CN103930566B - 用于测定水中生物污染物的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种确定水样的水质的方法，包括使所述水样暴露于测试细胞系统；生成至少一个对所述暴露响应的所述测试细胞系统中后续的转录因子活性变化谱，并从所生成的至少一个谱确定所述水样的水质。还描述了用于实施水样本的水质确定的计算机系统和试剂盒，其中水质可通过转录因子活性分析容易且准确地确定。

Description

用于测定水中生物污染物的系统和方法
相关申请的交叉引用
在此根据美国法典第35卷第119条(35U.S.C.119)要求以Sergei S.Makarov的名义于2011年9月8日提交的美国临时专利申请No.61/532,122——“用于测定水中生物污染物的系统和方法”——的权益。为了所有目的，该美国临时专利申请的公开在此以引用的方式全文纳入本文。
技术领域
本公开涉及水测定和用于在水中生物污染物方面表征水的系统和方法。
背景技术
近些年，人们日益关注用于农业消费、工业消费和消费者消费的水质。这是由于人们日益意识到，由于废水处理(例如城市污水处理厂和工业废水减排系统以及为实现从处理的水中完全除去污染物的最初的水软化和纯化系统)的缺陷而导致污染物进入供水系统。
用于饮用水供应的传统水处理专注于通过卤素、通气、氧合或臭氧化处理进行消毒，但是这些处理在许多情况中明显不足以除去为消费者带来健康或安全风险的污染物。同样，废水的污水处理通常专注于实现生物需氧量(BOD)和/或化学需氧量(COD)的总体减少，并且同样地在除去构成健康和安全风险的污染物方面高度不足。
近些年广为人知的供水污染和积垢的实例为这些担忧火上浇油，这些实例涉及，农药、除草剂和动物废物侵入水道和地下水，源自水再循环和再利用的化妆品组分、避孕药成分、重金属和无数其他污染物的水平增高，由于相应的空气质量恶化以及碳氧化物、亚硫酸盐、硝酸盐和其他空中传播污染物从环境大气进入供水中导致的城市供水的酸化加剧，以及工业化增长和大规模的养殖经营对水质造成的威胁。
目前的水安全控制系统基于在饮用水中常见的危险物质的列表(例如，细菌产物、化学毒素、杀虫剂、致癌物、诱变剂、重金属、内分泌干扰物等)。然后，确定这些危险污染物的最大耐受浓度并由立法或监管部门批准。随后，通过使用分析方法(例如使用物理-化学检测器、分析化学、生化试验等)分析水样中列出的危险污染物的浓度，如果所有评估的有毒物的浓度在容许水平内，那么认为饮用水是安全的。
然而，这种目前的水安全控制系统在许多方面存在不足。每年，数千种具有未知毒性的新化学和生物化合物(例如杀虫剂、工业化学品和突发病原体)进入环境中。目前的水控制安全系统专注于有限数量的已知威胁，而在评估水的安全性和饮用性中没有考虑到其他数千种威胁。新的化学污染物和生物污染物的侵入还具有如下威胁：可导致无害物质结合并产生不能被当前的分析方法预测的毒性效应的相互作用和反应。
这就带来了一个两难的境地。在全球水中繁多的污染物范围中，仅少量的化学和生物危险物可被监测。因此，目前的监管和执法方案仅集中于最危险的威胁，即，这些污染物经常以有害的浓度存在于饮用水中。这些目前的监管安全努力不能够处理已知、但未被监测的污染物。这些污染物包括不太可能在饮用水中以有害浓度存在的假毒性物质。与这些物质相关的风险是公认的，但是没有监测这些物质。
除了上述的威胁以外，每年进入环境并最终进入供水系统的数千种具有未知毒性的新化学化合物和生物化合物代表了最严重的污染物威胁。
除了上述的缺点以外，当前的水安全系统的缺点增加了对国家供水系统进行秘密恐怖袭击的风险。因此，水安全是国家安全的强力组成部分。
如上文所示，遵从当前的标准不能保证饮用水是安全的或提供得出该结论的可靠依据。
上述考虑事项反映出，持续地需要改良的测试和评估技术，以使得能够以简便、可重复且精确的方式表征水的纯度、安全性以及水对人和其他动物和生物体的生物影响。
发明内容
本公开涉及水的表征，更具体地涉及用于评估由人和其他动物以及生物体消费的水中污染物的存在和生物效应的系统、方法和试剂盒。
本公开一方面涉及一种确定水样的水质的方法，包括：
使所述水样暴露于测试细胞系统，使得所述测试细胞系统通过改变所述测试细胞系统中的转录因子活性而对所述水样作出反应；
从所述测试细胞系统反应生成与所述测试细胞系统中转录因子活性变化相关的输出信息；和
从所述输出信息与转录因子活性参考标准物的比较确定所述水样的品质。
在另一方面，本发明涉及一种确定水样本的水质的方法，包括定量所述水样本中的污染物对测试细胞系统中多种转录因子的活性的影响。
在另一方面，本发明涉及一种确定不同水样的相对品质的方法，包括：
将每个不同的水样暴露于包含多种转录因子的相应生物传感器，其中所述相应生物传感器适于显示出对所述暴露响应的转录因子特征谱(signature)；和
比较所述相应生物传感器的转录因子特征谱，或者比较它们的表达产物的转录因子特征谱，以确定所述不同水样彼此之间的相对水质。
在另一方面，本发明涉及一种确定水样的水质的方法，包括：
将多种报告构建体引入至包含多种转录因子的测试细胞系统中，所述报告构建体的启动子受所述转录因子调节；
将所述测试细胞系统暴露于所述水样以诱导所述多种转录因子的活性的变化；和
从如下确定所述水样的水质：在所述测试细胞系统暴露于所述水样时，作为对所述多种转录因子活性的变化响应，所述报告构建体产生的多种报告转录物和/或所述报告构建体产生的多种报告蛋白。
本公开的另一方面涉及一种用于对水样进行水质测定的试剂盒，其包含图形形式的用作参考库水标准的转录因子特征谱，用于目视确定转录因子特征谱与参考库特征谱的相关性，从而测定所述水样的水质。
本公开的另一方面涉及一种用于对水样进行水质测定的试剂盒，其包括生物传感器、接触容器(在其中细胞可与水样接触用于评估)、说明文件(包含进行所述接触操作和进一步处理所述接触的细胞样品用于转录因子特征谱分析的方案)。
本公开的另一方面涉及一种水质监测系统，其包括，包含有与服务器可操作地连接的关系数据库的中央设施，所述服务器与一个或多个远程设施通信连接，其中所述一个或多个远程设施被布置用以收集和处理当地水样以生成转录因子活性谱，并用以将所述转录因子活性谱传输至所述服务器，其中所述关系数据库包含所述服务器可访问的参考标准物的转录因子活性谱，并且其中所述服务器被配置用于从传输至所述服务器的当地水样转录因子活性谱，相对于从所述关系数据库访问获得的参考标准物的转录因子活性谱，确定所述当地水样的水质。
从下文的公开和所附的权利要求书，本发明的其他方面、特征和实施方案将会更加显而易见。
附图说明
图1是本公开的一个实施方案的示例性水样评估系统10的示意图。
图2是毛细管电泳数据的极坐标图示，其示出了指示转录因子活性的报告物峰的相对荧光值(作为转录因子种类的函数)，其中转录因子活性是由兴趣水组合物与含有图示的每种转录因子的报告转录因子单元的宿主细胞相互作用产生的活性。
图3的示意图是暴露于所评估的水样和水标准物的宿主细胞生物传感器生成转录因子特征谱的过程。
图4示出了鉴定的报告转录单元、相应的诱导转录因子和相关生物通路的列表。
图5是转录因子特征谱生成过程的示意图，其中包含报告转录因子单元TF1、TF2、…、TFn的报告转录单元库(FACTORIALTM库(混合物))被转染至适当的测试细胞(例如HepG2细胞)中，以形成生物传感器细胞群。
图6是图5描述的过程的简化示意图。
图7是测试细胞对内分泌干扰物的响应的极坐标雷达图，在测试细胞系统中使用暴露于双酚A的HepG2细胞，已知双酚A影响雌激素受体(ER)和孕烷X受体(PXR)和异生物质响应(xenobiotic response)。
图8示出了对于HepG2细胞中对二噁英的细胞反应，测试细胞系统转录因子特征谱的雷达图。
图9示出了对重金属镉的反应的转录因子特征谱的雷达图，细胞反应在暴露后24小时确定。
图10的极坐标雷达图示出了在暴露后24小时，测试细胞系统细胞对内毒素(脂多糖，LPS)的反应的转录因子特征谱。
图11是在从最初的暴露24小时后，测试细胞系统中的细胞对杀虫剂三苯基锡的反应的极坐标雷达图。
图12示出了在Research Triangle Park,North Carolina采样并暴露于包含人肝细胞HepG2细胞的测试细胞系统的自来水和超纯(再蒸馏/去离子的)水的转录因子特征谱图。
图13是在保存时间延长(40℃，20天)后，重复评价其特征谱在图12中示出的自来水样品得到的雷达图。
图14、15、16和17示出了在四周的时间范围内自来水和纯的对照水的特征谱。
图18-22以所示的雷达图中各转录因子特征谱的方式示出了美国选定地理位置的自来水品质。
图23-26示出了对于多种水源所评估的水和对照水的转录因子特征谱。
图27是水质监测系统的示意图，所述水质监测系统包括中央水质管理设施(被布置用于样品加工和保存)、生物传感器(测试细胞)细胞培养、细胞铺板和处理、数据库和数据分析，所述中央水质管理设施与远程样品输入和处理设施以通信关系连接，所述远程样品输入和处理设施可任选地与试剂、生物传感器(测试细胞)产品和来自所述中央设施的处理设备支持物一起提供。
具体实施方式
本公开涉及，基于使用基于细胞的生物传感器，表征和评定水的系统和方法。
根据本公开用于表征水的生物系统包含生物传感器。这种生物传感器包含细胞，所述细胞可以以多种形式存在，包括但不限于单个细胞、细胞培养物、单细胞生物、微生物群、多细胞生物、采集自或源自这类生物的生物样本，例如器官、组织样品和组织培养物。这些细胞可以是内源性细胞、外源改造的细胞或合成细胞。所述细胞可以是任何合适的类型，可包括人细胞、动物细胞(例如猪细胞、啮齿动物细胞、犬细胞、牛细胞、羊细胞和/或马细胞)克隆细胞、植物细胞等。所述细胞可以是血细胞、培养的细胞、活检细胞或用防腐剂固定或与基质结合的细胞。所述细胞可以是有核的，例如白细胞或悬浮的内皮细胞，或者是无核的，例如血小板或红细胞。
除非上下文另有明确说明，否则本文使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”意欲也包括复数形式。
本文描述的各种元素、特征、方面、实施方式和实施方案意欲被非限制性解释，因此本公开应被理解或解释为涵盖这些元素、特征、方面、实施方式和实施方案的所有潜在排列和组合，或者从其中选择的一个或多个与其他元素、特征、方面、实施方式和实施方案一起落在本公开的范围之内。
本公开使得能够以简单、有效且可重复的方式评价水。本公开基于如下发现：作为对危险因子的响应，细胞激活了可起始防御性基因表达程序的应激响应通路，并且可利用这种细胞响应来以高度有效的方式表征水。本公开反映了如下事实：不同的危险物产生不同的应激响应，例如，炎性应激、代谢应激、热休克应激、遗传毒性应激、氧化剂应激等。由于这些不同的应激响应，当细胞暴露于特定的危险因子时应激响应的幅度是该因子的特征谱。
因此，本公开基于如下的简单前提：通过观察对取样的水的细胞反应，可通过这样的标准，即安全的水在本公开的测定中产生最少的应激响应，来确定所述水是否可安全饮用。本公开的方法和系统依赖于可有效观察多种细胞响应通路的细胞测定。
本公开使得能够评价具体水样的品质，并能够比较其对测试细胞系统中基因调节通路的影响，其中将所述测试细胞系统暴露于待评估的水样，并分析所述细胞的后续应激响应变化谱来确定污染物存在或不存在以及相对于分析标准物或与具有洁净且安全特性的水相关的特定应激响应谱来确定水的总体品质。
本公开考虑了多种具体实施方式，其中多种转录因子活性的变化通过将多种报告构建体引入至测试细胞系统中来分析，所述多种报告构建体的启动子受所述转录因子调节，并且报告构建体的活性通过分析由所述报构建体产生的多种报告转录物和/或由所述报告构建体产生的多种报告蛋白来评价。
或者，转录因子活性的变化可通过评价细胞提取物的DNA结合活性变化(例如通过使用凝胶迁移测定)来分析。
作为另一种替代方案，转录因子活性的变化可通过分析转录因子的细胞定位的变化(例如转录因子的核转位)或与转录因子活性相关的任何其他参数来评价。
在本公开的实践中，所述测试细胞系统可以是变化很大的。例如，所述测试细胞系统可包含原代细胞或被转化细胞的体外培养物，或者所述测试细胞系统可包含不同细胞类型的混合物。在其他实施方案中，所述测试细胞系统可以是或者可以包含体外器官培养物(例如组织切片培养物)。在其他实施方式中，所述测试细胞系统可以是或者可以包含活的动物的器官或组织。
在多个实施方案中，所述转录因子谱可以包含2-100种转录因子活性，并且在特定的应用中可以使用更低下限和更窄的范围，例如2-50种转录因子活性、2-40种转录因子活性、2-20种转录因子活性或2-1050种转录因子活性。
在算法表示中，转录因子活性谱可由坐标为×1、×2…×N的向量表示，其中×i是第i个转录因子(TFi)的活性。然后，可以用不同的技术，例如通过分析转录因子谱的相关性，如先前所述，或者通过评价转录因子活性向量之间的欧几里得距离，来比较转录因子谱。
在本公开的系统和方法的实践中，生物传感器以诱发生物传感器的生物响应(涉及所述生物传感器中一个或多个细胞的转录因子活性)的方式被用于与水组合物相互作用。本公开的方法中的生物传感器细胞响应于与所述细胞相互作用的组合物而发生转变，使得所述细胞相对于与感兴趣的水组合物相互作用之前所述细胞中的活性，显示出改变的转录因子活性。通过使用相同的生物传感器例如同源细胞群的各等分部分，由不同水组合物与所述相同生物传感器相互作用所生成的转录因子活性谱(本文中称为“转录因子特征谱”)可通过多种合适的比较技术中的任一种来进行比较以确定水质。
虽然本文描述的系统和方法主要涉及测定水中污染物的存在，但是仍应该认识到，本公开的一般方法、系统和方法同样适用于食品表征，包括多种多样特征的液体营养组合物和食品。
为了根据本公开评估水质，所述测试细胞系统的多种应激响应通路通过纳入转录因子报告系统的生物传感器来评估，从其中检测例如未知水样和纯水标准样品的报告特征谱，以定量在每种情况中所述测试细胞系统的应激响应的性质和程度，以确定是否存在足够弱的指示所测试的水样安全的应激响应，或者相反地所述测试水样在测试细胞系统中诱导了强的应激响应(指示所测试的水样是不安全的)。
为了这一目的，生成了每种未知水样和参考标准水样的转录因子特征谱。使用特别适于数据获取和数据处理的一台或多台计算机和/或联网的计算机系统，可以以任何合适的形式提供转录因子特征谱，包括算法、数据和/或图形形式(为随后的分析比较所必需)，和报告或其他的响应输出信息。可采用美国专利7,771,660和美国专利申请公开文本2010009348中描述的方法类型和可商购自Attagene,Inc.(Research Triangle Park,North Carolina)的商标名为FACTORIAL的相应测定来生成本公开实践中的转录因子特征谱。
在具体的实施方式中，转录因子特征谱通过构建报告转录单元(RTU)的库来生成，其中将每个RTU构建为包括共用的质粒骨架和与转录的报告序列融合的独特转录因子诱导型启动子。当共同导入至感兴趣的细胞(例如HepG2细胞)中时，RTU产生的报告RNA的量与所述细胞中存在的相应转录因子的活性是相称的。为了为不同的转录因子提供同等的检测机会，所有的RTU都提供有基本上相同的报告序列。为了区分由不同的RTU产生的报告序列，每个序列与短的处理标签(例如Hpa1限制性切割位点，其位置在所述RTU中变化)一起提供。
通过这种布置，在用相应的处理酶进行切割时可区分报告序列。这种酶处理之后所切割的报告物质通过高分辨率毛细管电泳分离(测序)并定量。该测定方案的所有操作步骤可在单个反应管中使用同种的试剂组来实施，从而为检测多种转录因子提供高度一致的条件。
转录因子的多路检测可通过使用标准转染技术将所述转录因子报告库引入至感兴趣的细胞中来进行。转染后，分离总细胞RNA，并进行反转录。使用所有报告物共用的引物对通过聚合酶链式反应(PCR)扩增报告cDNA。然后，将PCR产物用荧光染料标记并用Hpal限制性内切酶消化，产生不同长度的荧光标记DNA片段的分布，所述DNA片段通过毛细管电泳(CE)分辨并作为分离的荧光峰被检测到。
所述毛细管电泳数据可以以任何合适的方式处理，以提供报告物峰的输出荧光光谱，所述输出荧光光谱可使用标准的电子表格计算机程序进行进一步的分析和输出。在一个实施方案中，所述毛细管电泳数据使用AttagraphTMCE处理软件(Attagene,Inc.,Research Triangle Park,North Carolina)处理，以通过算法减去背景荧光，使得能够精确确定报告物峰的大小并区分噪声/报告物峰。可将各个峰的荧光值归一化为所有峰的信号的总和，以生成标准化的数据。然后，可将所得到的各个报告物峰的相对荧光值和相应的RTU活性值，作为转录因子特征谱，输出至Microsoft 或其他电子表格用于进一步的分析，例如定量比较各转录因子特征谱，以评价未知水样相对于参考标准样品的品质。
除了上述示例性技术以外，作为能够同时评价数十个转录因子的活性以获得转录因子特征谱的方法，替代的方法可对一组多个平行的报告细胞系中的转录因子进行作谱。通常，为提供转录因子特征谱而采用的转录因子的数目，可根据具体细胞或细胞系产生足以可靠评价水质的特征谱的需要或希望来改变。因此，在一些情况中，转录因子特征谱可基于对50种转录因子的作谱，而在其他情况中，5-10种转录因子可以是足够的。因此，应认识到，在本公开的广泛实践中转录因子的数目和类型可以是大不相同的，从单个转录因子到50或更多种转录因子。
通过获得测试细胞中未知水样的转录因子特征谱和获得相同(类型)测试细胞中参考水标准物的转录因子特征谱，然后在计算机执行的确定过程中利用任何合适的算法比较各自的转录因子特征谱，可实践本公开的一般化方法，来以简单和可重复的方式评价未知水样的水质。示例性的算法确定可例如采用Pearson法、Chebyshev相关系数、欧几里得距离技术、非参数方法等。
本公开的方法(包括通过使用转录因子测定将水样暴露于测试细胞系统以评估应激响应谱)，相对于现有分析技术提供了重大进步和多个优势，在现有分析技术中先前鉴定的即“列出”的水样中的危险物质通过分析测定进行评估，以确定具体分析的物质的浓度是否超出允许的水平。本公开的基于生物传感器的测定可对毒性物质进行检测，而不管它们的化学结构或生物组成如何，并且可以区分有毒物对所述测试细胞系统的细胞的不同生物效应。
根据本公开的水质确定可在特别适于执行一个或多个组成本文多方面所述的水质评价方法的操作的计算机系统、网络和装置中进行。
因此，本公开考虑了可被布置以进行或帮助进行水质确定的数据获取、数据传输和数据处理装置。因此，水质确定性能或其组成要素可作为计算机系统或计算机程序产品来实施。计算机程序产品实施方案包括被嵌入或以其他方式被纳入至计算机可读存储介质中的计算机程序机制。
任何所述方法或组成这些方法的操作，如先前多方面所述，可以体现为计算机程序产品。计算机程序产品可以是CD-ROM、磁盘存储产品或任何其他计算机可读数据或程序存储产品。所述计算机程序产品中的软件还可以经由因特网或以其他方式通过载波中的计算机数据信号(其中嵌入了软件模块)的传输而以电子版方式分发，所述载波可操作地从发送位点装置传输至接收位点装置。
根据本公开，为了确定未知水样的水质所采用的计算机系统或网络可包括用于多种水组合物的参考转录因子特征谱的数据库和/或存储器，其作为特征谱的库，对于相同或类似的生物传感器可将具体水组合物与所述特征谱的库进行比较，以相对于其转录因子在所述数据库中的一种或多种水组合物对评估的水组合物的水质进行评价。所述数据库和/或存储器中的水组合物可以是适合用于水质确定的任何类型，例如蒸馏的或以其他方式纯化的水标准物，或来自早期测定的参考样品，以确定特定的水所在地例如具体河流、溪、地下含水层等中的水质的纵向改善或恶化。
所述数据库和/或存储器可包括对进行水质确定有用的任何其他数据或信息，包括与特定转录因子特征谱相关的细胞数据、用于进行水质确定的方案、用于纵向研究水质改善和恶化的监测数据日志、反式作用因子谱、顺式调节元件活性谱、相关出版物的目录、研究领域联系人和与水质确定相关的任何其他信息。
根据本公开，为了确定水组合物的水质而采用的计算机系统或网络，还可包括数据传输装置、组件和性能(capability)，例如用于将转录因子数据、参考转录因子特征谱等输入或传输至所述系统或网络，例如输入或传输至其数据获取模块和/或数据处理模块，以及用于输出或传输转录因子数据、特征谱和水质信息，用于报告或进一步处理的目的。
在这方面，数据和其他信息的传输形式可以是有形或无形的,可以体现为文本、表格、图表、照片、图形、图解、电子邮件、图像或任何其他可视形式，可以记录在有形媒介(例如纸、塑料透明片、胶片等)上，或者体现为计算机可读的形式(例如，电子信号、电磁信号、光学信号或其他信号)。计算机可读形式的信息可以以暂时或永久的计算机存储的形式存储在计算机可用的存储介质(例如，CD、光盘、磁带、数字录像盘等)中或者存储在计算机中，并且可以以“原始”数据(即，收集但未经分析的数据)、部分分析或完全分析的形式存在。
在根据本公开用于确定水质的示例性计算机系统中，所述计算机系统包括中央处理器、主要的非易失性存储单元(例如用于存储软件和数据的硬盘驱动器，其受存储控制器控制)、系统存储器(例如高速随机存取存储器(RAM)，其用于存储系统控制程序、数据和应用程序，包括从所述非易失性存储单元加载的程序和数据)、还可包括只读存储器(ROM)的系统存储器、用户界面(包括输入装置(例如键盘或语音输入界面)、显示器或其他输出装置)、网络接口卡(其用于与有线或无线通信网络例如LAN、WAN、WLAN或因特网连接)、内部总线成员(用于使系统的组件互相连接)和系统的电源。
任选地，上述计算机可以主要通过操作系统控制，所述操作系统由所述计算机系统的中央处理器(CPU)执行。所述操作系统可以存储在系统存储器中，其可包括用于控制对所述计算机系统的各个文件和数据结构的访问的文件系统、用于存储转录因子特征谱和相关数据的数据结构和用于比较转录因子特征谱并生成相关的水质确定结果的数据分析算法模块。
因此，所述计算机系统可包含多个软件程序模块和数据结构，其中所述数据结构可包含任何形式的数据存储系统，包括但不限于，平面ASCII或二进制文件、Excel电子表格、关系数据库(SQL)或在线分析处理(OLAP)数据库(MDX和/或其变体)。在具体实施方案中，所述数据结构可以各自为一个或多个数据库的形式，所述一个或多个数据库包括适合于所述系统配置和操作的层次结构和/或非层次结构。所述数据结构可以是单个的数据结构，或者它们可包括多个数据结构例如数据库、电子表格、文件、文件夹等，所述多个数据结构可以位于同一台计算机上或者位于计算机用户可选择性地访问的网络中的不同计算机上。
相应地，所述计算机系统可包括在一台或多台远程计算机上的模块和数据结构，所述计算机系统可作为基于网络的系统来实现，例如，在所述基于网络的系统中数据分析算法模块和/或其他模块位于与客户端计算机以网络通信连接的中央服务器上，或者可选择地在所述基于网络的系统中这样的模块位于与中央服务器以网络通信连接的客户端计算机上，所述中央服务器包括参考转录因子特征谱的数据库，所述数据库可被所述客户端计算机获得，用于相对于参考水标准物通过计算确定具体水样的水质，所述参考水标准物的参考转录因子特征谱在中央服务器上的中央数据库或文件中。中央服务器可以例如是(host)交互式网页的主机，所述网页与数据分析算法模块连接或为数据分析算法模块提供计算能力。
在一个实施方案中，以如下配置来布置所述计算机系统和相关设施以进行水质确定：该配置包括配备有用于实施检测方案的装置和仪器的检测设施，所述检测方案包括RNA分离、反转录、PCR扩增、荧光标记、限制性内切酶消化、样品提纯、毛细管电泳、原始数据分析和数据存储。所述检测设施可以可操作地连接组织培养设施，所述组织培养设施符合生物安全要求并且适于进行水质确定中基于细胞的步骤，包括细胞保存、增殖、用于筛选实验的细胞铺板、转染和暴露于组合物。所述检测设施和组织培养设施又可与样品加工和保存设施可操作地连接，所述样品加工和保存设施对接收用于水质确定的样品进行摄入、等分、重定格式(reformatting)和保存。样品加工和保存设施处理的样品可包括稳定的细胞裂解物、RNA制备物和化学组合物。可将各个检测、组织培养和样品加工和保存设施以整合的方式置于一个地理位置，或者可选择地，这些设施或从其选择出的设施或其组件的位置彼此远离，如给出的计算机系统和相关设施的实施方式中所必需或期望的那样。
本公开还考虑提供多种用于进行未知水样的水质确定的试剂盒。
在一个实施方案中，所述试剂盒包含图形形式的参考库水组合物的转录因子特征谱，以在相关库特征谱中相对于参考帮助未知水样的转录因子特征谱的阈值目视确定，例如基于图形形式转录因子特征谱与参考库特征谱的观察到的目视相似性或不相似性，作为毒理学或流行病学工具以快速地纳入或排除水样中的环境和病原污染物。
在另一个实施方案中，所述试剂盒包含生物传感器(例如已经转染有报告转录单元的特定细胞系细胞)接触容器(在其中细胞可与未知水样接触)，以及说明文件(包含用于进行所述接触操作和进一步处理所接触的细胞样品用于转录因子特征谱分析的方案)。在其他实施方案中，试剂盒可包含或进一步包含裂解介质、转染载体、限制性内切酶、反转录试剂、PCR引物、荧光染料、含有毛细管电泳数据处理软件的光盘或闪存、转录因子特征谱生成软件和/或用于进行水质确定中的其他组成操作的软件。
在其他实施方案中，试剂盒可由上述试剂盒组件的任意一个或多个构成。
根据以下非限制性的附图和附属说明，本公开的系统和方法的特征和优势会更加全面地显示。
图1是本公开的一个实施方案的示例性水质测定系统10的示意图。系统10包括转录因子特征谱数据获取模块12，数据获取模块12通过信息传输线路16以信息传输的关系与转录因子特征谱数据分析模块14可操作地连接，数据分析模块14适于输出与测试水样组合物18的水质测定结果相关的信息，测试水样组合物18被引入至转录因子特征谱数据获取模块12中。这种来自转录因子特征谱数据分析模块14的输出信息可例如包含测试组合物18的水质报告，例如相对于引入至转录因子特征谱数据获取数据模块12的参考组合物20。或者，来自转录因子特征谱数据分析模块14的输出信息可包含可被进一步处理以生成水质测定结果的数据信号(例如通过输入至用于与适于生成这种水质测定结果的中央服务器通信的网络)和用于将这种测定结果传输回转录因子特征谱数据分析模块14和/或其他通过有线或无线连接与所述网络连接的装置。
图2是毛细管电泳数据的极坐标图示，其示出了指示转录因子活性的报告物峰的相对荧光值(作为转录因子种类的函数)，其中所述转录因子活性是通过感兴趣的水样与含有图示的每种转录因子的报告转录因子单元的宿主细胞相互作用产生的活性。
图2的转录因子活性图以从基线环向外辐射状投影的方式示出了激活的转录因子的荧光峰，所述基线环表示其数据点出现在基线环上的相应转录因子的非激活状态，并且所述荧光峰的径向范围可以为任意荧光单位。在该图中，测定了36种转录因子，并且它们的名称绕着极坐标图的外周依照字母顺序出现。
从该图的目视检查可明显看出，转录因子Sp1、TCF/βcat、AP-1、ISRE、TAL、NF-κB、CMV、Xbp1、CRE、ARE、Oct、SREBP、p53、BRE、HlF-1α、NRF1和C/EBP相对于其他转录因子显示出活性增加，并且该极坐标图提供了包含转录因子单元的宿主细胞与感兴趣的水样的相互作用的“指纹”。
因此，通过在指明与基线环的径向距离的峰坐标方面比较各个极坐标图上转录因子特征谱，可以由这些水样的各个转录因子特征谱图的关系一致性来定量地确定用于产生相应的图的差别样品的水质比较。
图3的示意图是暴露于所评估的水样的宿主细胞生物传感器产生转录因子特征谱的过程。如图所示，将包括含有报告转录因子单元的质粒构建体的报告库(“FACTORIALTM报告库”)转染至适当的测试细胞(例如HepG2细胞)中，以形成生物传感器细胞群(“FACTORIALTM生物传感器”)。然后，将所述生物传感器细胞群暴露于“所评估的水样”，即针对其生成转录因子特征谱的水组合物，以及将所述生物传感器细胞群暴露于作为用于比较目的的参考水样本的“水标准物”。在暴露于所评估的物质之后，从所述经暴露的生物传感器细胞中分离所述细胞中由所述转染质粒中报告转录单元的作用所产生的报告RNA。如先前所述，各RNA的量与对所评估水样和水标准物的暴露响应的一种或多种转染细胞中存在的相应转录因子的活性相称。
用位置不同的切割位点标签标记的分离RNA通过反转录处理，以形成报告cDNA，所述报告cDNA使用所有报告共用的引物对通过PCR来扩增，然后将PCR产物用荧光染料标记，并与限制性内切酶接触以产生不同长度的荧光标记DNA片段的分布。这些不同长度的片段通过毛细管电泳分辨并作为单独的荧光峰被检测到。
然后，在荧光峰的极坐标图中生成转录因子特征谱，所述荧光峰在总体上反映所述报告转录因子单元的活性变化的谱(“差别化的RTU活性”)。以这种方式，所述生物传感器被用于评价水样对测试细胞中多种转录因子的活性的印记，即该水样(评估的水样或水标准物)的转录因子特征谱。
图4示出了鉴定的报告转录单元、相应的诱导转录因子以及原型且相关的生物通路的列表。因此，cis-FACTORIALTM测定包括使用所述报告转录因子在测试细胞的单个孔中对多于50个转录因子家族进行作谱，如Romanov,S.,et al.,Nature Methods(2008)中所述。
图5是转录因子特征谱生成过程的图示，其中包含报告转录因子单元TF1、TF2、……、TFn的报告转录单元库(FACTORIALTM库(混合物))被转染至适当的测试细胞(例如HepG2细胞)中，以形成生物传感器细胞群。然后，将所述生物传感器细胞群暴露于要针对其生成转录因子特征谱的水样。在暴露后，细胞中由报告转录单元的作用产生的报告RNA被从生物传感器细胞分离出来，然后将分离的RNA通过反转录、聚合酶链式反应(RT-PCR)进行处理，将PCR产物用荧光染料标记并与限制性内切酶(HpaI)接触以产生不同长度的荧光标记DNA片段的分布，所述不同长度的荧光标记DNA片段然后通过电泳处理。所分辨的不同长度的片段在电泳运行中作为极坐标雷达图中单独的荧光峰被检测到，图5示出了由分析软件(ATTAGRAPHTM分析软件)的作用生成的输出图。该荧光峰的极坐标图是在测试细胞的暴露中所采用的具体水样的转录因子特征谱，并且提供了由暴露于所述具体水样造成的报告转录单元的活性变化的谱。
图6是图5描述的过程的简化示意图。如图6所示，报告转录单元(RTU)的库包括位置不同的限制性内切酶切割位点，以及相关的启动子。然后，在暴露于感兴趣的水样时，这种RTU构建体在所述测试细胞中产生相应的报告RNA，然后分离所述报告RNA并用其形成报告cDNA，所述cDNA被扩增、标记和消化以形成标记的片段，对其进行电泳，生成相应的电泳谱和转录因子特征谱的输出雷达图(OUTPUT)。
通过这种过程，可评估所述测试细胞的合适数量的应激响应和毒性通路。例如，为了评估10、20、30、40、50或更多个这样的通路，可采用合适数量的报告转录单元。例如，所述通路可包括下文示例说明的那些：
40+应激响应和毒性通路的评估
NF-κB、AP-1 (炎性反应)
HIF-1α (缺氧应激反应)
ARE/NRF-2 (氧化应激)
P53 (遗传毒性应激)
HSP (热休克)
AhR (二噁英响应)
图7是测试细胞对内分泌干扰物的响应的极坐标雷达图，对于双酚A，在测试细胞系统中使用GPG2细胞，已知双酚A影响雌激素受体(ER)和孕烷X受体(PXR)和异生物质响应。
图7的雷达图是具有在20μM、5μM和1.25μM的浓度下，在测试细胞系统暴露于双酚A后24小时获得的各数据谱的复合图。图7还列出了该测定的诱导倍数曲线图。
图8示出了HepG2细胞中对二噁英的细胞响应的测试细胞系统转录因子特征谱的雷达图。该测定中的二噁英是6-甲酰吲哚-[3,2-b]咔唑，其中所述转录因子特征谱在暴露于二噁英24小时后测定。
图8还示出了该测定的诱导倍数曲线图。通过荧光峰显示示出的具体通路是二噁英特异性的Ahryloxane受体(AhR)。
图9示出了对重金属镉的响应的转录因子特征谱的雷达图，细胞响应在暴露后24小时测定。镉暴露包括使所述细胞和测试细胞系统与二氯化镉接触，进行连续测定以在2.5μM、0.6μM、0.16μM和0.04μM的浓度下产生各个转录因子谱。所述测定表明，对于金属硫蛋白响应元件(MRE)休克响应元件(HSE)，细胞响应最显著。诱导倍数曲线图包括在图9中。和热
图10的极坐标雷达图示出了在暴露后24小时，测试细胞系统细胞响应于内毒素(脂多糖，LPS)的转录因子特征谱。因此，该测定示出了暴露于细菌毒素后细胞的响应谱，该响应谱示出了受影响最大的报告转录单元是NF-κB和干扰素特异性响应元件(ISRE)。
图11的极坐标雷达图是从最初的暴露开始24小时后，测试细胞系统中的细胞对杀虫剂三苯基锡的响应，该极坐标雷达图示出了受影响最大的报告转录单元是细胞热休克响应元件(HSE)、过氧化物酶体增殖子激活蛋白(PPAR)和氧化应激特异性RTU，NRF-2/ARE。
上述转录因子特征谱反映了细胞暴露和响应的可定量标记。因此，含这种污染物的相应水样对测定是敏感的，所述测定中水样本的污染容易地被检测到并且可以以使水质测试操作具有可重复性的方式评价。
因此，水的生物污染可以以合适的方式定量地评价。在一个实施方案中，生物污染的定量评价作为单独应激响应的整函数来进行，所述定量评价利用测定中的每个应激响应来计算生物污染等级，计算的算法可以如下表述：
生物污染＝Σ(log Ki)2＝(log K1)2+(log K2)2+(log K3)2+…(log KN)2其中K是具体应激响应通路i的应激响应的值。
通过这种算法表征，多种水样中具体一种的生物污染可相对于水质标准物以及相对于彼此进行表征。
图12示出了在Research Triangle Park,North Carolina采样并暴露于包含人肝细胞HepG2细胞的测试细胞系统的自来水和超纯(双蒸/去离子的)水的转录因子特征谱图，该图示出了在这一地理位置自来水和纯水的类似性质。
图13是在保存时间延长(40℃，20天)后，重复评价其特征谱在图12示出的自来水样品的雷达图。示出了第0天和第20天的特征谱数据。
因此，如图12和13所示，可利用本公开的方法论进行水质的纵向研究。
图14、15、16和17示出了在4周的时间范围内自来水和纯的对照水的特征谱，图14示出了第1周的特征谱数据，图15示出了第2周的特征谱数据，图16示出了第3周的特征谱数据，图17示出了第4周的特征谱数据。在该评价中，所评估的自来水样品每周从同一水龙头收集，并显示出在所附的时间范围内自来水污染的变化。
图18-22以所示的雷达图中各转录因子特征谱的方式示出美国选定地理位置的自来水水质。图18示出了新泽西州泽西市(Jersey City,New Jersey)自来水的转录因子特征谱。图19示出了马里兰州(Maryland)Laurel自来水的转录因子特征谱，图20示出了新泽西州惠帕尼(Whippany)自来水的特征谱，图21示出了新泽西州李堡市(Fort Lee)自来水的特征谱，图22示出了路易斯安那州纽奥尔良市(New Orleans,Louisiana)自来水水质特征谱。
图23-26示出了对于多种水源所评估的水和对照水的转录因子特征谱。图23示出了瓶装水(AQ)和对照水的转录因子特征谱。图24示出了瓶装水(DS)和对照水的相应特征谱。图25示出了瓶装水(DP)和对照水的特征谱。图26示出了用于比较目的自来水和对照水的特征谱。合起来，图23-26提供了3种瓶装水品牌(DP、AQ、DS)和自来水样品的生物污染水平的比较。所述数据表明，比较而言，水的生物污染水平如下：DP<AQ<DS<<TAP。因此，所述瓶装水显示出显著好于自来水的品质。
前文表明，饮用水样品的生物污染水平可利用本公开的生物传感器系统和方法通过评估由所评估的样品在测试细胞系统(例如人肝细胞系(HepG2))中诱导的应激响应的总和来容易地评价。可不考虑污染物的化学组成或生物组成来评价生物污染水平，并且应激响应的类型表明了可能的有害作用。在不同时间获取的自来水样品在所述细胞测定中诱发不同类型的应激响应，指示生物污染物随时间的变化。一些自来水样品抑制关键肿瘤抑制基因(例如p53)，表明有致癌倾向。通常，瓶装水诱导明显弱于自来水的应激响应，这与在本文详述的示例性样品中瓶装水与自来水相比生物污染水平显著下降一致。
本公开的方法可在多种水测定系统布置中进行实施。例如，可建立集中式水测定设施，其定期从多个地理位置、工厂或其他来源群组和/或纵向时间特征的测定操作接收要评估的水样，使得可随时间监测具体水源(例如湖、河流等)中生物污染的进展，支持法定环境水质标准，或用以在比较性或其他评价条件下监测水质。
本公开还考虑了提供水质测试试剂盒，所述试剂盒可以与中央水质监测设施(适于产生转录因子特征谱或反映当地收集的水样的其他输出报告或信息用于评价)结合，用于水样的野外收集和进行测定或测定组分活性。
试剂盒可包括特定水标准物的转录因子特征谱以能够即时地目视确定产生转录因子特征谱的具体样品中是否存在或可能存在生物污染。
应认识到，本公开的装置和方法能够以简单、有效和精确的方式定量地确定水的生物污染。
如本公开所考虑的，在下文的具体实施方式和实施方案中进一步描述了本公开的多个方面。
在一方面，本公开涉及确定水样的水质的方法，包括：
使所述水样暴露于测试细胞系统，使得所述测试细胞系统通过改变所述测试细胞系统中的转录因子活性而对所述水样作出响应；
从所述测试细胞系统响应生成与所述测试细胞系统中的转录因子活性的改变相关的输出信息；和
从所述输出信息与转录因子活性参考标准物的比较确定所述水样的品质。
可以进行所述方法，其输出信息是与转录因子活性变化相关的一个或多个谱，例如对测试细胞系统细胞的转录因子活性的累积影响的定量测量。在这种方法中确定水样的品质的操作可包括使用转录因子活性参考标准物，所述参考标准物为具有特定特性(例如纯度、时代、历史重要性、地理位置属性等)的校正水样生成。例如，标准水样可以是在纵向研究中特定时间和/或位置采集的样品，以监测在不同时间和/或位置采集的水样的逐渐恶化或改善。所述水样可以是三次蒸馏的去离子水样。
在转录因子活性参考标准物和与感兴趣样品中转录因子活性相关的输出信息中，所述参考标准物和输出信息可包括如本文中他处描述的谱，其中毛细管电泳图的输出谱或极坐标雷达图中的转录因子峰可以以累积的方式加权以生成各个谱。
在这种方法中，可通过构建报告转录单元(RTU)的库来为每个所述生成的谱生成转录因子特征谱，其中将每个RTU构建为包括共用的质粒骨架和与转录的报告序列融合的独特转录因子诱导型启动子，并将RTU库转染至测试细胞系统的细胞中。
在这种方法中，转染的RTU库产生的报告RNA的量与测试细胞系统的细胞中存在的相应转录因子的活性是相称的。所有的RTU与基本上相同的报告序列一起提供。将每个报告序列用包含限制性切割位点的处理标签来标记，所述切割位点的位置在所述RTU中有不同。
可实施上述方法，其中所述生成所述至少一个谱包括切割所述限制性切割位点，以获得经切割的报告物质。然后，所述经切割的报告物质可通过毛细管电泳分辨。在这种方法中，所述经切割的报告物质有利地是荧光标记的。在这种方法中，所述经切割的报告物质可通过反转录和cDNA扩增从所述报告RNA产生，所述cDNA扩增使用所有报告物质共用的引物对通过聚合酶链式反应进行。在这种操作后，谱可以以极坐标雷达图的形式生成。然后，可对从这种方法生成的谱进行电子表格分析。
在上述方法中，所述测试细胞系统响应所述暴露而导致转录因子活性的变化所生成的谱中的至少一个，以及从所生成的至少一个谱确定水样本的水质，包括计算机执行的处理操作。在具体实施方案中，所述生成和测定都包括计算机执行的处理操作。可处理来自毛细管电泳的数据，以用算法减去背景荧光，用以确定报告物峰的大小和区分噪声闪烁报告物峰。可用所有报告物峰的信号总和将个体的报告物峰的荧光值归一化。
在上述方法中，所述转录谱可包括1-50个转录因子的谱，例如2-10个转录因子的谱。
可实施所述方法，其中在计算机执行的测定过程中，在所述测定操作中用算法比较各个转录因子特征谱。可实施所述方法，其中对至少一种水样本和一种或多种水标准物进行所述暴露、生成和测定操作。
在上述方法中，所述测试细胞系统可包含选自以下的细胞：单个细胞、细胞培养物、单细胞生物、微生物群、多细胞生物、采集自或源自所述生物的生物样本、器官、组织样品、组织培养物、内源性细胞、外源性改造的细胞、合成细胞、人细胞、动物细胞、克隆细胞、植物细胞、血细胞、血小板、培养的细胞、活检细胞、用防腐剂固定的细胞、与基质结合的细胞、有核细胞和无核细胞。
在所述方法中，所述生成和测定可包括评价细胞提取物中DNA结合活性的变化；可包括使用凝胶迁移测定；可分析转录因子细胞定位的变化。
在上述方法中，转录因子细胞的定位的变化可包括转录因子的核转位。
本文的方法包括以坐标为×1、×2…×N的向量表示转录因子活性谱，其中×i是第i个转录因子(TFi)的活性，并且所述测定包括评价转录因子活性向量间的欧几里得距离。
上述方法可在一段时间内进行，以确定在不同时间从同一水源采集的水样的水质的改善或恶化。
在另一方面，本发明涉及一种确定水样本的水质的方法，包括定量所述水样本中的污染物对测试细胞系统中多种转录因子的活性的影响。
在本发明的另一方面，一种确定不同水样的相对品质的方法，包括：
将每种不同的水样暴露于包含多种转录因子的相应生物传感器，其中所述相应生物传感器适于显示对所述暴露响应的转录因子特征谱；和
比较所述相应生物传感器的转录因子特征谱，或者比较它们的表达产物的转录因子特征谱，以确定所述不同水样彼此之间的相对水质。
在另一方面，本发明涉及一种确定水样的水质的方法，包括：
将多种报告构建体引入至包含多种转录因子的测试细胞系统中，所述报告构建体的启动子受所述转录因子调节；
将所述测试细胞系统暴露于所述水样，以诱导所述多种转录因子的相应活性变化；和
从所述测试细胞系统暴露于所述水样时，所述报告构建体对所述多种转录因子的活性变化响应而产生的多种报道基因转录物和/或多种报告蛋白，来确定所述水样的水质。
在另一方面，本发明涉及一种用于确定水样的水质的装置，包括适于进行本文描述的方法的操作的计算机系统。在这种装置中，所述计算机系统可包含联网的计算机。所述联网的计算机可包括中央服务器计算机和客户端计算机。
图27是水质监测系统的示意图，所述水质监测系统包括中央水质管理设施，其被布置用于样品操作和保存、生物传感器(测试细胞)细胞培养、细胞铺板和处理、数据库和数据分析，所述中央水质管理设施与远程样品输入和处理设施以通信关系连接，所述远程样品输入和处理设施可任选地与试剂、生物传感器(测试细胞)产物和来自所述中央设施的处理设备支持物一起提供。
水质监测系统800包括中央水质管理设施816，在设施816中安置了服务器组合811，组合811包含与关系数据库812可操作地连接的多个服务器单元，关系数据库812可例如包括，具有特定特性的参考水样的转录因子活性参考标准物的库，以及使用本公开的转录因子活性方法进行水质测定的方案、纵向研究的历史记录和其他数据，其可被所述服务器单元访问用于计算和通信操作。
中央水质管理设施816还包括用于根据本公开进行水质测定的存储库存供应器824，存储库存供应器824包括反转录、PCR和荧光标记试剂、毛细管电泳装置和辅助材料、生物传感器(测试细胞)单元、细胞铺板装置和辅助材料、适用于远程样品输入和处理设施的计算装置、样品收集装置等。
中央水质管理设施816还包括水样处理单元826，在水样处理单元826中，水样可与所述生物传感器(测试细胞)接触，然后对所述测试细胞进行总RNA分离、反转录、PCR扩增、荧光标记、限制性消化、样品提纯和毛细管电泳。中央设施816还包括原始数据处理单元828，其被布置以从处理单元826接收输出信息并由此生成谱，例如对于参考样品，或者对于从远程样品输入和处理设施860接收的待测定样品，如下文所更详细描述的。
图27中示例性示出的系统800包括多个远程样品输入和处理设施830、844和860。每个远程样品输入和处理设施与所述中心设施的距离可以很远，例如在不同城市或国家，或者甚至不同的大陆。所述远程样品输入和处理设施的构成可以不同，但是每个都与中央水质管理设施816以通信关系连接，用于进行数据和信号通信的双向传输和接收。这种通信连接可包括经由全球通信网络(例如因特网或其他网络)的互相连接。
布置远程样品输入和处理设施830以收集和处理当地水样836，水样836可按照箭头840的示例性指示被引入到所述远程设施中，并根据本公开的转录因子活性方法在处理模块834中进行测定，处理模块834与来自供应模块832的装置和辅助材料一起提供。供应模块832又可由来自中央设施816的存储库存供应器824提供，如箭头838示例性指示的那样。
处理模块834生成的当地水样测定数据可被传输至中央处理器单元(CPU)820，用于进一步处理并传输至中央设施816的服务器811。然后，服务器811可以实现水样836的转录因子活性谱与参考标准物转录因子活性谱的算法比较，并将所得到的比较数据返回提供给中央处理器单元(CPU)820，用于在远程样品输入和处理设施830上本地使用。
同样地布置远程样品输入和处理设施844，用于收集和处理当地水样850，水样850可按照箭头852的示例性指示被引入到所述远程设施中，并根据本公开的转录因子活性方法在处理模块848中进行测定，处理模块848与来自供应模块846的装置和辅助材料一起提供。供应模块846又可由来自中央设施816的存储库存供应器824提供，如箭头856所示例性指示的那样。
处理模块848生成的当地水样测定数据可被传输至中央处理器单元(CPU)821，用于进一步处理并传输至中央设施816的服务器811。然后，服务器811可以实现水样850的转录因子活性谱与参考标准物转录因子活性谱的算法比较，并将所得到的比较数据返回提供给中央处理器单元(CPU)821，用于在远程样品输入和处理设施844上本地使用。
远程样品输入和处理设施860包括供应模块862，模块862可与来自中央设施816的存储库存供应器824的装置、试剂和其他辅助材料一起提供，如箭头876所示例性指示的那样。来自当地供应模块862的辅助材料用于处理模块864中，模块864接收当地水样866，如箭头870所示例性指示的那样。在处理模块864中，当地水样测定根据本公开的转录因子活性方法进行，所得到的数据被传送至远程设施处用户810的智能手机822，然后被传输至所述中央设施的服务器811，用于参考比较在远程设施860生成的转录因子活性谱，以生成水质输出信息，所述水质输出信息被传输回所述智能手机，用于实时确定当地水质。
或者，当地水样866可通过远程设施860直接传输至中央设施816，如箭头868所示例性指示的那样。
还可布置中央设施816以为所述远程设施提供技术支持，如通过服务器单元811与所述远程设施通信，提供例如更新的算法、方案、常规更新等。
本公开的另一方面涉及一种用于进行水样的水质确定的试剂盒，其包含图形形式的参考库水标准物的转录因子特征谱，用于对转录因子特征谱与参考库特征谱的相关性进行阈值目视确定。
本公开的另一方面涉及一种用于进行水样的水质确定的试剂盒，其包括生物传感器、接触容器(在其中细胞可与水样接触用于评估)和说明文件(包含进行所述接触操作和进一步处理所述接触的细胞样品用于进行转录因子特征谱分析的方案)。
这种试剂盒可包含如下的一种或多种：裂解介质、转染载体、限制性酶、反转录试剂、PCR引物、荧光染料、含有毛细管电泳数据处理软件的光盘或闪存、转录因子特征谱生成软件和/或用于进行水质确定中的其他组成操作的软件。
虽然本文已经就具体的方面、特征和示例性实施方案阐明了本公开，但是应理解，本公开的实用性并不因此受到限制，而是延伸至且涵盖本公开所属领域普通技术人员基于本文描述可想到的多种其他变化、修改和替代实施方案。因此，下文所要求保护的发明意在被广义地解释和理解为将所有这些变化、修改和替代实施方案包括在其精神和范围内。

Claims (28)

1.一种确定水样的水质的方法，包括：
使所述水样暴露于测试细胞系统，使得所述测试细胞系统通过所述测试细胞系统中的转录因子活性的变化而对所述水样作出反应；
从所述测试细胞系统反应生成与所述测试细胞系统中转录因子活性变化相关的输出信息；
从所述输出信息与转录因子活性参考标准物的比较确定所述水样的品质；和
定量所述水样中的生物和化学污染物对所述测试细胞系统中的多种转录因子的活性的影响；
其中通过构建报告转录单元(RTU)的库来为所述生成的输出信息生成转录因子特征谱，其中将每个RTU构建为包括共用的质粒骨架和与转录的报告序列融合的独特转录因子诱导型启动子，并将所述RTU库转染至所述测试细胞系统的细胞中，
其中所述转染的RTU库产生的报告RNA的量与所述测试细胞系统的细胞中存在的相应转录因子的活性是相称的，
其中所有RTU与基本上相同的报告序列一起提供，
其中将每个报告序列用包含限制性切割位点的处理标签来标记，所述切割位点的位置在所述RTU之间不同，和
其中所述生成所述输出信息包括切割所述限制性切割位点以获得经切割的报告物质。
2.权利要求1的方法，还包括通过毛细管电泳分辨经切割的报告物质。
3.权利要求2的方法，其中所述经切割的报告物质是荧光标记的。
4.权利要求3的方法，其中所述经切割的报告物质可通过反转录和cDNA扩增从所述报告RNA产生，所述cDNA扩增通过聚合酶链式反应使用所有报告物质共用的引物对进行。
5.权利要求4的方法，还包括生成一个或多个极坐标雷达图形式的输出信息。
6.权利要求4的方法，还包括对所生成的输出信息进行电子表格分析以确定所述水样的水质。
7.权利要求1的方法，其中响应于所述暴露而生成与所述测试细胞系统中转录因子的活性的变化相关的输出信息，以及从所生成的输出信息确定所述水样本的水质，都包括计算机执行的处理操作。
8.权利要求7的方法，其中所述生成和确定都包括计算机执行的处理操作。
9.权利要求3的方法，其中处理来自所述毛细管电泳的数据，以用算法减去背景荧光，用于确定报告物峰的大小和区分噪声/报告物峰。
10.权利要求9的方法，其中将各个报告物峰的荧光值相对于所有报告物峰的信号的总和进行归一化。
11.权利要求1的方法，其中所述与转录因子活性变化相关的输出信息包括2-50个转录因子的谱。
12.权利要求1的方法，其中所述与转录因子活性变化相关的输出信息包括2-10个转录因子的谱。
13.权利要求1的方法，其中在计算机执行的确定过程中，在所述确定过程中用算法比较各个转录因子特征谱。
14.权利要求1的方法，其中对至少一个水样本和一个或多个水标准物进行所述暴露、生成和确定操作。
15.权利要求1的方法，其中所述测试细胞系统的细胞选自以下：单个细胞、细胞培养物、单细胞生物、微生物群、多细胞生物、采集自或源自所述生物的生物样本、外源性改造的细胞、合成细胞、克隆细胞、培养的细胞、用防腐剂固定的细胞和与基质结合的细胞。
16.权利要求1的方法，其中所述测试细胞系统的细胞选自以下：器官、组织样品、组织培养物、内源性细胞、动物细胞、植物细胞、活检细胞、有核细胞和无核细胞。
17.权利要求1的方法，其中所述测试细胞系统的细胞为人细胞。
18.权利要求1的方法，其中所述测试细胞系统的细胞为血细胞。
19.权利要求1的方法，其中所述测试细胞系统的细胞为血小板。
20.权利要求1的方法，其中所述生成和确定包括评价细胞提取物中DNA结合活性的变化。
21.权利要求20的方法，包括使用凝胶迁移测定。
22.权利要求1的方法，其中所述生成和确定包括分析转录因子的细胞定位的变化。
23.权利要求22的方法，其中所述转录因子的细胞定位的变化包括转录因子的核转位。
24.权利要求1的方法，其中所述生成包括以坐标为×1、×2…×N的向量表示转录因子活性谱，其中×i是第i个转录因子(TFi)的活性，并且所述确定包括评价转录因子活性向量之间的欧几里得距离。
25.权利要求1的方法，在一段时间内重复进行以确定在不同时间从相同水源采集的水样的水质改善或恶化。
26.权利要求1的方法，包括确定不同水样的相对品质，包括：
使每种不同的水样暴露于包含多种转录因子的测试细胞系统，其中所述测试细胞系统适于显示对响应于所述暴露的转录因子特征谱；和
比较所述测试细胞系统的转录因子特征谱，以确定所述不同水样彼此之间的相对水质。
27.一种水质监测系统，包括包含与服务器可操作地连接的关系数据库的中央设施，所述服务器与一个或多个远程设施通信连接，其中所述一个或多个远程设施被布置用于根据权利要求1的方法收集和处理当地水样以生成其转录因子活性谱，并用于将所述转录因子活性谱传输至所述服务器，其中所述关系数据库包含所述服务器可访问的参考标准物的转录因子活性谱，并且其中所述服务器被配置用于从传输至所述服务器的当地水样转录因子活性谱，相对于从所述关系数据库访问获得的参考标准物的一个或多个转录因子活性谱，确定所述当地水样的水质。
28.权利要求1的用于进行水样的水质确定的方法，包括比较所述水样的转录因子特征谱与图形形式的参考库水标准物的转录因子特征谱，用于目视确定转录因子特征谱与参考库特征谱的相关性，从而确定所述水样的水质。
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