CN104334726A - 核酸提取 - Google Patents
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Abstract
本文描述了用于从生物样品提取核酸的方法和装置。所述装置包括基底,如纤维素滤器,其用杀虫剂官能化,所述杀虫剂具有多个官能团,包括:结合部分,所述结合部分涉及将所述杀虫剂结合到所述基底;疏水部分;和带电荷部分。各种官能团用于将所述杀虫剂结合至所述基底、弱化或溶解样品的细胞壁或膜以及将核酸保持在所述基底上。优选的杀虫剂是甲硅烷基化的季铵化合物(SiQAC),例如3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵。
Description
发明领域
本发明涉及用于从生物样品(主要是包含细胞材料的生物样品)中提取核酸的方法和产品。本发明的多个方面还涉及用于从生物样品制备核酸以用于核酸扩增的方法。
发明背景
对于利用核酸扩增技术的诊断的主要挑战之一是细胞材料的预处理以在扩展过程之前提取核酸。基于二氧化硅和基于磁珠的技术效率低(≤10%)并且需要针对特定靶标类型进行优化;同样的过程通常与其他样品类型不相容。利用酚氯仿的高收率过程由于组分的毒性而不合适。基于去污剂的方法提供简单的溶解过程,但需要高温(95℃),由于反转录酶不是热稳定的,所以这与单步骤RT-PCR不相容。
当前的方法涉及分离纯化形式的核酸,远离其他细胞材料。这通常要求利用酶如溶菌酶或去污剂破坏细胞。分枝杆菌(Mycobacterium)需要严格的NALC-NaOH预处理以破裂细胞。蛋白质通过使用适当蛋白酶(例如蛋白酶K)进行消化而除去。核酸结合至载体树脂或带电荷基质(例如,磁性颗粒)并被洗涤。核酸通过pH变化从带电荷载体移到适当缓冲液中。这产生高纯度核酸。
来自例如Cepheid、Enigma Diagnostics、Roche、Geneprobe、BD等的现有技术系统将此常规实验室核酸提取过程整合到其诊断仪器中。然而,这是复杂的、昂贵的并且针对特定的样品类型。
本文中我们描述了去除了此过程的复杂性的方法,在简单的、一次性的、基于纸的系统中递送能够通过PCR扩增的核酸,所述系统在室温运行,能够破裂细菌、真菌和病毒细胞,并且将核酸释放到用于直接PCR分析的溶液中。
Whatman,Inc的国际专利申请WO00/62023和WO02/16383描述了溶解细胞并利用镀膜的过滤介质来分离核酸的方法。所述过滤介质是FTA处理的硝基纤维素,其涂覆有阴离子去污剂例如SDS。被覆层溶解细胞,并且FTA处理的滤器将核酸吸附至其。被覆层不是共价结合至所述滤器,并且可以通过洗涤除去。核酸可以从所述滤器洗脱用于后续处理。
3M Innovative Properties Company的国际专利申请WO2008/134464描述了具有附着的官能团、溶解材料、基质材料和糖的基底,其用于从样品分离核酸。
Akhavan-Tafti的美国专利申请2007/0185322描述了用于从样品中提取RNA的方法,其涉及使用酸性溶液和可以在不进行细胞的初步溶解的情况下释放核酸的固相结合材料。提及了使用季铵盐来结合核酸。Tarkkanen等的美国申请2005/0042661还描述了使用季铵化合物来从细胞选择性地释放核酸。
Appeartex AB的国际专利申请WO2004/087226和WO2006/071191,以及Higgs等的美国专利5,064,613描述了包含季铵盐的抗微生物组合物。
发明概述
根据本发明的第一方面,提供了一种从生物样品制备核酸的方法,所述生物样品包含a)具有细胞膜的细胞材料,或b)具有细胞壁的细胞材料,或c)具有病毒包膜的病毒材料或d)具有病毒衣壳的病毒材料;所述方法包括使所述样品与基底接触,所述基底被用杀虫剂官能化,所述杀虫剂能够i)弱化细胞膜、细胞壁、病毒包膜或病毒衣壳;或ii)溶解细胞或病毒材料。
所述方法还可以包括在所述接触步骤之后使所述样品经受热的步骤。例如,可以将所述样品直接添加至核酸扩增反应中。所述热步骤将用于溶解弱化的细胞壁、细胞膜、病毒包膜或病毒衣壳,以释放核酸。所述热步骤对于释放核酸可以不总是必要的,例如如果所述杀虫剂能够溶解细胞或病毒材料。
这样,所述方法允许从生物样品快速且容易地制备核酸以用于进一步处理。
所述基底优选是纤维素材料;例如,纤维素滤纸或纤维素基质。纤维素材料可以是复合纸;例如,复合纤维素纸可以包括侧流层,以从沉积在所述纸的表面上的样品除去液体以及低分子量污染物和抑制剂。纤维素的优势在于它具有大量的杀虫剂可以附着的暴露羟基。在某些实施方案中,纤维素材料还可以包含用于对样品进行所需作用的试剂;例如,RNA酶,蛋白酶等,用于样品清理。优选的基底是来源于棉花的纤维素纸,并且尤其是来自Hahnemühle FineArt GmbH(Germany)的FP 2992纸。
可以使用其他基底材料,优选具有暴露羟基的那些。例如,基底可以是玻璃、塑料等等。尽管在优选的实施方案中,基底是可以被直接添加至核酸扩增反应的滤纸,但是在其他实施方案中,基底可以为微观流体通道或反应容器或其他容器的形式(生物样品可以沿其通过或容纳在其内)。
杀虫剂优先地包含多个官能团。所述官能团优选地包括结合部分,该结合部分涉及将所述杀虫剂结合至所述基底;疏水部分;和带电荷部分。疏水部分能够与细胞壁或细胞膜相互作用并且穿透细胞壁或细胞膜。在优选的实施方案中,疏水部分可以是烷基链,例如C5-C30烷基,优选地C10-C20烷基。当烷基链穿透精致的细胞壁时,该壁被弱化和刺穿。带电荷部分优选是带正电荷的,并且能够吸引带电荷的细胞壁,并在接触细胞膜时可以破坏离子流和内稳态,由此有助于破坏细胞并释放核酸。带电荷部分优选是季铵基团。结合部分可以包含羟基。
在优选的实施方案中,官能团优选是烷基链(疏水部分)、甲硅烷基基团(结合部分)和氯化铵基团(带电荷部分)。
优选的杀虫剂包括甲硅烷基化的季铵化合物(SiQAC);尤其是3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵(3-TPAC)。其他杀虫剂包括苄基氯化铵。SiQAC的致死的作用模式公认通过如下方式进行:带正电荷的分子吸附到带负电荷的细胞表面上,通过SiQAC分子上的亲脂链破坏细胞膜,以及通过该膜的扩散导致细胞溶解。
技术人员将注意到可以使用的其他合适的杀虫剂。具体试剂的选择将根据上述优选的官能团的存在以及目标生物样品的性质–例如,在要处理的样品是哺乳动物细胞样品的情况下,则没有细胞壁去穿透,并且其他官能团可以是适当的。
可以用于本发明的其他杀虫剂的实例包括:
a)遥爪聚(2-烷基-1,3-唑啉);
b)具有经由PEtOx接枝的抗微生物的DDA基团的纤维素,其在接触时杀死接近的微生物细胞(Bieser等(2011),Contact-Active Antimicrobialand Potentially Self-Polishing Coatings Based on Cellulose(基于纤维素的接触活性抗微生物和潜在地自抛光被覆层).Macromol.Biosci.,11,111-121);
c)皂角苷是甾族化合物或三萜化合物苷,常见于大量植物中,并且长期已知对红细胞膜具有溶解作用且已知许多皂角苷是抗微生物的(Francis等,British Journal of Nutrition(2002),88,587–605)。在皂角苷的膜-可渗透性方面已经进行了大量研究。也已观察到这些结构上多样的化合物杀死原生动物并且充当抗真菌剂和抗病毒剂。相对于在人工膜中产生的80A°孔隙,当用皂角苷处理时,分离的来自人红细胞的细胞膜形成40-50A°直径的孔隙(Seeman等1973 Structure of membrane holes in osmotic andsaponin hemolysis(渗透压和皂角苷溶血中的膜孔洞的结构).Journal ofCell Biology 56,519–527)。
对于可以使用的其他组合物的综述,参见“Antimicrobial Polymers inSolution and on Surfaces(溶液中和表面上的抗微生物聚合物)”,Siedenbiedel和Tiller(2012)Polymers,4,46-71。
优选地,生物样品可以包含具有细胞壁的细胞材料。例如,细胞材料可以是原核细胞,如细菌细胞;或者可以是植物或真菌细胞。备选地,生物样品包含具有细胞膜且没有细胞壁的细胞材料。例如,细胞材料可以是真核动物细胞,包括哺乳动物或昆虫细胞。备选地,生物样品可以包含病毒材料。
本发明的另一方面提供一种扩增生物样品中的核酸的方法,所述方法包括:根据本发明上述第一方面的方法制备核酸;和对所制备的酸进行核酸扩增步骤,优选地是聚合酶链反应(PCR)扩增。
所述扩增可以被进行以用于诊断目的。
本发明的另一方面提供一种用于从生物样品制备核酸的装置,所述生物样品包含a)具有细胞膜的细胞材料,或b)具有细胞壁的细胞材料,或c)具有病毒包膜的病毒材料或d)具有病毒衣壳的病毒材料;所述装置包括用杀虫剂官能化的基底,所述杀虫剂能够i)弱化细胞膜、细胞壁、病毒包膜或病毒衣壳;或ii)溶解细胞或病毒材料。
基底优选是纤维素材料。
在某些实施方案中,基底可以被整合到样品制备盒(cartridge)等之中。因此,所述装置还可以包括用于容纳所述基底或所述基底的一部分的反应容器。所述装置还可以进一步包括用于将所述基底的一部分与剩余基底分离的部件;这可以允许在样品已经被添加后分离基底的一块,并且然后允许所分离的块进入反应容器并被用于PCR。
附图简述
图1显示SiQAC分子3-TPAC的结构。
图2描绘纤维素通过SiQAC的官能化。
图3是SiQAC对细胞的作用模式的示意图。
图4显示来自用SiQAC处理的血液的疟原虫(Plasmodium)物种的检测。
图5比较了用于提取分枝杆菌(Mycobacterium)DNA的不同纸处理方法。
图6显示临床样品的精度数据。
图7显示使用所述方法从口水提取的不同浓度的MTB的多次重复测试,y轴显示峰值解链温度(melt temperature)并且x轴显示峰高度。
图8显示用于生产SiQAC官能化的纸和样品分析的优化的方法工作流程。
图9显示从全乳(whole dairy milk)分离微生物DNA。
图10显示获自HIV阳性血浆样品的核酸的扩增。
图11显示获自扩增的HIV核酸的序列。
附图详述
本发明总体操作如下。基底(如纤维素滤纸)用杀虫剂(优选SiQAC、更优选3-TPAC)官能化。该官能化的基底可以用于样品制备以从细胞样品提取核酸用于PCR反应。
细胞材料沉积在所述纸的顶层上。液体流动通过所述纸并且细胞材料被俘获在表面上。液相和任何低分子量抑制性离子分散在位于表面官能化的纤维素层下方的第二侧流层中。
样品中的微生物细胞(或植物、动物或真菌细胞)与SiQAC官能化的纤维素相互作用并且被弱化和/或溶解,通常在接触的5分钟内释放它们的细胞内容物。
复合纸的栓(plug)可以从基底切除,并且在10分钟时间后直接添加至PCR反应。PCR的初始热可以用来额外地溶解任何剩余的细胞从而进一步释放核酸。
SiQAC分子[3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵(3-TPAC)]的结构示于图1。3-TPAC首次描述于1972年(参见Isquith等(1972),Appl.Microbiol,24:6859-863,http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC380687/pdf/applmicro00052-0033.pdf)。
存在许多版本的基础化学(例如,苄基氯化铵BAC),但是全都共用类似的关键成分:氯化铵变体(活性抗微生物剂),作为结合剂的硅(甲硅烷基部分)和链烷烃链。所述氯化铵是季铵基团,其连接至两个甲基基团并且有效地两个更长链烷基基团。此阳离子官能赋予抗微生物性质,其导致细菌、真菌和病毒膜的破坏,释放核酸内容物。疏水链烷烃链穿透细胞壁。三甲氧基甲硅烷基基团经由活性羟基将该分子结合至基底(例如,纤维素)。
季铵化合物对于包括细菌、真菌和包膜病毒在内的多种生物是致死的,并且在较小程度上对内生孢子、结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis)和无包被病毒是致死的。已知许多杀虫聚合物具有季铵基团。季铵(QA)化合物是用于医学和公共卫生应用的最广泛使用的抗细菌剂,并且已经证实其针对革兰氏阴性和革兰氏阳性细菌二者都是有效的(Tashiro(2001)Macromol.Mater.Eng.;286,63-87)。
具有QA基团的阳离子聚合物通常比其对应的低分子量单体表现出更高的抗微生物活性[Ikeda和Tazuke,1983,Makromol.Chem.,RapidCommun.4(1983)459-461]。更高的活性归因于由于聚合物的更大的电荷密度所致的细胞和聚合物之间更大的静电吸引。
SiQAC通过两步过程起作用。SiQAC分子上的正电荷作用吸引微生物的带负电荷的细胞壁。初始,疏水烷基链穿透与其接触的有机体的类似疏水的细胞壁。当烷基链穿透精致的细胞壁时,该壁被弱化和刺穿。接着,当阳离子季铵基团接触细胞壁时,它破坏离子流并且引起到细胞壁之中或之外的渗漏,通常导致细胞失去其内容物或爆裂,这取决于离子环境。带电荷的季铵烷基基团保持不变并且可用于无限地重复该过程。
由于这种“物理的”和“电的”的杀死机制,微生物不会得到发展对SiQAC的抗性或免疫性的机会。
季铵化合物广泛用作消毒剂、防腐剂、药物产品和化妆品并且可以是水果和蔬菜消毒的备选。所有季铵化合物(QAC)是具有基本结构(NH4+)的阳离子化合物。这些化合物穿透到细菌细胞壁中,与细胞质膜反应,诱导由自溶酶引起的壁溶解(McDonnell,G.&Russell,A.D.1999Antisepticsand disinfectants:activity,action and resistance(防腐剂和消毒剂:活性、作用和抗性).Clinical Microbiology Reviews 12,147–179)。
三甲氧基甲硅烷基基团与表面如玻璃和棉花上的羟基反应从而形成将QA化合物保持在表面并防止其在水中溶解的共价键。三甲氧基甲硅烷基基团也可以彼此发生反应而形成结合至处理的表面的高度稳定的交联的硅烷被覆层。这些被覆层已被证实在许多应用中给予表面以杀生物活性,同时没有将化学试剂释放到周围环境中[Isquith等,1972;Isquith等,1973美国专利3,730,701;Speier和Malek,1982J of Colloid and InterfaceScience 89,68;Walters等,1973,J.,Appl.Microbiol.25,253]。
尽管这些被覆层作为杀真菌剂和抗细菌剂非常有效,但是它们对于孢子是低效的。
图2举例说明了利用SiQAC分子3-TPAC的纤维素的官能化。在未改变的天然纤维素中,X表示氢,其形成大量的悬吊的羟基(OH)基团。在更快的初始阶段,键形成于所述分子和羟基之间,形成甲硅烷基醚。在第二个较慢的步骤中,在相邻的二甲氧基甲硅烷基基团之间形成交联从而形成与基底表面平行排列的随机有机硅醚聚合物。
阳离子部分在表面结合中不起作用,但在结合至基底表面后可用。其表面类似于被识别为局部防腐剂的季铵化合物,其中二癸基二甲基氯化铵(DDAC)是一个典型实例。
SiQAC分子结合至基底表面的机制化学上类似于聚乙烯交联形成PEX的机制。
图3是显示SiQAC官能化的纤维素的作用方法的示意图。SiQAC链结合至纤维素纤维并且被定向和交联(标记的A)从而形成活性层。疏水烷基链(标记的B)穿透微生物的类似疏水的细胞壁。当烷基链穿透精致的细胞壁时,该壁被弱化和刺穿。然后阳离子季铵基团(C)与细胞壁接触,并破坏离子流且引起到细胞壁之中或之外的渗漏,通常导致细胞失去其内容物或者取决于离子环境,完全爆裂该细胞。在其弱化的状态,细胞的快速干燥过程进一步弱化细胞壁使得在PCR的早期循环期间,核酸材料被释放到溶液中并且在PCR期间被扩增。
因此,SiQAC分子的作用模式涉及多种不同的要件。存在经由烷基链的细胞质和外膜脂质双层以及细胞壁的扰动,导致细胞质材料的一般性和进行性渗漏,导致部分的或完全的细胞溶解,这取决于周围溶液的离子强度。此被带正电荷的铵基团增强,带正电荷的铵基团与带负电荷的膜磷脂缔合。即使在低浓度的活性组分下,也发生低摩尔质量胞质组分(例如,K+、核酸和氨基酸)的渗漏。SiQAC化合物比非甲硅烷基化的季铵化合物显著更有效,因为甲硅烷基基团结合至表面,引起抗微生物部分变得在局部集中和定向。
通过SiQAC化合物的细胞溶解的方法在室温下进行,这不同于现有技术中的其他方法。SiQAC官能化的纤维素适合于弱化和/或破坏细菌、真菌的细胞壁以及病毒颗粒的蛋白质外壳。在优选的实施方案中,其在5分钟内提供可用于进行PCR(PCR-ready)的溶解的细胞材料。本发明的官能化的基底和方法使得能够在单个步骤中将样品内的DNA和RNA的核酸提取与其他潜在的有害剂的净化结合。还可能从病毒颗粒提取RNA,提供在RT-PCR之前不需要复杂样品处理以获得RNA的单步骤方法。
所述方法可以用作选择用于溶解的细胞类型的手段,例如这里的数据显示在血中温育24小时后全血细胞保持完整,而白红细胞被溶解。
我们认为SiQAC方法至少与以下微生物是相容的:
细菌:MRSA,CA-MRSA;微球菌属(Micrococcus sp.);表皮葡萄球菌(Staphylococcus epidermis);聚团肠杆菌(Enterobacter agglomerans);乙酸钙不动杆菌(Acinetobacter calcoaceticus);金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)(有色素的);金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)(无色素的);肺炎克雷伯氏菌(Klibsiella pneumonial moniae);铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa);粪链球菌(Streptococcus faecalis);大肠杆菌(Escherichia coli);奇异变形杆菌(Proteus mirabilis);差异柠檬酸杆菌(Citrobacter diversus);伤寒沙门氏菌(Salmonella typhosa);猪霍乱沙门氏菌(Salmonella choleraesuis);牛棒杆菌(Cornyebacterium bovis);包皮垢分枝杆菌(Mycobacterium smegmatis);结核分枝杆菌(Mycobacteriumtuberculosis);狗布鲁氏菌(Brucella canis);流产布鲁氏菌(Brucella abortus);猪布鲁氏杆菌(Brucella suis);突变链球菌(Streptococcus mutans);枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis);产气荚膜梭状芽胞杆菌(Clostridium perfringens);流感嗜血杆菌(Haemophilus influenzae);猪嗜血杆菌(Haemophilus suis);干酪乳酸杆菌(Lactobacillus casel);乳明串珠菌(Leuconostoc lactis);单核细胞增多性李司忒氏菌(Listeria monocytogenes);痤疮丙酸杆菌(Propionibacterium acnes);普通变形杆菌(Proteus vulgaris)。
真菌:链格孢属(Alternaria);黄曲霉(Aspergillus flavus);烟曲霉(Aspergillus fumigatus);黑曲霉(Aspergillus niger);土曲霉(Aspergillusterreus);花斑曲霉(Aspergillus versicolor);Aureobadisium pullulans;Cephaldascus fragrans;球毛壳(Chaetomium globosum);草本支孢霉(Cladosporium herbarum);表皮癣菌属(Epidermophyton);镰刀菌龙葵(Fusarium nigrum);腐皮镰刀菌(Fusarium solani);Glicocladium roseum;毛霉(Mucor);乳卵孢子菌(Oospora lactis);扩展念珠菌(Pencilliumalbicans);Tricophyton mentagraphophytes;扩展线虫(Pencillium elegans);Pencillium funiculosum;Pencillium humicola;特异青霉(Pencilliumnotatum);产糖芽霉菌(Pullularia pullulans);青霉素皮蠹(Penicilliumvariabile);黑色根霉菌(Rhizopus nigricans);Ricoderm;葡萄穗霉(Stachybotrys atra);Trichophyton interdigitalie;Trichderma flavus;橘青霉(Penicillium citrinum)。
酵母和藻类:酿酒酵母(Saccharomyces cerevisiae);白色念珠菌(Candida albicans);颤藻LB143(Oscillatoria borneti LB143);柱孢鱼腥藻(Anabaena cylindrica);羊角竹叶B-325(Selenastrum gracile B-325);Pleurococcus LB11;Schenedesmus quadricuada;盘藻LB 9c(Gonium LB9c);团藻LB 9(Volvox LB 9);普通小球藻(Chlorella vulgaris);蓝藻(Cyanophyta)(蓝-绿色);金藻(Chrysophyta)(褐色);绿藻(Chlorophyta)(绿色)Seienastum;绿藻(Chlorophyta)(绿色)原球藻(Protococcus)。
病毒:HIV;登革(Dengue);甲/乙型流感(Influenza A/B);SARS;H1N1(猪流感(swine flu));H3N2;1型单纯疱疹(Herpes Simplex Type 1)。
其他:三日疟原虫(Plasmodium malariae)。
SiQAC的抗微生物作用的细节可以在Isquith等(1972)中找到。
实施例
除非另有说明,所有实施例中使用的纸是来自Hahnemühle FineArtGmbH(Germany)的源于棉花的纤维素纸FP 2992。
实施例1:利用SiQAC溶液的细菌培养物的纸基纯化和PCR产物表征
方案:
1.制备给定细菌(肺炎克雷伯氏菌(K.pneumonia)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)和结核分枝杆菌(M.Tuberculosis)*)的过夜(O/N)培养物并取50μl。[*MTB培养物已被温育两周(O.D.1.1)]
2.制备三组要干燥过夜(O/N)的卡片
i.未处理的纸
ii.用在15μl水中稀释的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液官能化的
iii.用在15μl TRIS-Cl[pH 7.5]中稀释的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液官能化的
3.向每组处理的和未处理的纸添加20μl的培养物并在室温干燥10分钟[对每种培养物,在不同纸上x4重复]
4.使用无菌活检穿孔器(1.5mm)移出纸冲孔片(paper-punched disk)。
5.将该冲孔片添加至PCR混合物(20μl终体积)
6.进行对每个测试通用的16S的35个循环;肺炎克雷伯氏菌和金黄色葡萄球菌,GD′s MTB/RIF
7.对于肺炎克雷伯氏菌和金黄色葡萄球菌使用PCR产物的标准焦磷酸测序
结果:
1.肺炎克雷伯氏菌的自标准垫(std pad)(第1组)的PCR在焦磷酸测序(pyro)中产生平均18个高质量bp读数
2.肺炎克雷伯氏菌的自用添加至15μl水的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液富集的垫(第2组)的PCR在pyro中产生平均24个中等质量bp读数
3.肺炎克雷伯氏菌的自用添加至15μl TRIS-Cl[pH 7.5]的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液富集的垫(第3组)的PCR在pyro中产生平均28个高质量bp读数
4.金黄色葡萄球菌的自未处理的垫(第1组)的PCR在pyro中产生平均16个高质量bp读数
5.金黄色葡萄球菌的自用添加至15μl水的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液富集的垫(第2组)的PCR在pyro中产生平均20个中等质量bp读数
6.金黄色葡萄球菌的自用添加至15μl TRIS-Cl[pH 7.5]的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液富集的垫(第3组)的PCR在pyro中产生平均25个高质量bp读数
7.GD′s MTB/RIF:MTB鉴别对于三组样品是正确的,包括在通过富集有用15μl TRIS-Cl[pH 7.5]稀释的5μl SiQAC(3-TPAC)溶液的垫处理的样品中的RIF鉴别
结论:
富集有SiQAC(3-TPAC)溶液的纸成功地溶解细菌细胞,允许自提取的核酸进行PCR。这由以下确认:通过焦磷酸测序获得的序列的原始长度,以及来自作为很难打开的细胞的结核分枝杆菌的MTB-RIF的端点检测,其通常需要使用NALC-NaOH的严格处理以实现相同水平的细胞破坏。未处理的纸不产生相同的结果。需要TRIS-Cl[pH 7.5]来缓冲SiQAC。
实施例2:检测来自用SiQAC溶液处理的血液的疟原虫物种
图4显示对来自获得自感染患者的血液样品中的不同疟原虫物种的核酸的检测结果。
实施例3:纸官能化和使用方法
给出三种备选的纸官能化方法:
方法A
纸用20μl SiQAC(3-TPAC)溶液官能化,干燥24小时,然后在20μl5mM TRIS-Cl[pH 9.0],0.2mM MgCl2中洗涤,接着干燥,并且;
i.施加样品,干燥20′,移出片(disc)并添加20μl的miliQ水用于PCR,或
ii.施加样品,干燥20′,移出片并利用温和的移液(pipetting)在20μl的miliQ水中漂洗,在PCR中使用20μl
方法B
纸用20μl SiQAC(3-TPAC)溶液官能化,干燥30’并在5mM TRIS-Cl[pH 9.0],0.2mM MgCl2中洗涤,然后干燥,并且;
i.施加样品,干燥20′,移出片并添加20μl的miliQ水用于PCR,或
ii.施加样品,干燥20′,移出片并使用温和的移液在20μl的miliQ水中漂洗,在PCR中使用20μl
方法C
纸用20μl SiQAC(3-TPAC)官能化并干燥30′,并且;
i.施加样品,干燥20′,移出片并使用温和的移液在20μl的miliQ水中漂洗,在PCR中使用20μl,或
ii.施加样品,干燥20′,移出片并添加20μl的5mM TRIS-Cl[pH 9.0],0.2mM MgCl2用于PCR;或
iii.施加样品,干燥20′,移出片并使用温和的移液在20μl的5mM TRIS-Cl[pH 9.0],0.2mM MgCl2中漂洗,在PCR中使用20μl
就以下方面对各种不同的纸处理方法进行比较:从生痰的临床样品提取结核分枝杆菌DNA以及使用NALC-NaOH利用标准CepheidMTB处理获得的结果。结果显示在图5中。(MTB=检测到的分枝杆菌rpoB基因;RIFs或RIFr=检测到的利福平(rifampicin)突变;FAILED=没有检测到)。三种处理方法以不同程度将核酸释放到用于PCR的溶液中,从而允许检测多拷贝和单拷贝rpoB基因,以及检测利福平突变。所有方法给出与金标系统的比较数据。方法C产生比金标“更好”的结果,产生高度的细胞破坏和用于PCR分析的高质量DNA的稳定性,通过焦磷酸测序进一步确认。焦磷酸测序显示在从来自V2核糖体DNA的扩增子来的30bp的序列中观察到序列变化,长的黄色和蓝色读数说明该序列中不存在突变,确认存在良好的扩增产物。
图6显示使用所述的7种不同改变处理的、来自5个临床痰样品(4xRIFs和1x RIFr)(即35个测试)的累积精度数据。表明RIF状态(RIFs、RIFr)的MTB(浅蓝色)和rpoB突变的解链温度的测量以及表示所测得的数据点上的标准差的相关误差棒显示,所述方法不影响解链峰测定的精度,其在±0.5℃内。标准方法可以影响测量的精度。
图7显示利用所描述的方法从痰提取的不同浓度的MTB的多次重复测试,y轴显示峰值解链温度并且x轴显示峰高。
依据这些实施例,图8显示利用SiQAC化合物的纸官能化和样品分析的优化方法。
实施例4:使用SiQAC从痰样品提取的结核分枝杆菌的焦磷酸测序
三个痰样品使用SiQAC(3-TPAC)官能化的复合卡片处理。在没有热启动(即,仅循环)的情况下,将1.5mm片添加至标准16S核糖体DNA扩增,并且所得的扩增子使用焦磷酸测序进行分析。结果显示核心序列区域的良好扩增,提供>25个核苷酸读数长度,表明良好的提取和扩增:
检索模式:全检索
平均同一性评分:100%
检索引擎:PyroMark Q96 ID
参考数据库:HULPII
参考序列:M.microti ATCC19422.
样品1>CGGCTGCTGGCACGTAGTTGGCCGGTCCTTCTT
样品2>CGGCTGCTGGCACGTAGTTGGCCGGTCCTTCTT
样品3>CGGCTGCTGGCACGTAGTTGGCCGGTCC
实施例5:从全乳分离微生物DNA
全乳具有许多抑制剂对于PCR是一种困难的样品类型。复合纸使用优选的方法(图8中所示的)官能化。将官能化的纸的单个1.5mm片加上奶粉样品添加至具有用于通用16S核糖体DNA扩增的引物的标准PCR混合物。扩增的DNA在标准凝胶上跑胶。图9显示结果。(泳道1:分子量标记物;泳道2:5μl大肠杆菌参比gDNA+1μl 100%Si-QAC(3-TPAC)溶液;泳道3:5μl大肠杆菌参比gDNA+1μl 10%Si-QAC(3-TPAC)溶液;泳道4:5μl大肠杆菌参比gDNA+1μl 1%Si-QAC(3-TPAC)溶液;泳道5:用10%Si-QAC(3-TPAC)溶液官能化的1.5mm片+20μl全乳;泳道6:用1%Si-QAC(3-TPAC)溶液官能化的1.5mm片+20μl全乳;泳道7:官能化的1.5mm片+20μl全乳;泳道8:1μl全乳)。
显示的数据证实,相比于未处理的纸(泳道6和7),利用1%Si-QAC(3-TPAC)的官能化增强扩增。
通过接种用于乳细菌的富集培养基(蛋白胨5g/l、右旋糖1g/l、酵母提取物2.5g/l和脱脂奶粉1g/l)+4%琼脂来检查片的残留细菌-R.C.MARSHALL(1993)Standard Methods for the Microbiological examinationof dairy products(用于乳制品的微生物学考察的标准方法)第16版(美国公共卫生协会(American Public Health Association))。过夜培养在用Si-QAC(3-TPAC)处理的片上不显示细菌生长,但在未处理的片的培养板上显示汇合生长,确认了官能化纸在15分钟内净化液体。
实施例6:提取自来自血清的HIV病毒的RNA的使用官能化的卡片的
rt-pcr
概述
利用来自被诊断为阳性的匿名患者的血浆样品,将官能化的卡片用于HIV K103扩增子的RT-巢式PCR。利用来自不同患者(也被诊断为阳性)的全血样品的平行测定在PCR(在1%琼脂糖凝胶中没有检测到片段)或焦磷酸测序中都没有给出结果。
测定描述
两个卡片使用纯化溶液(PF溶液,含有3-TPAC)依照标准方案官能化:
1.打开卡片并施加在缓冲液(5mM Tris HCl(pH 9.0),0′2mM MgCl2)中稀释的20微升1/100PF溶液
2.干燥15分钟
3.施加20微升的样品*
4.干燥15分钟
5.打孔出单个片并添加至RT
*样品是来自外周HIV阳性血液(1)和外周HIV阳性血液(2)的血浆
使用的RT混合物为Applied Biosystems Superscript VILO cDNA合成试剂盒,如在使用者手册中所述的,调节至30微升的终体积。
随后以以下方式准备PCR:
H2O-5.8μl
10x PCR缓冲液-5μl
MgCl2[50mM]-2μl
dNTPs·10mM·-1.2μl
1849+·10μM·-1μl
3500-·10μM·-1μl
Ultratools Taq聚合酶[1u/μl]-1μl
来自Superscript VILO cDNA合成试剂盒的cDNA-30μl
使用的引物为:
1849+ 5’-GATGACAGCATGTCAGGGAG
3500- 5’-CTATTAAGTATTTTGATGGGTCATAA
PCR程序:
94℃ 2min,接着45个循环的
94℃ 30sec
50℃ 30sec
72℃ 1min 30sec;接着
72℃ 5min
10℃ ∞
此PCR的产物为1702bp长并且含有HIV1的gag-pro-pol区域。此扩增子用作用于第二PCR的模板。
以以下方式准备第二PCR:
H2O-20μl
10x PCR缓冲液-4μl
MgCl2[50mM]-1.6μl
dNTPs·10mM·-0.8μl
K103F·10μM·-3.2μl
BioK103F·10μM·-3.2μl
Biotools Taq聚合酶[1u/μl]-0.5μl
来自巢式PCR的PCR产物-5μl
使用的引物为:
K193F 5’-GGAATACCACATCCYGCAGG
BioK103R 5’-[生物素]AATATTGCTGGTGATCCTTTCC
PCR程序:
95℃ 5min;接着30个循环的
95℃ 30sec
55℃ 30sec
72℃ 30sec;接着
72℃ 5min
10℃ ∞
来自第二个PCR的PCR产物为203bp并且用于依照图10所示的富集方法的焦磷酸测序反应中。
结果
依照所述的方案,仅血浆样品在焦磷酸测序仪中产生良好信号,血液样品根本没有产生结果。使用的测序引物为K103F(5’-GGAATACCACATCCYGCAGG)并且获得的序列使用NCBI的BLAST工具针对完全HIV基因组进行匹配。该序列成功地与所述HIV匹配–参见图11。
Claims (35)
1.从生物样品制备核酸的方法,所述生物样品包含a)具有细胞膜的细胞材料,或b)具有细胞壁的细胞材料,或c)具有病毒包膜的病毒材料或d)具有病毒衣壳的病毒材料;所述方法包括使所述样品与基底接触,所述基底被用杀虫剂官能化,所述杀虫剂能够i)弱化所述细胞膜、细胞壁、病毒包膜或病毒衣壳;或ii)溶解细胞或病毒材料;其中所述杀虫剂包含多个官能团,所述多个官能团包括涉及将所述杀虫剂结合至所述基底的结合部分;疏水部分;和带电荷部分。
2.权利要求1所述的方法,所述方法还包括在所述接触步骤之后使所述样品经受热的步骤。
3.权利要求1或2所述的方法,其中所述基底是纤维素材料;优选地是纤维素滤纸或纤维素基质。
4.权利要求3所述的方法,其中所述纤维素材料是复合纸。
5.权利要求4所述的方法,其中所述复合纸包括侧流层,以从沉积在所述纸的表面上的样品除去液体以及低分子量污染物和抑制剂。
6.权利要求1或2中任一项所述的方法,其中所述基底是玻璃或塑料。
7.任一前述权利要求所述的方法,其中所述基底为微观流体通道或反应容器或其他容器的形式。
8.任一前述权利要求所述的方法,其中所述疏水部分包含烷基链,例如C5-C30烷基,优选地C10-C20烷基。
9.任一前述权利要求所述的方法,其中所述带电荷部分是带正电荷的。
10.任一前述权利要求所述的方法,其中所述带电荷部分是季铵基团。
11.任一前述权利要求所述的方法,其中所述结合部分包含羟基。
12.任一前述权利要求所述的方法,其中所述官能团是烷基链、甲硅烷基基团和氯化铵基团。
13.任一前述权利要求所述的方法,其中所述杀虫剂是甲硅烷基化的季铵化合物(SiQAC)。
14.任一前述权利要求所述的方法,其中所述杀虫剂是3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵。
15.权利要求1至11中任一项所述的方法,其中所述杀虫剂选自:
a)遥爪聚(2-烷基-1,3-唑啉);
b)具有抗微生物的DDA基团的纤维素;
c)皂角苷。
16.任一前述权利要求所述的方法,其中所述生物样品包含具有细胞壁的细胞材料。
17.任一前述权利要求所述的方法,其中所述细胞材料包含原核细胞。
18.权利要求1至16中任一项所述的方法,其中所述细胞材料包含植物或真菌细胞。
19.权利要求1至15中任一项所述的方法,其中所述生物样品包含真核动物细胞。
20.权利要求1至15中任一项所述的方法,其中所述生物样品包含病毒材料。
21.扩增生物样品中的核酸的方法,所述方法包括:根据权利要求1至20中任一项所述的方法制备核酸;和对所制备的酸进行核酸扩增步骤,优选是聚合酶链反应(PCR)扩增。
22.用于从生物样品制备核酸的装置,所述生物样品包含a)具有细胞膜的细胞材料,或b)具有细胞壁的细胞材料,或c)具有病毒包膜的病毒材料或d)具有病毒衣壳的病毒材料;所述装置包括用杀虫剂官能化的基底,所述杀虫剂能够i)弱化所述细胞膜、细胞壁、病毒包膜或病毒衣壳;或ii)溶解细胞或病毒材料,其中所述杀虫剂包含多个官能团,所述多个官能团包括涉及将所述杀虫剂结合至所述基底的结合部分;疏水部分;和带电荷部分。
23.权利要求22所述的装置,其中所述基底是纤维素材料;优选地是纤维素滤纸或纤维素基质。
24.权利要求23所述的装置,其中所述纤维素材料是复合纸。
25.权利要求22所述的装置,其中所述基底是玻璃或塑料。
26.权利要求22至25中任一项所述的装置,其中所述基底为微观流体通道或反应容器或其他容器的形式。
27.权利要求22至26中任一项所述的装置,其中所述疏水部分包含烷基链,例如C5-C30烷基,优选地C10-C20烷基。
28.权利要求22至27中任一项所述的装置,其中所述带电荷部分是带正电荷的。
29.权利要求22至28中任一项所述的装置,其中所述带电荷部分是季铵基团。
30.权利要求22至29中任一项所述的装置,其中所述结合部分包含羟基。
31.权利要求22至30中任一项所述的装置,其中所述官能团是烷基链、甲硅烷基基团和氯化铵基团。
32.权利要求22至31中任一项所述的装置,其中所述杀虫剂是甲硅烷基化的季铵化合物(SiQAC)。
33.权利要求22至32中任一项所述的装置,其中所述杀虫剂是3-(三甲氧基甲硅烷基)丙基二甲基十八烷基氯化铵。
34.权利要求22所述的装置,其中所述杀虫剂选自:
a)遥爪聚(2-烷基-1,3-唑啉);
b)具有抗微生物的DDA基团的纤维素;
c)皂角苷。
35.权利要求22至34中任一项所述的装置,其中所述基底被整合到样品制备盒等之中。
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