes < 0,5 µM in grootte15. Echter is dat de efficiëntie van de opname van deze apparaten kan worden verbeterd door immobilisatie op solide matrices, zoals immobilisatie met behoud van virale nucleïnezuren en virale infectiviteit16,17 verbeteren kan.
Wij hebben eerder aangetoond dat anion uitwisseling hars een doeltreffend instrument voor het afvangen en de concentratie van virussen van vloeibare matrices is, met inbegrip van F-RNA bacteriofagen, hepatitis A-virus, menselijke adenovirus en rotavirus18,19 ,20. Zoals omschreven door de fabrikant, is de anion uitwisseling hars gebruikt in dit werk een macroreticular polystyreen sterke base anion uitwisseling hars waarin matiemaatschappij quaternaire amine groepen bemiddelen attractie en de verovering van anionen in een vloeibaar medium21 . Bijgevolg, het anion uitwisseling hars wordt verwacht te vangen van de virussen met net-negatieve oppervlakte kosten, met inbegrip van vele darmen virussen, influenzavirussen en andere virussen die relevant zijn voor de volksgezondheid en diergezondheid.
Het huidige protocol omvat de toevoeging van een vloeibare impinger hars anion uitwisseling. In dit systeem fungeert de hars als een secundaire concentratie stap voor virale deeltjes gevangen in de impinger vloeistof. Nucleic zuren kunnen dan direct in kleine volumes, een geconcentreerde steekproef te voorzien van moleculair analyses worden uitgewassen. Dus, het belangrijkste voordeel van deze methode is de verbetering van de gevoeligheid van de virale detectie, voornamelijk door middel van vermindering van monstervolume. Bovendien, als gevolg van de inherente aspecifieke verovering van negatief geladen virussen, de methode is waarschijnlijk die van toepassing zijn voor de detectie van een groot aantal virussen van belang. Hier is de methode voor de vaccinstammen van type A en type B-influenzavirussen en het FRNA coliphage MS2 (MS2) aangetoond. Deze virussen zijn later ontdekt met behulp van standaard qRT-PCR-testen als eerder beschreven22. De eindpunt-gebruiker moet niet verwachten dat problemen bij het uitvoeren van deze methode, omdat wijzigingen in de momenteel bestaande apparatuur vormen geen grote verstoringen van de conventionele stroom van bioaerosol bemonsterings- en analysemethoden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft een methode voor gevoelige virale vangen van bioaerosols met behulp van gemodificeerde vloeibare impingers. De methode is geoptimaliseerd voor de detectie en kwantificering van de virale lading in bioaerosols. De specifieke wijziging hier gedemonstreerd omvat de toevoeging van vloeibare deel uitmaakt van een gemeenschappelijke vloeibare impinger hars anion uitwisseling. Deze methode werd ontwikkeld voor zijn eenvoud in verwerking stroomafwaarts monster, terwijl andere verwerkingstechnieken monster…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de financiering van het CDC/NIOSH High Plains Intermountain centrum voor landbouw en gezondheid (5U54OH008085) en de Colorado Bioscience Discovery evaluatie Grant programma (14BGF-16).
Materials
| Escherichia coli bacteriophage MS2 (ATCC 15597-B1) | American Type Culture Collection | ATCC 15597-B1 | |
| FluMist Quadrivalent | AstraZeneca | Contact manufacturer | Viral constitutents of this vaccine are subject to change on an annual basis |
| CFX96 Touch Real-Time PCR Detection System | Bio-Rad | 1855195 | |
| Primers and probes | Integrated DNA Technologies | NA | |
| 0.2 µM sterile filter | NA | NA | |
| 1 L pyrex bottles or equivalent | NA | NA | |
| 1 mL pipet tips | NA | NA | |
| 1 mL pipettor | NA | NA | |
| 50 mL serological pipet | NA | NA | |
| PCR tubes | NA | NA | |
| Pipet-aid or equivalent | NA | NA | |
| QIAamp Viral RNA Mini Kit | Qiagen | 52904 | |
| QuantiTect Probe RT-PCR Kit | Qiagen | 204443 | |
| Amberlite IRA-900 chloride form | Sigma-Aldrich | 216585-500G | |
| Phosphate buffered saline | Sigma-Aldrich | P5368-10PAK | |
| Water (molecular biology grade) | Sigma-Aldrich | W4502-1L | |
| Eppendorf DNA LoBind Microcentrifuge Tubes | ThermoFisher | 13-698-791 | |
| Falcon 50 mL Conical Centrifuge Tubes | ThermoFisher | 14-432-22 | |
| Falcon Polypropylene Centrifuge Tubes | ThermoFisher | 05-538-62 | |
| SuperScript III Platinum One-Step qRT-PCR Kit w/ROX | ThermoFisher | 11745100 | |
| SKC Biosampler 20 mL, 3-piece glass set | SKC Inc. | 225-9593 | |
| Vac-u-Go sample pumps | SKC Inc. | 228-9695 | |
| Collison nebulizer (6-jet) | BGI Inc. | NA | |
| HEPA capsule | PALL | 12144 | |
| Q-TRAK indoor air quality monitor 8554 | TSI Inc. | NA | |
| Alnor velometer thermal anemometer AVM440-A | TSI Inc. | NA | |
| SidePak AM510 personal aerosol monitor | TSI Inc. | NA | |
| Bioaerosol chamber | NA | NA |
References
- Pirtle, E. C., Beran, G. W. Virus survival in the environment. Revue scientifique et technique (International Office of Epizootics). 10 (3), 733-748 (1991).
- Nguyen, T. M., et al. A community-wide outbreak of legionnaires disease linked to industrial cooling towers–how far can contaminated aerosols spread?. The Journal of Infectious Diseases. 193 (1), 102-111 (2006).
- Marks, P. J., et al. Evidence for airborne transmission of Norwalk-like virus (NLV) in a hotel restaurant. Epidemiology and Infection. 124 (3), 481-487 (2000).
- Marks, P. J., et al. A school outbreak of Norwalk-like virus: Evidence for airborne transmission. Epidemiology and Infection. 131 (1), 727-736 (2003).
- Corzo, C. A., Culhane, M., Dee, S., Morrison, R. B., Torremorell, M. Airborne detection and quantification of swine influenza a virus in air samples collected inside, outside and downwind from swine barns. PLoS One. 8 (8), e71444 (2013).
- Anderson, B. D., et al. Bioaerosol sampling in modern agriculture: A novel approach for emerging pathogen surveillance. The Journal of Infectious Diseases. 214 (4), 537-545 (2016).
- Hietala, S. K., Hullinger, P. J., Crossley, B. M., Kinde, H., Ardans, A. A. Environmental air sampling to detect exotic Newcastle disease virus in two California commercial poultry flocks. Journal of Veterinary Diagnostic Investigation. 17 (2), 198-200 (2005).
- Jonges, M., et al. Wind-mediated spread of low-pathogenic avian influenza virus into the environment during outbreaks at commercial poultry farms. PLoS One. 10 (5), e0125401 (2015).
- Otake, S., Dee, S. A., Jacobson, L., Torremorell, M., Pijoan, C. Evaluation of aerosol transmission of porcine reproductive and respiratory syndrome virus under controlled field conditions. The Veterinary Record. 150 (26), 804-808 (2002).
- Wu, Y., et al. Aerosolized avian influenza A (H5N6) virus isolated from a live poultry market, China. The Journal of Infection. 74 (1), 89-91 (2017).
- Choi, M. J., et al. Live animal markets in Minnesota: A potential source for emergence of novel influenza A viruses and interspecies transmission. Clinical Infectious Diseases. 61 (9), 1355-1362 (2015).
- Haig, C. W., Mackay, W. G., Walker, J. T., Williams, C. Bioaerosol sampling: Sampling mechanisms, bioefficiency and field studies. The Journal of Hospical Infection. 93 (3), 242-255 (2016).
- Anderson, B. D., Lednicky, J. A., Torremorell, M., Gray, G. C. The use of bioaerosol aampling for airborne virus surveillance in swine production facilities: A mini review. Frontiers in Veterinary Science. 4, 121 (2017).
- Verreault, D., Moineau, S., Duchaine, C. Methods for sampling of airborne viruses. Microbiology and Molecular Biology Reviews. 72 (3), 413-444 (2008).
- Hogan, C. J. Sampling methodologies and dosage assessment techniques for submicrometre and ultrafine virus aerosol particles. Journal of Applied Microbiology. 99 (6), 1422-1434 (2005).
- Yu, K. -. P., Chen, Y. -. P., Gong, J. -. Y., Chen, Y. -. C., Cheng, C. -. C. Improving the collection efficiency of the liquid impinger for ultrafine particles and viral aerosols by applying granular bed filtration. Journal of Aerosol Science. 101, 133-143 (2016).
- Perez-Mendez, A., et al. Evaluation of a simple and cost effective filter paper-based shipping and storage medium for environmental sampling of F-RNA coliphages. J Virol Methods. 194 (1-2), 60-66 (2013).
- Chandler, J. C., et al. Field-based evaluation of a male-specific (F+) RNA coliphage concentration method. Journal of Virological Methods. 239, 9-16 (2017).
- Perez-Mendez, A., Chandler, J. C., Bisha, B., Goodridge, L. D. Concentration of enteric viruses from tap water using an anion exchange resin-based method. Journal of Virological Methods. 206, 95-98 (2014).
- Perez-Mendez, A., Chandler, J. C., Bisha, B., Goodridge, L. D. Evaluation of an anion exchange resin-based method for concentration of F-RNA coliphages (enteric virus indicators) from water samples. Journal of Virological Methods. 204, 109-115 (2014).
- Kammerer, J., Carle, R., Kammerer, D. R. Adsorption and ion exchange: Basic principles and their application in food processing. Journal of Agricultural and Food Chemistry. 59 (1), 22-42 (2011).
- Chandler, J. C., et al. A method for the improved detection of aerosolized influenza viruses and the male-specific (F+) RNA coliphage MS2. Journal of Virological Methods. 246, 38-41 (2017).
- Friedman, S. D., Cooper, E. M., Calci, K. R., Genthner, F. J. Design and assessment of a real time reverse transcription-PCR method to genotype single-stranded RNA male-specific coliphages (Family Leviviridae). Journal of Virological Methods. 173 (2), 196-202 (2011).
- Selvaraju, S. B., Selvarangan, R. Evaluation of three influenza A and B real-time reverse transcription-PCR assays and a new 2009 H1N1 assay for detection of influenza viruses. Journal of Clinical Microbiology. 48 (11), 3870-3875 (2010).
- Cademartiri, R., et al. Immobilization of bacteriophages on modified silica particles. Biomaterials. 31 (7), 1904-1910 (2010).
- Michen, B., Graule, T. Isoelectric points of viruses. Journal of Appled Microbiology. 109 (2), 388-397 (2010).
- Turgeon, N., Toulouse, M. J., Martel, B., Moineau, S., Duchaine, C. Comparison of five bacteriophages as models for viral aerosol studies. Applied and Environmental Microbiology. 80 (14), 4242-4250 (2014).
- Vergara, G. G., et al. Evaluation of FRNA coliphages as indicators of human enteric viruses in a tropical urban freshwater catchment. Water Research. 79, 39-47 (2015).
- Tung-Thompson, G., Libera, D. A., Koch, K. L., de Los Reyes, F. L., Jaykus, L. A. Aerosolization of a human norovirus surrogate, bacteriophage MS2, during simulated vomiting. PLoS One. 10 (8), e0134277 (2015).
