DE3116831A1 - "verfahren zur erhoehung der empfindlichkeit der messung von mikrobenzellen" - Google Patents

"verfahren zur erhoehung der empfindlichkeit der messung von mikrobenzellen"

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DE3116831A1
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    • C12Q1/00Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
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Description

  • Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Messung von
  • Mikrobenzellen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit und Genauigkeit der Messung von Mikrobenzellen (Mikroorganismenzellen).
  • Die hohe Konzentration an nicht-mikrobiellem ATP in Urin, Milch, Blut und Fleischprodukten erschwert die Anwendung des ATP-Verfahrens zur schnellen quantitativen Bestimmung von Bakterien in solchen Proben oder macht sie unmöglich, auch wenn das nichtmikrobielle ATP durch Hydrolyse mit Kartoffelapyrase-Enzym (einem Co ++-abhöngigen ATPase-Enzym), durch Filtrieren oder Zentrifugieren eliminiert worden ist. Wenn nur ein geringer Bruchteil des Prozentsatzes des nicht-bakteriellen ATP in der Probe verbleibt, wenn das ATP aus den Bakterien extrahiert wird, können große Fehler bei der Bakterienauszöhlung auftreten, wenn diese auf der Messung des bakteriellen ATP basiert. Außerdem war es bisher nicht möglich, spezifische Mikroben (Mikroorganismen) nachzuweisen und dazwischen zu differenzieren, weil bei dem ATP-Verfahren das gesamte ATP nachgewiesen bzw. gemessen wird, unabhängig von den in den Proben gefundenen Arten.
  • Stoffwechselmäßig inaktive Mikrobenzellen weisen einen niedrigen ATP-Gehalt auf und wenn die Zellen nicht aktiviert werden, leidet die Empfindlichkeit und Genauigkeit dieses Verfahrens darunter.
  • Mit der vorliegenden Erfindung werden diese Beschränkungen in Bezug auf die Empfindlichkeit, Genauigkeit und das ungünstige Verhältnis zwischen mikrobiellem und nicht-mikrobiellem ATP beseitigt. Diese Ziele werden erreicht durch eine kurze Inkubation der Probe mit einem spezifischen Nahrmedium, das entweder fest oder flussig sein kann. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß es damit möglich ist, die Inkubation und Messung in der gleichen KUvette durchzuführen, wodurch mögliche Fehler durch Pipettierungen und Ubertragung der Probe eliminiert werden. Wenn spezifische Medien verwendet werden, die das Wachstum einer bestimmten Mikrobenart oder eines bestimmten Mikrobentyps unterstUtzen, kann das Verfahren zur Identifizierung dieser Mikroben angewendet werden. Da weniger Manipulationen erforderlich sind, kann das Verfahren auch leicht automatisiert werden.
  • Das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend näher erläutert.
  • Eine kleine mikrobielle Probe von 10 bis 1000 l, vorzugsweise 10 bis 100 Sl, wird in ein ATP-freies Nährmedium eingefuhrt, bei dem es sich um ein generelles Ndhrmedium, ein selektives Nährmedium oder ein spezifisches Ndhrmedium mit spezifischen Nährstoffen, Substraten, Enzymen oder Wachstumsinhibitoren fUr spezifische Mikroben, oberflächenaktiven oder anderen Substanzen zum Auflösen oder Abtöten von ausgewählten Mikroben- oder Nichtmikroben-Zellen oder zum Durchlssigmachen der Zellwand und Zellmembran fUr ATP und anderenMetaboliten(Stoffwechselprodukten )von ausgewählten Mikroben- oder Nichtmikroben-Zellen handeln kann. Das Medium kann auch eine kontrollierte Menge ATPase-Enzym, wie z.B. Kartoffel-Apyrase, von 0,001 bis 0,5 Einheiten, vorzugsweise von 0,01 bis 0,1 Einheiten pro ml zum Hydrolysieren von nichtmikrobiellem ATP während der Inkubation enthalten. Die Messung des extrahierten mikrobiellen ATP kann durchgefUhrt werden ohne Inaktivierung des ATPase-Enzyms, da die Aktivität der ATPase so gering ist, daß sie die Extraktion und Messung von mikrobiellem ATP erlaubt, wenn das mikrobielle ATP innerhalb einer Minute nach der Extraktion, vorzugsweise nach einer konstanten Zeitverzögerung ab der Extraktion, gemessen wird. Das Volumen des Ndhrmediums kann von 10 bis 1000 l, vorzugsweise von 25 bis 200 l, in einer sterilen transparenten Kunststoff- oder GlaskUvette mit einem Durchmesser von 5 bis 30 mm, vorzugsweise von 6 bis 15 mm, variieren. Das Nährmedium kann auch auf eine Filtermembran aufgebracht werden, welche.die mikrobielle Probe enthält. Bei diesem Verfahren wird die Filtermembran mit der richtigen Seite nach oben in einen sterilen Behalter mit einem ebenen Boden, beispielsweise eine Petrischale, gelegt. Die Proben werden 0,2 bis 16 Stunden lang für Bakterien und Hefen und 0,5 bis 5 Tage lang fUr Fungi und Mykobakterien inkubiert. Nach der Inkubationszeit wird das ATP extrahiert durch Behandeln der inkubierten Probe mit 10 bis 1000 pl/NRB (Nukleotid-Freisetzungreagens), einer 0,05 bis 2 %igen wäßrigen Lösung einer Mischung von ionischen oberflöchenaktiven Agentien von Uthoxylierten Aminen und quateranderen Salzen von äthoxylierten Aminen, (NRB ist ein eingetragenes Warenzeichen der Firma Lumac Systems AG, Basel, Schweiz) oder mit Mineralsouren, Basen oder einer anderen Substanz, die ATP aus Mikrobenzellen extrahiert, ohne die Probe Ubermäßig stark zu verdUnnen oder ohne Inhibitorsubstanzen fUr die Leuchtkäfer-Luziferin-Luziferase-Reaktion einzufUhren. Wenn fUr die ATP-Extraktion Sduren oder Basen verwendet werden, muß die Wasserstoffionenkonzentration vor der Messung des ATP mit einem Luziferin-Luziferase-Reagens auf pH 6,5 bis 8,5, vorzugsweise auf pH 7,75, gebracht werden. Nach der Extraktion des ATP aus den Mikrobenzellen wird die Probe in das Lumineszenz-Photometer eingefUhrt. Vor der Messung der Probe werden 10 bis 100Q Fl, vorzugsweise 50 bis 200 CII, l, Luziferin-Luziferase-Reagens in einem biochemischen Puffer (z.B. Tris- oder sogenannte Good-Puffer, HEPES, MOPS, TES und dgl.) mit einer Polarität von 0,01 bis 0,1, Mg"-Ionen in einer Molaritä.t.von 0,005 bis 0,05 und ein Chelatbildner, wie z.B. EDTA, in einer Molaritdt von 0,001 bis 0,010, 0,01 bis 1 pg/ml Luziferase und 1 bis 100 Fg/ml Luziferin mit der Probe gemischt. Die Zugabe und das Einmischen dieses Luziferin-Luziferase-Reagens in die Probe können durchgeführt werden, bevor die Phiole in das Photometer eingesetzt wird, jedoch vorzugsweise werden sie in dem Instrument selbst durchgeführt. Die Intensität (Stärke) des erzeugten Lichtes steht in direkter Beziehung zu der Konzentration an ATP in der Probe. Die Lichtemission kann als kontinuierliches Signal (oder Rate), integriert Uber einen vorher festgelegten Zeitraum, oder als Spitzenwert (Maximum) gemessen werden.
  • Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen Anwendungen werden an Hand der folgenden Beispiele näher erldutert.
  • Ausfulirungsform I: Messung einer Peringen Anzahl von Mikroben Die Empfindlichkeit der Biolumineszenz-Messung von ATP hängt von der Empfindlichkeit des Photometers und der Aktivität der verwendeten Reagentien ab. Bis vor kurzem erlaubten die Handelsprodukte eine Messung von 100 000 Zellen/cm³ oder 0,1 ng/ 3 cm ATP. Das Verfahren selbst ist sehr viel empfindlicher und mit einem vor kurzem auf den Markt gekommenen Instrument (vertrieben unter der Handeslmarke LUMACOUNTER der Firma Lumac Systems AG, Basel) und mit Leuchtkufer-Luziferin-Luziferase-Reagentien (vertrieben unter dem Warenzeichen "WOMIT" PM von der Firma Lumac Systems AG, Basel) ist es möglich, bis herunter zu 0,1 pg ATP oder etwa 100 Bakterien in einer 20 bis 500 Fl-Probe zu messen. Wegen der Selbstabsorption des emittierten Lichtes und der inhibierenden Substanzen (chemischen Extinktionsmittein)betrögt die praktische Empfindlichkeit jedoch etwa 1000 bis 5000 Bakterienzellen pro ml. Zur Messung der hygienischen Qualität von Wasser, pharmazeutischen und sterilisierten Produkten sollte es jedoch möglich sein, bis herunter zu 1 Bakterienzelle zu messen.
  • Die Kultivierung von Mikrobenzellen (Bakterien, Hefe, Fungi, Schleim, Schimmelpilzen) auf einem Ndhrmedium wird seit Beginn der Bakteriologie als gebröuchlichstes Verfahren der quantitativen Bestimmung von Mikrobenzellen angewendet. Die gebruuchlichste Methode besteht darin, eine Reihenverdünnung einer flüssigen Probe herzustellen und feste Ndhrmittel-Agar-Petri schalen damit zu inokulieren. Nach einer Inkubation von 16 bis 72 Stunden fUr Bakterien und 1 bis 40 Tagen fUr Hefe und Fungi bei 37 bis 560C wird die Anzahl der auf dem Agar gewachsenen Kolonien visuell ausgezählt. Die Ergebnisse werden ausgedruckt in Koloniebildungseinheiten (CFU) fUr Bakterien und Hefe und in H>phen fUr Fungi. Die CFu geben nicht die Anzahl der Mikrobenzellen an im Gegensatz zu der allgemeinen Annahme, sondern vielmehr geben sie die Anzahl der Aggregate von Bakterien an, die sich vermehren können. In der Regel wächst jede Kolonie aus einer Gruppe von 1 bis 50 Zellen, so daß die Gesamtanzahl der Zellen in einer ursprunglichen Probe viel größer ist als die Anzahl der CFU.
  • Die Messung der Mikrobenzellen mittels des Lumineszenz-Assays (unter einem "Assay" ist hier ein biologisches Nachweisverfahren zu verstehen) von ATP wird angewendet als Verfahren zur schnellen quantitativen Messung von Mikroben (Mikroorganismen).
  • Dieses Verfahren ist an sich bekannt (US-Patentschrift 3 475 090).
  • Mit gereinigten Luziferin-Luziferase-Reagentien und den derzeit auf dem Markt befindlichen empfindlichen Lumineszenz-Photometern ist es möglich, bis herunter zu 1000 Bakterien pro ml zu messen.
  • Bei der Messung einer geringen Anzahl von Mikrobenzellen in Wasserproben (Oberflechen-, Prozeß- oder Trinkwasser) kann der Biolumineszenz-Assay von ATP zu einer signifikanten Unterschätzung der lebensfdhigen Mikrobenzellen aufgrund der Tatsache fUhren, daß Mikroben in Wasser verkUmmern und daß ihr ATP-Ge ha lt pro Zelle niedriger ist als in den aktiv wachsenden Zellen. VerkUmmernde Mikrobenzellen können weniger als 10 % des ATP-Gehaltes von metabolisch aktiven Zellen aufweisen. In einem geeigneten Ndhrmedium werden Mikrobonzellen innerhalb von 5 bis 10 Minuten metabolisch (stoffwochselmönig) aktiviert.
  • Erfindungsgemäß wird eine Inkubationszeit von 10 bis 20 Minuten angewendet, um die Genauigkeit und Empfindlichkeit von Mikrobenproben mit verkümmernden oder anderweitig inaktiven lebensfähigen Zellen zu erhöhen. Das Verfahren wird wie folgt durchgeführt: Eine Wasserprobe von 500 ml wird durch ein 0,2 mpm-Membranfilter filtriert unter Anlegen eines geringen Vakuums (500 bis 600 mm Hg). Während des Filtrierens läßt man das Filter nicht trokken werden, um eine Beanspruchung der Mikroben zu vermeiden.
  • Das Filter wird in einen Behalter mit einem ebenen Boden, wie z.B. eine Petrischale, gelegt. Es wird ein geringes Volumen (0,1 bis 1 ml) ATP-freie NährstoffbrUhe auf das Filter pipettiert und die Probe wird 10 bis 20 Minuten lang bei Raumtemperatur stehen gelassen. Während dieser Inkubationszeit erholen sich die Zellen von dem Filtrationsstreß und werden metabolisch aktiviert, die Zellen vermehren sich jedoch nicht. Nach der Inkubationszeit wird ATP aus den Mikrobenzellen extrahiert durch Zugabe von 0,1 bis 1 ml 1 bis 5 molarer Mineralsäuren (Schwefelsäure, Trichloressigsdure, Perchlorsäure), Basen (Natrium-, Kaliumhydroxid) oder vorzugsweise einer Mischung von ionischen oberflächenaktiven Mitteln, bestehend aus einer wäßrigen Lösung von 0,1 bis 0,5 % eines äthoxylierten Amins und einem quaternorden Uthoxylierten Amin (Nukleotid-Freisetzungsreagens "NRB" der Firma Lumac Systems AG, Basel, Schweiz). Nach dem Mischen des Extraktionsreagens mit der Probe wird ein aliquoter Anteil von 0,1 bis 1 ml in eine transparente KUvette pipettiert. Ein Leuchtkäfer-Luziferin-Luziferase-Reagens (0,1 bis 1 ml), das besteht aus 0,01 bis 1 Fg Luziferase, 1 bis 100 pg Luziferin, 1.0 bis 200 g/ml Dithiothreit, 0,1 bis 10 mg/ml Rinderserumalbumin, 5 bis 50 mM Magnesiumionen in einem biochemischen Puffer, wie z.B. Tris, HEPES, MOPS und TES, wird bei einem pH-Wert von 6,5 bis 8,5 der Probe zugesetzt und die Lichtemission der Proben wird in einem Photometer gemessen, der Photonen zwischen den Wellenlängen von 400 und 650 nm nachweisen kann. Die ATP-Menge in der Probe wird bestimmt durch Vergleichen des Wertes der Probe mit denjenigen, die bei den Messungen der bekannten ATP-Standards erhalten werden. Die Anzahl der Bakterien wird errechnet durch Dividieren des ATP-Gehaltes in der Probe durch 1 fg (10 g), bei dem es sich um die ATP-Menge pro Bakterienzelle handelt.
  • Wenn die Anzahl der Mikrobenzellen zu gering ist, daß sie nicht direkt nach dem ATP-Verfahren gemessen werden kann, ist es möglich, eine geringe Menge eines flUssigen oder festen Wachstumsmediums (10 bis 1000 Sl) in einem transparenten Glas oder einer KunststoffkUvette zu inokulieren. Die Probe wird dann mit oder ohne SchUtteln bei Temperaturen zwischen 20 und 560C, je nach Typ der zu bestimmenden Mikroben, inkubiert.
  • Die Generationszeit der Bakterien variiert in der Regel von 15 bis 60 Minuten in Abhängigkeit von der Inkubationstemperatur und der Species. Die typischste Generationszeit fUr Bakterien beträgt 20 Minuten bei 370C. Bei Hefe und insbesondere bei Fungi beträgt die Verdopplung der Zeit der Zellen oder der Biomasse langer, bis zu mehreren Stunden. Bevor die Mikroben in einer neuen Umgebung (nach der Inokulation) mit dem Wachstum beginnen, gibt es eine bestimmte Zeit ohne jedes Wachstum. Diesewird als Verzögerungszeit oder Verzögerungsphase bezeichnet. Die Ldnge derselben hängt von dem Organismus, dem Medium und der Temperatur ab. FUr viele Bakterien beträgt die Länge der Verzögerungsperiode 20 bis 30 Minuten bei 370C.
  • Bei der Annahme einer Verzä.gerungsphase von 20 Minuten und einer Generationszeit von 20 Minuten multipliziert sich die Population von Bakterien nach dem folgenden Schema: Inkubationszeit (Min.) Multiplikationsfaktor fUr ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ die ursprüngliche Population 20 1 40 2 60 < 4 80 8 100 16 120 32 140 - 64 160 128 180 256 200 512 220 1024 240 204.8 Wenn fUr einen speziellen Typ der Probe eine Populationswachstumskurve gezeichnet wird, ist es möglich, aus einer oder zwei Messungen des ATP-Gehaltes in der Probe nach einer bestimmten Inkubationszeit die ursprUngliche Menge der Mikroben in der Probe durch Extrapolation zu bestimmen.
  • Beispiel: Messung von Escherichia coli 1.) Es wird ein festes (Nährmittelagar) oder flüssiges Medium (NdhrmittelbrUhe) hergestellt, das nicht durch ATP verunreinigt ist; 2.) 700 l Medium werden in die erforderliche Anzahl von Kunststoff- oder GlaskUvetten, die fUr das Lumineszenzphotometer verwendet werden, einpipettiert und sterilisiert; 3.) 10 bis 50 Fl der Proben werden in zwei bis drei Replikat Küvetten einpipettiert und die KUvetten werden geschUttelt, um die Probe Uber das Feststoffmedium zu verteilen oder die Probe mit dem flUssigen Medium zu mischen; 4.) die KUvetten werden in einenlnkubator gestellt und bei 370C inkubiert, vorzugsweise unter kontinuierlichem SchUtteln; 5.) die KUvetten werde nach 2 Stunden aus dem Inkubator herausgenommen und auf Raumtemperatur abgekühlt; 6.) die ATP-Menge wird wie folgt gemessen: - in die KUvette werden 100 Fl Nukleotid-Freisetzungsre agens fUr Mikrobenzellen (NRB) einpipettiert und durch SchUtteln mit der Hand gemischt; innerhalb von 15 Sekunden wird das ATP aus den Zellen freigesetzt; - die KUvette wird in die Zählkammer des Lumineszenz-Photometers eingesetzt und die Kammer wird lichtdicht verschlossen; - es werden 50 bis 200 jil Leuchtkdfer-Luziferin-Lziferase-Reagens der Probe zugesetzt; die Lichtintensität der Biolumineszenz wird als Spitzenwert oder als integrierter Wert Ubereine Prdsenzzeit von 5 bis 60 Sekunden gemessen; - die Werte der relativen Lichteinheiten (RLU) werden in ATP-Konzentrationen oder in die Anzahl von E. coli-Zellen umgewandelt durch interne Standardisierung, wobei 1 fg 15 (10 g) ATP/Zelle angewendet wird; - die Anzahl der E. coli-Zellen in der ursprünglichen Probe wird wie folgt berechnet: Anzahl der Zellen = Anzahl der gemessenen Zellen 2x worin x = C Inkvbationszeit - Verzögerungsperiode ] Generationszeit Die folgenden Paramter wurden experimentell bestimmt (vgl. Fig. 1A, die das Wachstum von E. coli in 100 µl Ndhrmittelbrühe zeigt Die Verzögerungsperiode betrug 30 Minuten; und Fig. 1B, die zeigt das Wachstum der E. coli-Bakterien auf 100 1 festemNdhrmittelagar in einer 12 mm x 47 mm großen GlaskUvette bei 370C. Die VerzUgerungsperiode betrug 30 Minuten. Die vertikale Achse in beiden Figuren reprösentiert den ATP-Gehalt in ng (in Lichteinheiten) und die horizontale Achse repräsentiert die Inkubationszeit (in Minuten)).
  • Verzögerungsperiode = 30 Minuten Generationszeit - 20 Minuten Anzahl der Zellen nach 130-minUtiger Inkubation = 352 000 352 000 352 000 Anzahl der Zellen = ~~~~~~~~~~~~~ 130-30 5 2 20 2 = 32 (in der obigen Berechnung bedeuten x = 5 und 2 = 32).
  • Ausführungsform II: Messung der Mikroben in Körperfluids und Lebensmittelproben Die Anzahl der Bakterien in Körperfluids und Lebensmittelproben wird gemessen als Qualitatskontrolle fUr die Lebensmittelhygiene und fUr den Nachweis von Mikrobeninfektionen von Körperfluids.
  • Dies wird normalerweise durchgefUhrt durch Kultivieren von Proben auf einem festen Agarmedium.DasVerfahrenwird manuell oder halbmechanisiert durchgeführt und erfordert eine Inkubationszeit von 24 Stunden. Als Maß wird die Anzahl der CFU verwendet. Die CFU-Anzahl ist kein genaues Anzeic hen fUr eine bakterielle Verunreinigung der Proben, weil diese Typen von Proben nicht homogen sind. Die Bakterien haften an Teilchen, die Konglomerationen und Aggregate bilden. Jedes dieser Aggregate bildet nur eine Kolonie; so gibt der CFU-Wert eine viel niedrigere Anzahl von Bakterien an als sie tatsdchlich in der Probe enthalten sind.
  • Das konventionelle Verfahren ist daher sowohl langsam als auch umständlich und ungenau. Im Falle einer Lebensmittelprobe (Milch, Fleisch und dgl.) kann es sein, daß das Produkt fUr den Verbrauch bereits verkauft worden ist, wenn die Testergebnisse erhalten werden, und in der medizinischen Mikrobiologie kann eine Verzögerung von 24 Stunden fUr den Patienten fatal sein.
  • Bisher wurde der Leuchtkdfer-Biolumineszenz-Assay von ATP auf die Messung von Bakterien in Urin (US-Patentschrift 3 745 090) und in Lebensmittel angewendet (vgl. A.N. Sharpe, M.N. Woodrow und A.K. Jackson, "Adenosine triphosphate levels in foods contaminated by bacteria" in "J. Appl. Bacteriol'', 33, 758-767, 1970), bei beiden Anwendungen fUhrt jedoch der hohe Gehalt an nicht-mikrobiellem ATP aus Blutepithel- und Muskelzellen zu einem Problem. Es ist möglich, die nicht-mikrobiellen Zellen mit einem oberflachenaktiven Mittel, wie Triton X-100,zu behandeln (US-Patentschriften 3 745 090 und 4 014 745), die nichtbakterielle Zellen auflösen, und anschließend Kartoffelapyrase der Probe zuzusetzen zur Hydrolyse des extrahierten nicht-mikrobiellen ATP während einer kurzen Inkubation (5 bis 20 Minuten) bei 20 bis 50°C (vgl. US-Patentschrift 3 745 090). Bei dieser Behandlung scheint ein geringer Anteil des nicht-mikrobiellen ATP unangegriffen, wahrscheinlich assoziiert an die Zellmembranen, zurUckzubleiben. Wenn das mikrobielle ATP später mit Mineralsauren (Schwefelsäure, Trichloressigsäure, Perchlorsd.ure) oder mit einem siedenden Tris-EDTA-Puffer extrahiert wird, wird auch ein Teil dieses nicht-mikrobiellen ATP zusammen mit mikrobiellem ATP extrahiert. Dieses unzerstörte nicht-mikrobielle ATP stellt einen schwerwiegenden potentiellen Fehlerfaktor bei der Messung von Bakterien in Körperfluids dar und erschwert die Anwendung dieses Schnellverfahrens auf den Nachweis von Bakterien in Lebensmitteln.
  • Zur Uberwindung der Probleme des restlichen nicht-mikrobiellen ATP und der Beschränkungen in Bezug auf die Empfindlichkeit wurde ein Verfahren entwickelt, bei dem das nicht-mikrobielle ATP durch die eigenen Enzyme von Nicht-Mikrobenzellen oder in Gegenwart einer niedrigen Aktivität eines ATPase-Enzyms (O,01 bis 0,1 Einheiten pro ml) hydrolysiert und die Anzahl der Mikroben in der Probe gleichzeitig vervielföltigt wird während einer kurzen Inkubation von 0,5 bis 5 Stunden fur Bakterien und Hefen und von 1 bis 5 Tagen fUr Fungi. Normalerweise ist fUr Bakterien nur eine Inkubationszeit von 1 bis 2 Stunden erforderlich. Die Inkubation wird direkt in der KUvette durchgefuhrt, in der das mikrobielle ATP gemessen wird. Die Küvetten können hergestellt (vorbereitet) und verpackt werden. Dies erfordert viel weniger Raum als die konventionellen Kulturröhrchen oder Petrischalen. Bei Verwendung eines festen Mediums ist es möglich, diese sogar unter Feldbedingungen zu verwenden. Die Verwendung der gleichen KUvette fUr die Inkubation und die Messung fUhrt dazu, daß das Verfahren leicht automatisiert werden kann. In dem nachfolgenden Beispiel wird die Anwendung dieses Verfahrens zur Messung von Bakterien in Milch beschrieben.
  • Beispiel: Eliminierung von nicht-bakteriellem ATP und Messung der Bakterien in Milch mit dem Biolumineszenz-ATP-Assay - 50 bis 200 Fl, vorzugsweise 100 jil, einer von ATP freien sterilen NährmittelbrUhe mit 50 bis 200 l einer 0,02 bis 0,5 %igen wäßrigen Lösung eines nicht-ionischen oberflöc henaktiven Mittels, wie öthoxylierten Alkylphenolen, wie z.B. Nukleotid-Freisetzungsreagens fUr somatische Zellen ("NRS", UIMACSystems AG, Basel), die 0,001 bis 0,2 Einheiten pro ml ATPase-Enzym enthält, wird in die erforderliche Anzahl von sterilen transparenten Glas-oder Kunststoffküvetten einpipettiert; - 10 bis 100 Rl, vorzugsweise 10 bis 50 l, gut geschuttelte Milchproben werden in die KUvetten einpipettiert und damit gemischt; NRS in dem Medium macht die Zellmembranen der Leukozyten und der Epithelzellen fUr ATP durchlussig und dieses nicht-mikrobielle ATP wird durch die Enzyme der nicht-mikrobiellen Zellen und das zugesetzte ATPase-Enzym hydrolysiert; - die Probe wird 60 bis 120 Minuten lang bei 280C mit oder ohne SchUtteln inkubiert; - die Röhrchen werden aus dem Inkubator entnommen und es werden 50 bis 300 l zusätzliches NRB zugegeben und damit gemischt; das NRB setzt aus den Bakterien innerhalb von 10 bis 20 Sekunden ATP frei; - die Küvette wird in das Lumineszenz-Photometer eingesetzt und das ATP wird gemessen mittels der Leuchtkäfer-Luziferin-Luziferase-Reaktion; - die Anzahl der Bakterien wird errechnet durch Dividieren der gemessenen ATP-Konzentration durch 1 fg (1 -15 g), den ATP-Gehalt eines Bakteriums. Die Anzahl der Bakterien in der ursprünglichen Probe wird, wie oben angegeben, aus der folgenden Formel errechnet: Anzahl der gemessenen Zellen Anzahl der Zellen = 2x i E Inkubotiontzeit - Verzögerungsperiode Generationszeit Die Kurven der Fig. 2 zeigen die Abnahme des nicht-bakteriellen ATP und die Zunahme des bakteriellen ATP während der Inkubation unter Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens.
  • Auf die obige Weise wird die nicht-mikrobielle ATP aus der Probe bis auf etwa 0,5 % seines ursprunglichen Gehaltes eliminiert und das bakterielle ATP wird innerhalb von 120 Minuten auf etwa das 8-fache erhöht. Dies bedeutet, daß in normaler Milch der Beitrag des restlichen nicht-mikrobiellen ATP weniger als 5 s des bakteriellen ATP betrdgt. Dieser kann substrahiert werden und das tatsuchliche nicht-mikrobielle ATP kann wie folgt gemessen werden: - Nach der Inkubation werden 50 bis 200 Rl, vorzugsweise 100 Fl, Leuchtkdfer-Luziferin-Luziferase-Reagens der Probe zugesetzt und die Konzentration des nicht-mikrobiellen ATP wird gemessen. Zu der Probe werden 200 ijl NRB zugegeben und das Gesamt-ATP wird gemessen; das nicht-mikrobielle ATP wird von dem Gesamt-ATP abgezogen, wobei man das bakterielle ATP erhält.
  • Ausführungsform III: Identifizierung von Mikroben unter Verwendung eines spezifischen Kulturmediums und durch Biolumineszenz-Messung von AXP Es ist bekannt, spezifische Medien fUr das Wachstum bestimmter Species von Bakterien anzuwenden. Dies wird ausgenutzt zur Identifizierung von Bakterien durch Inokulieren einer unbekannten Species auf verschiedene Medien, die spezifische Substanzen enthalten, wie z.B. Zucker, Aminosäuren, Vitamine, Salze, Wachstumsinhibitoren, Antibiotika und dgl., die fUr das selektive Wachstum einer spezifischen Species von Bakterien benötigt werden.Nach 16 bis 72-stUndiger Inkubation ist es möglich, visuell festzustellen, ob die Species auf dem Medium gewachsen ist. Aufgrund der Kombination von positiven und negativen Wachstumsergebnissen ist es möglich, die Species zu identifizieren. FUr bestimmte Species oder Typen von Bakterien gibt es auch selektive Medien, auf denen keine andere Species wächst oder nur langsam wucht, wie z.B. das McConkey-Medium fUr Coliform-Bakterien. Diese Verfahren benötigen heute 1 bis 3 Tage, um die Ergebnisse zu erkennen. Diese Zeit wird nach dem folgenden Verfahren stark abgekürzt: - Ein steriles Medium, das spezifische Substanzen enthalt, wie sie fUr die biochemische Identifizierung von spezifischen Mikroben verwendet wird, wird in einem Volumen von 10 bis 200 iil, vorzugsweise 100 jil, in sterile, transparente Kunststoff- oder Glaskuvetten gegeben; - 5 bis 200 Al, vorzugsweise 10 bis 50 Fl, einer isolierten unbekannten Mikrobensuspension wird in 2 bis 20 verschiedene KUvetten, die jeweils ein verschiedenes Wachstumsmedium, fest oder flussig, enthalten, einpipettiert und damit gemischt, wobei Jedes Wachstumsmedium fUr spezifische Species von Mikroben spezifisch ist; - die Anfangskonzentration an ATP in der Mikrobensuspension wird gemessen unter Anwendung des Luziferin-Luziferase-Systems in einem Photometer unter Verwendung von 50 bis 200 Rl NRB als Extraktionsreagens; - die diese Proben enthaltenden Küvetten werden 2 bis 16 Stunden lang bei einer geeigneten Temperatur zwischen 20 und 56°C inkubiert; - nach der Inkubation wird das ATP gemessen durch Einpipettieren von 50 bis 200 l NRB fUr die ATP-Extraktion aus Mikrobenzellen, wobei ein aliquoter Anteil von 50 bis 200 1 der Probe in eine Kuvette eingeführt wird, in das Photometer, in dem 100 bis 200 Sl Luziferin-Lziferase-Reagens der Probe zugesetzt werden; - die Zunahme des ATP, verglichen mit dem Anfangswert, zeigt das Wachstum der Mikrobe auf dem Medium, wdhrend ein unveränderter oder geringerer ATP-Wert ein negatives Wachstumsergebnis anzeigt; - aus der Kombination von Wachstum, Grad des Wachstums oder negativem Wachstum ist es möglich, den Typ oder die Species der Mikrobe zu identifizieren.
  • Die Methode der Verwendung eines Kulturmediums und die Anwendung einer Inkubation in der MeßkUvette und der Behandlung der Probe mit anderen Reagentien, wie NRS und NRBlvereinfacht den Assay zur Bestimmung des mikrobiellen ATP und ermöglicht: 1.) Die Erhöhung der Empfindlichkeit des Verfahrens; 2.) die Eliminierung oder Verringerung des Fehlers durch das nicht-mikrobielle- ATP; und 3.) die schnelle Identifizierung von Bakterien unter Verwendung spezifischer und selektiver Medien.
  • Ausfuhrunpsform IV: Steri litatstest Lebensmittel, Arzneimittel und dhnliche Produkte, die steril sein messen, können mit der Biolumineszenz-Messung von ATP getestet werden. Feste Proben können homogenisiert und nach 4- bis 16-stUndiger Inkubation in Gegenwart von NRS (und ATPase-Enzym, wenn nicht-mikrobielles ATP vorliegt) gemessen werden.
  • Flüssige Proben können durch ein Membranfilter mit einer Porengröße von 0,2 bis 0,45 Fm filtriert werden. Das Filter wird 4 bis 8 Stunden lang in einer ATP-freien NdhrmittelbrUhe inkubiert, danach wird das ATP extrudiert und wie in der Ausfuhrungsform I gemessen. Wenn die Probe steril ist, hat man kein mikrobielles ATP, und wenn die Probe Mikroben enthält, wird nach der Inkubation mikrobielles ATP nachgewiesen.

Claims (10)

  1. P a t e n t a n s p r U c h e 1. Verfahren zur Erhöhung der Empfindlichkeit der Messung von Mikrobenzellen in dem Biolumineszenz-Assay von ATP, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß eine diese Zellen enthaltende Probe mit einem Nährmedium behandelt wird, das so gewählt wird, daß es das Wachstum der zu messenden speziellen Mikrobenarten fördert, daß die so behandelte Probe unter Bedingungen, die das Wachstum fördern, fUr eine Zeitspanne inkubiert wird, die ausreicht, um den Mikrobenzellen die fUr die Anpassung an das Ndhrmedium und die für die Bildung von neuen Zellen erforderliche Zeit zu lassen, daß die inkubierte Probe mit einem Agens behandelt wird, um aus den Mikrobenzellen mikrobielle AP zu extrahieren, daß die Konzentration des dadurch freigesetzten ATP mittels des LeuchtkUfer-Biolumineszenz-Assays gemessen und diese Messung quantifiziert wird, so daß sie die Anzahl der Mikrobenzellen in der Probe angibt.
  2. 2. Verfahren noch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkubationszeit der behandelten Probe fUr die Aktivierung des Stoffwechsels der Mikrobenzellen etwa 10 bis etwa 20 Minuten betrögt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung eines besonders niedrigen Gehaltes an Mikrobenzellen einer Probe eine Inkubationszeit von etwa 2 bis etwa 16 Stunden zur Messung der Bakterien und Hefen sowie eine Inkubationszeit von etwa 0,5 bis etwa 5 Tagen zur Messung der Fungi und der langsam wachsenden Bakterien angewendet wird zur Erhöhung der Anzahl der Mikrobenzellen in der Probe bis auf einen solchen Wert, bei dem diese durch den Biolumineszenz-Assay fUr mikrobiellesATP nachgewiesen bzw. bestimmt werden können.
  4. 4. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlung mit dem Agens zum- Extrahieren des mikrobiellen ATP während der Inkubation durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkubation in Gegenwart einer Lösung von etwa 0,02 bis etwa 0,5 S eines nicht-ionischen oberfldchenaktiven Mittels und von etwa 0,001 bis etwa 0,5 Einheiten/ml eines ATPase-Enzyms zur Zerstörung des nicht-mikrobiellen ATP während der zur Erhöhung der Anzahl der lebensfähigen Mikrobenzellen in der Probe erforderlichen Inkubationszeit durchgeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Inkubation der Probe in dem Nährmedium und die Messung des ATP beide in der gleichen MeßkUvette durchgeführt werden.
  7. 7. Verfahren nach einem der AnsprUche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Mikrobenzellen in der Origina-lprobe nach der folgenden Gleichung bestimmt wird: Anzahl der gemessenen Zellen Anzahl der Zellen = 2x worin E Inkubationszeit - Verz8,qerungsdouer z Generationszeit
  8. 8. Verfahren nach einem der AnsprUche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Bakterienzellen in der Originalprobe bestimmt wird durch Dividieren des gemessenen ATP-Gehaltes in der behandelten Probe durch den durchschnittlichen ATP-Gehalt der Bakterienzelle.
  9. 9. Verfahren nach einem der Anspruche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine spezielle Art oder Gruppe von Mikroorganismen identifiziert wird durch unabhdngige Messung des ATP-Gehaltes in einem ersten Teil einer Probe derselben und Behandeln eines zweiten Teils dieser Probe mit einem Ndhrmedium, das spezifisch so gewählt wird,-daß es das Wachstum der nachzuweisenden Mikroorganismen fördert, durch Inkubieren des zweiten Teils fUr einen Zeitraum von etwa 2 bis etwa 16 Stunden und Messen seines ATP-Gehaltes zur Bestimmung der Menge des Vergleichswachstums oder der Unterdruckung des Wachstums in dem Nährmedium und damit der Anwesenheit oder Abwesenheit des in der Probe zu identifizierenden Mikroorganismus.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil und weitere Teile der Probe jeweils mit einem anderen Nährmedium behandelt werden, das spezifisch so gewählt wird, daß es das Wachstum eines zu bestimmenden spezifischen Mikroorganismus fördert oder unterdrückt, daß alle diese Teile fUr die angegebene Zeitspanne inkubiert werden und daß der ATP-Gehalt jedes Teils gemessen wird zur Bestimmung der Menge des Wachstums oder der Unterdruckung des Wachstums in dem jeweiligen Nährmedium und damit des Mikrobenspektrums der Probe.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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EP0566010A1 (de) * 1992-04-13 1993-10-20 BIOLAC GmbH Gesellschaft für industrielle Nutzung von Milchinhaltsstoffen Verfahren und Analyse-Kit zur Bestimmung der bakteriellen Keimzahl in Molke und Molkeninhaltsstoffen

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EP0566010A1 (de) * 1992-04-13 1993-10-20 BIOLAC GmbH Gesellschaft für industrielle Nutzung von Milchinhaltsstoffen Verfahren und Analyse-Kit zur Bestimmung der bakteriellen Keimzahl in Molke und Molkeninhaltsstoffen

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