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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Test-Kits für die Amplifikation
und Detektion von humanem Immundefizienzvirus (HIV).
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Insbesondere
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf PCR-Verfahren, welche
multiple Primer-Sets verwenden, um alle Subtypen von HIV-1, einschließlich der
Gruppe M und Gruppe O-Isolate, und alle Subtypen von HIV-2 zu amplifizieren.
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2. Hintergrundinformation
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In
unserem Verständnis über das
erworbene Immundefizienz-Syndrom (AIDS) und sein verursachendes
Mittel, das humane Immundefizienzvirus (HIV), wurden Fortschritte
gemacht. Zwei Gruppen von humanen Immundefizienzviren, HIV-1 und
HIV-2, wurden identifiziert. HIV-1 und HIV-2 sind genetisch verwandt
und sind aber trotzdem verschieden. Sowohl HIV-1 als auch HIV-2
zeigen erhebliche genetische Variabilität unter ihren verschiedenen
Isolaten. Tatsächlich
wurden 10 Subtypen von HIV-1 (Gruppe M, umfassend Subtypen A bis
I, und Gruppe O, umfassend Subtyp O) identifiziert. Während die
Konsensus-Sequenzen für
HIV-1 und HIV-2 aus veröffentlichten
Nukleotid-Sequenzen von verschiedenen HIV-1 und HIV-2-Isolaten generiert
wurden, ist es unmöglich,
substantielle Regionen mit absoluter Sequenz-Konservierung zwischen
allen Isolaten von HIV-1 oder allen Isolaten von HIV-2 zu finden.
Zusätzlich
zu der genetischen Variabilität,
die unter den HIV-Isolaten gefunden wurde, sind viele Nukleotid-Regionen
des HIV so hoch zwischen HIV und nicht-verwandten Viren konserviert,
wie sie innerhalb der HIV-1 und HIV-2-Familien sind. Zusammen genommen
machen es diese Fakten extrem schwierig, Polymerase-Kettenreaktion
(PCR) -Primer und Sonden zu entwerfen, welche alle Gruppe M- und
Gruppe 0-Subtypen von HIV-1 und alle HIV-2-Subtypen effizient detektieren
werden, ohne nicht-verwandte Viren falsch zu detektieren.
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EP 0 727 497 führt zum
Beispiel eine Multiplex-PCR-Methode mit Primern ein, welche exklusiv
die Amplifikation der pol-Nukleinsäure von allen bekannten HIV-1-Subtypen
ermöglichen.
Aus diesem besagten Stand der Technik sind aber keine Primer-Kombinationen
ableitbar, welche sowohl HIV-1 als auch HIV-2-Nukleinsäuren in
einer Reaktion amplifizie ren.
EP
0 630 973 führt
eine Multiplex-PCR-Methode für
einige Stämme von
HIV-1 und HIV-2 ein, wobei die verwendeten Primer von verschiedenen
genomischen Orten abgeleitet sind.
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Eine
der Herausforderungen, die denjenigen begegnet, die versuchen Amplifikations-Systeme zu entwickeln,
welche alle bekannten HIV-1 und HIV-2-Subtypen detektieren, ist
die Entwicklung von Oligonukleotid-Primer-Sets, welche adäquat arbeiten,
wenn sie zusammen unter einem einzelnen Set von Amplifikations-Bedingungen
verwendet werden (z.B. Salz-Bedingungen, Temperaturen und Amplifikations-Zeiten).
Die Identifizierung von Primern und Detektions-Sonden, die in Bezug
auf Primer-Primer- und Primer-Sonden-Interaktionen kompatibel sind, ist eine
noch größere Herausforderung.
Daher werden im Falle der Amplifikation und der Detektion von HIV-1
und/oder HIV-2 nach wie vor Schritte benötigt, welche die Wahrscheinlichkeit
der Detektion von hoch divergenten Subtypen oder Isolaten unter
weniger als idealen Bedingungen maximieren.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung überwindet
die oben aufgeführten
Probleme und stellt ein benötigtes
Mittel zur Amplifikation und Detektion von hoch divergenten HIV-1
und/oder HIV-2-Isolaten zur Verfügung.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren
und Test-Kits für
die Detektion aller bekannten HIV-1-Subtypen und/oder HIV-2-Subtypen zur Verfügung zu
stellen.
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Verschiedene
andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus
der detaillierten Beschreibung der Erfindung offensichtlich werden.
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In
einer Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Amplifikation von
HIV-1-Nukleinsäuren.
Das Verfahren umfaßt
das in Kontakt Bringen einer Probe, von der angenommen wird, daß sie HIV-1-Nukleinsäuren enthält, mit
vier verschiedenen Nukleosid-Triphosphaten, einer thermostabilen
DNA-Polymerase und mnindestens vier Oligonukleotiden bei Bedingungen,
unter denen HIV-1-Zielnukleinsäure
amplifiziert wird. Die vier Oligonukleotide werden ausgewählt aus
den Sets:
- (a) SEQ ID NOS.: 1, 3, 7 und 8;
- (b) SEQ ID NOS.: 1, 4, 7 und 8;
- (c) SEQ ID NOS.: 2, 3, 7 und 8 und
- (d) SEQ ID NOS.: 2, 4, 7 und 8.
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In
einer anderen Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Amplifikation
von HIV-2, welches umfaßt:
in Kontakt Bringen einer Probe mit vier verschiedenen Nukleosid-Triphosphaten,
einer thermostabilen DNA-Polymerase und mindestens vier Oligonukleotiden
bei Bedingungen, unter denen HIV-2-Zielnukleinsäure amplifiziert wird. Die
vier Oligonukleotide werden ausgewählt aus den Sets:
- (a) SEQ ID NOS.: 11, 12, 14 und 16;
- (b) SEQ ID NOS.: 11, 12, 15 und 16;
- (c) SEQ ID NOS.: 11, 12, 18 und 20;
- (d) SEQ ID NOS.: 11, 12, 19 und 20;
- (e) SEQ ID NOS.: 14, 16, 18 und 20;
- (f) SEQ ID NOS.: 14, 16, 19 und 20;
- (g) SEQ ID NOS.: 15, 16, 18 und 20 und
- (h) SEQ ID NOS.: 15, 16, 19 und 20.
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In
einer weiteren Ausführungsform
bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Co-Amplifikation
von HIV-1 und HIV-2-Zielnukleinsäure.
Eine Probe, von der angenommen wird, daß sie irgendeine HIV-Nukleinsäure enthält, wird
mit vier verschiedenen Nukleosid-Triphosphaten, einer thermostabilen
DNA-Polymerase, mindestens einem Primer-Paar, das ausgewählt ist aus SEQ ID NOS.: 1,
2, 3, 4, 7 und 8, und mindestens einem Primer-Paar, das ausgewählt ist aus SEQ ID NOS.: 11,
12, 14, 15, 16, 18, 19 und 20, bei Bedingungen in Kontakt gebracht,
unter welchen die HIV-1- und die HIV-2- Zielnukleinsäuren amplifiziert
werden.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Die
Entwicklung eines Co-Amplifikations-Systems für HIV-1 und HIV-2, welches
alle Subtypen von HIV-1 und HIV-2 sensitiv und spezifisch detektieren
kann, ist eine extreme Herausforderung aus verschiedenen Gründen: (1)
die Diversität
auf der Ebene der Nukleinsäure-Sequenz
zwischen individuellen Isolaten, (2) das Erfordernis, Primer-Primer-Interaktionen zwischen
mindestens acht bis zehn Primern zu minimieren, während die
Nebenprodukt-Bildung die Assay-Sensitivität und auch möglicherweise
die Spezifität
reduzieren wird, (3) das Erfordernis, die amplifizierten Produkte
spezifisch zu detektieren, was idealerweise mittels Oligonukleotid-Hybridisierung
mit einer Sonde durchgeführt
werden sollte, welche intern („internal") zu den Amplifikations-Primern
ist, und (4) das Erfordernis sowohl die Anwesenheit von Inhibitoren
in präparierten
Patienten-Spezimen als auch die ineffiziente Gewinnung von Zielnukleinsäure aus
der Probenpräparation
zu kontrollieren. Die Anmelder haben diese Hindernisse überwunden
und sind zu der vorliegenden Erfindung gelangt, in Bezug auf die
Amplifikation und/oder Detektion von HIV-1 und HIV-2-Nukleinsäuren.
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In
der vorliegenden Erfindung wurden Primer-Sets für HIV-1 und HIV-2 entwickelt,
welche miteinander kompatibel sind und daher kombiniert werden können, um
einen komplexen Co-Amplifikations-Assay zu bilden, welcher alle
sequenzierten Isolate von HIV-1 und HIV-2 detektieren kann. Mit
den Verfahren der vorliegenden Erfindung sind die Fachleute in der
Lage, sensitiv und spezifisch sowohl HIV-1 als auch HIV-2-Zielnukleinsäuren mit
einem hohen Niveau des Vertrauens zu amplifizieren und zu detektieren.
Diese Amplifikation und diese Detektion können auf eine Multiplex-Weise
und bei Anwesenheit einer internen positiven Kontrolle (IPC) durchgeführt werden,
welche falsch negative Ergebnisse aufgrund von Problemen bei der
Proben-Präparation,
der Amplifikation und/oder der Detektion signalisiert.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Amplifikation
von HIV-1 und/oder HIV-2-Nukleinsäuren. Oligonukleotid-Primer-Sets
wurden identifiziert, welche, wenn sie in verschiedenen Kombinationen
verwendet werden, sensitiv und spezifisch Zielnukleinsäuren von
allen bekannten Isolaten von HIV-1 und/oder HIV-2 amplifizieren.
Um HIV-1-Zielnukleinsäuren gemäß der vorliegenden
Erfindung zu amplifizieren, werden Primer-Sets aus den folgenden
Oligonukleotiden ausgewählt:
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HIV-1
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POL Region-Primer:
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- TCGGGTTTATTACAGGGACAGCAGAGA (SEQ ID NO. 7)
- CTTGTATTACTACTGCCCCTTCACCTTTCCA (SEQ ID NO. 8)
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In
den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird HIV-1-Zielnukleinsäure amplifiziert
durch in Kontakt Bringen einer biologischen Probe, von der angenommen
wird, daß sie
HIV-Nukleinsäuren
enthält,
mit einem Primer-Set, welches mindestens vier Oligonukleotide umfaßt. Primer-Sets,
die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind,
schließen
ein, sind aber nicht limitiert auf
- (a) SEQ
ID NOS.: 1, 3, 7 und 8;
- (b) SEQ ID NOS.: 1, 4, 7 und 8;
- (c) SEQ ID NOS.: 2, 3, 7 und 8 und
- (d) SEQ ID NOS.: 2, 4, 7 und 8.
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Die
vier Oligonukleotide dieser Primer-Sets können allein oder in Kombination
mit anderen HIV-1 oder HIV-2-Primern verwendet werden. Zum Beispiel
könnte
Oligonukleotid SEQ ID NO. 2 in Zusammenhang mit den Primer-Sets
(a) oder (b) oben verwendet werden. Bevorzugte Primer-Sets sind:
- (a) SEQ ID NOS.: 1, 2, 3, 7 und 8;
- (b) SEQ ID NOS.: 1, 2, 4, 7 und 8;
- (c) SEQ ID NOS.: 2, 3, 4, 7 und 8;
- (d) SEQ ID NOS.: 1, 3, 4, 7 und 8 und
- (e) SEQ ID NOS.: 1, 2, 3, 4, 7 und 8.
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Weiter
bevorzugt wird das Primer-Set, welches Oligonukleotide enthält, welche
mit den SEQ ID NOS.: 2, 3, 4, 7 und 8 korrespondieren. Jedes dieser
Primer-Sets kann verwendet werden, um Nukleinsäure von allen bekannten HIV-Subtypen,
einschließlich
Gruppe M und Gruppe O, zu amplifizieren.
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Zusätzlich zu
dem Primer-Set (den Primer-Sets) kann die biologische Probe auch
mit PCR-Reagenzien, wie z.B. vier verschiedenen Nukleosid-Triphosphaten
und einer thermostabilen DNA-Polymerase bei Bedingungen in Kontakt
gebracht werden, unter denen jede HIV-1-Nukleinsäure, die in der Probe anwesend
ist, amplifiziert wird.
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Um
HIV-2-Zielnukleinsäure
gemäß der vorliegenden
Erfindung zu amplifizieren, werden Primer-Sets aus den folgenden
Oligonukleotiden ausgewählt:
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HIV-2
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ENV Region-Primer:
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- CCGGGATAGTGCAGCAACAGCAACA (SEQ ID NO. 11)
- CCCAGACGGTCAGTCGCAACA (SEQ ID NO. 12)
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LTR Region-Primer:
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- GGGAGGTTCTCTCCAGCACTAGCA (SEQ ID NO. 14)
- GAGCCCTGGGAGGTTCTCTCCA (SEQ ID NO. 15)
- GCGACTAGGAGAGATGGGAACACACA (SEQ ID NO. 16)
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POL Region-Primer:
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- TAGACACAGGGGCTGACGACTCAATAGT (SEQ ID NO. 18)
- CACAGGGGCTGACGACTCAATAGTAGCA (SEQ ID NO. 19)
- GCCAAAAATGTTGATTGGGGTATCTCCTGTCATTA (SEQ ID NO. 20)
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In
den Verfahren der vorliegenden Erfindung wird HIV-2-Zielnukleinsäure amplifiziert
durch in Kontakt Bringen einer biologischen Probe, von der angenommen
wird, daß sie
HIV-2-Nukleinsäure
enthält,
mit einem Primer-Set, welches mindestens vier Olignonukleotide umfaßt. Primer-Sets,
welche zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind,
schließen
ein, sind aber nicht limitiert auf
- (a) SEQ
ID NOS.: 11, 12, 14 und 16;
- (b) SEQ ID NOS.: 11, 12, 15, und 16;
- (c) SEQ ID NOS.: 11, 12, 18 und 20;
- (d) SEQ ID NOS.: 11, 12, 19 und 20;
- (e) SEQ ID NOS.: 14, 16, 18 und 20;
- (f) SEQ ID NOS.: 14, 16, 19 und 20;
- (g) SEQ ID NOS.: 15, 16, 18 und 20;
- (h) SEQ ID NOS.: 15, 16, 19 und 20.
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Bevorzugt
wird das Primer-Set, welches Oligonukleotide enthält, die
mit den SEQ ID NOS.: 11, 12, 14 und 16 korrespondieren. Jedes dieser
Primer-Sets kann verwendet werden, um die Nukleinsäure von
allen bekannten HIV-2-Subtypen zu amplifizieren.
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Zusätzlich zu
dem Primer-Set (den Primer-Sets) kann die biologische Probe auch
mit PCR-Reagenzien, wie z.B. vier verschiedenen Nukleosid-Triposphaten
und thermostabiler DNA-Polymerase bei Bedingungen in Kontakt gebracht
werden, unter denen jede HIV-2-Zielnukleinsäure, die
in der Probe vorhanden ist, amplifiziert wird.
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Um
sowohl HIV-1 als auch HIV-2 zu amplifizieren, wird eine biologische
Probe mit einem HIV-1-Primer-Set der vorliegenden Erfindung zusammen
mit einem HIV-2-Primer-Set der vorliegenden Erfindung in Kontakt
gebracht. Bevorzugterweise wird die biologische Probe mit Oligonukleotiden
in Kontakt gebracht, die mit den SEQ ID NOS.: 2, 3, 4, 7, 8, 11,
12, 14 und 16 korrespondieren. Die Verwendung eines solchen Sets von
Primern kann die Ziel nukleinsäure
von allen bekannten HIV-1 und/oder HIV-2-Subtypen, die in der Probe anwesend
sind, amplifizieren.
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Die
Verfahren der vorliegenden Erfindung verwenden in einigen Fällen mehr
als zwei Primer, um die Zielnukleinsäure-Sequenzen zu amplifizieren,
welche eine übliche
Sonden-Region überlappen,
wie z.B. ein Primer-Set, einschließlich SEQ ID NOS.: 2, 3 und
4. Dies maximiert die Stamm-Sensitivität und die Robustheit des Amplifikations-Systems.
Dieses neue Merkmal erhöht
die Stamm-Sensitivität
des Assay-Systems und erlaubt die Kombination von Primern, welche
separate Vorteile aufweisen, wie z.B. höhere Amplifikations-Effizienz
und höhere
Sequenzhomologie unter Isolaten, was in der Tat die Sensitivität und die
Robustheit des Amplifikationssystems erhöht.
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Wenn
das HIV-1 und/oder HIV-2-Ziel unter der Verwendung des Primer-Sets
(der Primer-Sets) der vorliegenden Erfindung amplifiziert ist, kann
die Anwesenheit oder die Abwesenheit des amplifizierten HIV-Ziels unter
der Verwendung bekannter Detektionsverfahren detektiert werden.
Zum Beispiel kann die amplifizierte Zielnukleinsäure unter der Verwendung einer
oder mehrerer Oligonukleotid-Sonden detektiert werden, die für die amplifizierte
HIV-1 oder HIV-2-Zielnukleinsäure
spezifisch sind. Die Fachleute können
leicht Oligonukleotid-Sonden identifizieren, welche geeignet sein
würden,
um die amplifizierte HIV-1 und/oder HIV-2-Zielnukleinsäure in Abhängigkeit
von den verwendeten Primer-Sets zu detektieren. Oligonukleotid-Sonden,
die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind,
schließen
ein, sind aber nicht limitiert auf, die folgenden Oligonukleotide:
-
HIV-1
-
LTR Region-Sonden:
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- CAACAGACGGGCACACACTACT (SEQ ID NO. 5)
- GAACAGATGGGCACACAGTGCT (SEQ ID NO. 6)
-
POL Region-Sonden:
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- AGCTTTGCTGGTCCTTTCCAAAGTGGG (SEQ ID NO. 9)
- AGTTGTGCCGGTCCTTTCCAAATTGGG (SEQ ID NO. 10)
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HIV-2
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POL Region-Sonden:
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- CCAAAAATAGTAGGGGGAATAGGGGGATTC (SEQ ID NO. 21)
- CACCCCAAAAATAGTAGGTGGGATAGGAGGG (SEQ ID NO. 22)
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Bevorzugterweise
werden die amplifizierten HIV-1 und HIV-2-Ziele unter der Verwendung
von Sonden, die mit den SEQ ID NOS.: 5, 6, 9 und 10 korrespondieren,
mit irgendeiner der folgenden Kombinationen: SEQ ID NOS.: 21 und
22 detektiert.
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Die
vorliegende Erfindung verwendet multiple überlappende Sonden, um alle
bekannten Isolate zu detektieren, wenn in Regionen untersucht („probing") wird, welche einen
niedrigen Grad an Sequenz-Konservierung relativ zu den Primer-Regionen
aufweisen. Dies erlaubt, daß Amplifikations-Primer
in Regionen entwickelt werden, welche nicht von einer hoch konservierten
und hoch spezifischen Sonden-Region separiert sind, was typischerweise
für eine
Sequenz-spezifische Detektion des Amplifikationsproduktes erforderlich
ist. In einigen Situation, z.B. mit HIV-1, sind multiple Sonden
erforderlich, um alle bekannten Isolate mit hoher Sensitivität zu detektieren.
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Die
generellen Prinzipien und Bedingungen für die Amplifikation und die
Detektion von Nukleinsäuren unter
der Verwendung von PCR sind sehr gut bekannt, wobei die Details
davon in zahlreichen Referenzen zur Verfügung gestellt werden, einschließlich U.S.
Patent Nrn. 4,683,195 (Mullis et al.), 4,683,202 (Mullis, et al.) und
4,965,188 (Mullis, et al.), welche alle hiermit durch Referenz eingefügt werden.
Daher sollte angesichts der Lehren im Stand der Technik und der
spezifischen hierin zur Verfügung
gestellten Lehren ein Fachmann auf dem Gebiet keine Schwierigkeiten
beim Gebrauch der vorliegenden Erfindung haben, um alle bekannten Subtypen
von HIV-1 und HIV-2 zu detektieren.
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Der
Begriff „biologische
Probe" schließt ein,
ist aber nicht limitiert auf, zelluläres oder virales Material, Haar,
Körperflüssigkeiten
oder zelluläres
Material, enthaltend Nukleinsäuren,
welche detektiert werden können.
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Der
Begriff „Oligonukleotide" bezieht sich auf
ein Molekül,
welches eines oder mehrere Deoxyribonukleotide oder Ribonukleotide
umfaßt,
wie z.B. Primer, Sonden und Nukleinsäure-Fragmente, die detektiert
werden sollen.
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Der
Begriff „Primer" bezieht sich auf
ein Oligonukleotid, welches entweder natürlich vorkommt oder synthetisch
hergestellt wird und welches in der Lage ist, als ein Ausgangspunkt
der Synthese zu agieren, wenn es unter Bedingungen gebracht wird,
unter welchen die Synthese eines Primer-Extensions-Produktes komplementär zu einem
Nukleinsäure-Strang
(das ist die Matrize) induziert wird, wobei solche Bedingungen die
Anwesenheit von anderen PCR-Reagenzien und geeignete Temperatur
und pH-Wert einschließen.
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Der
Primer ist bevorzugterweise einzelsträngig für maximale Effizienz bei der
Amplifikation, kann aber eine Doppelstrang-Region enthalten, wenn
gewünscht.
Er muß lang
genug sein, um die Synthese von Extensions-Produkten bei der Anwesenheit
der DNA-Polymerase zu „primen". Die genaue Größe jedes
Primers wird in Abhängigkeit
der Verwendung, die in Erwägung
gezogen ist, der Konzentration und der Sequenz des Primers, der
Komplexität
der abgezielten Sequenz, der Reaktionstemperatur und der Quelle
des Primers variieren. Im allgemeinen werden die Primer, die in
dieser Erfindung verwendet werden, von 12 bis 60 Nukleotide aufweisen
und bevorzugterweise werden sie von 16 bis 40 Nukleotide aufweisen.
Weiter bevorzugt weist jeder Primer von 18 bis 35 Nukleotide auf.
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Primer,
die hierin nützlich
sind, können
unter der Verwendung bekannter Techniken und Ausrüstung präpariert
werden, einschließlich
zum Beispiel eines ABI DNA-Synthesizers (erhältlich von Applied Biosystems)
oder eines Biosearch 8600 Series oder 8800 Series Synthesizers (erhältlich von
Milligen-Biosearch, Inc.). Verfahren zur Verwendung dieser Ausrüstung sind
bekannt und z.B. in U.S. Patent Nr. 4,965,188 (Gelfand, et al.),
die hierin durch Referenz eingefügt
wird, beschrieben. Natürlich
vorkommende Primer, die aus biologischen Quellen isoliert werden,
können
auch nützlich
sein (z.B. Restriktions-Endonuklease-Verdaue). Ein Set von mindestens zwei
Primern wird im allgemeinen für
jede Zielnukleinsäure
verwendet. Daher kann eine Vielzahl von Sets an Primern simultan
verwendet werden, um eine Vielzahl von Zielnukleinsäuren zu
amplifizieren.
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Wie
hierin verwendet, ist eine „Sonde" ein Oligonukleotid,
welches substantiell komplementär
zu einer Nukleinsäure-Sequenz
der Zielnukleinsäure
ist und welche für
die Detektion oder den Einfang der amplifizierten Zielnukleinsäure verwendet
wird.
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In
der vorliegenden Erfindung werden Sequenz-spezifische Primer und
Sonden zur Verfügung
gestellt. Es wird für
die Fachleute offensichtlich sein, daß zusätzliche Sequenzspezifische
Primer und Sonden z.B. durch die Addition von Nukleotiden entweder
an den 5' oder 3'-Enden präpariert
werden können,
wobei die Nukleotide komplementär
oder nichtkomplementär
zu der Zielsequenz sind. Solche Zusammensetzungen sind im Umfang
dieser Erfindung.
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Die
Primer und/oder die Sonden, die in der vorliegenden Erfindung verwendet
werden, können
optional markiert werden. Unter der Verwendung bekannter Verfahren
des Standes der Technik können
die Primer und/oder Sonden mit einem spezifischen Bindungs-Liganden (z.B. Biotin),
einem Enzym (z.B. Glucoseoxidase, Peroxidasen, Urikase und alkalische
Phosphatase), Radioisotopen, Elektronen-dichten Reagenzien, Chromogenen,
Fluorogenen, phosphoreszierenden Resten oder Ferritin markiert werden.
Bevorzugterweise ist die Markierung ein spezifischer Bindungs-Ligand.
Weiter bevorzugt ist die Markierung Biotin oder ein Derivat davon,
Streptavidin oder ein Derivat davon oder ein Hapten.
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Ein „PCR-Reagenz" bezieht sich auf
irgendeines der Reagenzien, die als essentiell für die PCR angesehen werden,
nämlich
ein Set an Primern für
jede Zielnukleinsäure,
eine DNA-Polymerase,
einen DNA-Poylmerase-Cofaktor und ein oder mehrere Deoxyribonucleosid-5'-triphosphate (dNTP's). Andere optionale Reagenzien und
Materialien, die in der PCR verwendet werden, sind unten beschrieben.
Diese Reagenzien können
individuell, als ein Teil eines Test-Kits oder in Reagenz-Kammern
von Test-Vorrichtungen zur Verfügung gestellt
werden.
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Eine
DNA-Polymerase ist ein Enzym, welche Deoxynucleosid-Monophosphat-Moleküle an das
3'-Hydroxyl-Ende
des Primers in einem Komplex von Primer und Matrize addieren wird,
aber diese Addition findet in einer Matrizen-abhängigen Weise statt. Im allgemeinen
schreitet die Synthese der Extensions-Produkte in der 5' zu 3'-Richtung des neu
synthetisierten Stranges fort, bis die Synthese terminiert wird.
Nützliche
DNA-Polymerasen schließen
z.B. E. coli DNA-Polymerase I, T4 DNA-Polymerase, Klenow-Polymerase,
reverse Transkriptase und andere, die im Stand der Technik bekannt
sind, ein. Bevorzugterweise ist die DNA-Polymerase thermostabil,
was bedeutet, daß sie
gegenüber
Hitze stabil ist und bevorzugt bei höheren Temperaturen aktiv ist,
insbesondere den hohen Temperaturen, die für spezifisches „Priming" und die Extension
von DNA-Strängen
verwendet werden. Weiter bevorzugt sind thermostabile DNA-Polymerasen
nicht substantiell inaktiv bei den hohen Temperaturen, die bei den
Polymerase-Kettenreaktionen verwendet werden, wie hierin beschrieben.
Solche Temperaturen werden in Abhängigkeit von einer Reihe von
Reaktionsbedingungen variieren, einschließlich pH-Wert, Nukleotid-Zusammensetzung,
Länge der
Primer, Salzkonzentration und anderen Bedingungen, die im Stand
der Technik bekannt sind.
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Eine
Zahl von thermostabilen DNA-Polymerasen sind im Stand der Technik
berichtet worden, einschließlich
denjenigen, die im Detail im U.S. Patent Nrn. 4,965,188 (Gelfand
et al.) und 4,889,818 (Gelfand et al.), welche beide hierin durch
Referenz eingefügt
werden, aufgeführt
sind. Insbesondere nützliche
Polymerasen sind diejenigen, die von zahlreichen bakteriellen Thermus-Spezies
erhalten werden, wie z.B. Thermus aquaticus, Thermus thermophilus,
Thermus filiformis und Thermus flavus. Andere nützliche thermostabile Polymerasen
werden von zahlreichen mikrobiellen Quellen erhalten, einschließlich Thermococcus
literalis, Pyrococcus furiosus, Thermotoga sp. und denjenigen, die
in WO-A-89/06691 (veröffentlicht
am 27. Juli 1989) beschrieben werden. Einige nützliche thermostabile Polymerasen
sind kommerziell erhältlich,
wie z.B. AmpliTaq®, Tth und UlTma® von
Perkin Elmer, Pfu von Stratagene und Vent und Deep-Vent von New
England Biolabs. Eine Reihe von Techniken sind auch für die Isolierung
natürlich
kommender Polymerasen aus Organismen und für die Produktion gentechnisch
manipulierter Enzyme unter der Verwendung rekombinanter Techniken
bekannt.
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Ein
DNA-Polymerase-Cofaktor bezieht sich auf eine Nicht-Protein-Verbindung,
von welcher das Enzym in Bezug auf seine Aktivität abhängig ist. Daher ist das Enzym
ohne die Anwesenheit des Cofaktors katalytisch inaktiv. Eine Reihe
von Materialien sind bekannte Cofaktoren, einschließlich, aber
nicht limitiert auf, Mangan- und Magnesium-Salze, wie z.B. Chloride,
Sulfate, Acetate und Salze von Fettsäuren. Magnesium-Chloride und
Sulfate werden bevorzugt.
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Für die PCR
werden außerdem
zwei oder mehrere Deoxyribonukleosid-5'-triphosphate
benötigt,
wie z.B. zwei oder mehrere dATP, dCTP, dGTP, dTTP und dUTP. Analoga,
wie z.B. dITP und 7-Deaza-dGTP, sind ebenso nützlich. Bevorzugterweise werden
die vier üblichen
Triphosphate (dATP, dCTP, dGTP und dTTP) zusammen verwendet.
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Die
PCR-Reagenzien, die hierin beschrieben werden, werden in der PCR
in geeigneten Konzentrationen zur Verfügung gestellt und verwendet,
um die Amplifikation der Zielnukleinsäure zur Verfügung zu
stellen. Die minimalen Mengen an Primern, DNA-Polymerase, Cofaktoren
und Deoxyribonucleosid-5'-triphosphaten, welche
für die
Amplifikation benötigt
werden, und geeignete Bereiche von jedem sind im Stand der Technik bekannt.
Die minimale Menge der DNA-Polymerase ist im allgemeinen mindestens
ungefähr
0,5 Einheiten/100 μl
Lösung,
wobei von ungefähr
2 bis ungefähr
25 Einheiten/100 μl
Lösung
bevorzugt werden und wovon von ungefähr 7 bis ungefähr 20 Einheiten/100 μl Lösung weiter
bevorzugt werden. Andere Mengen sind nützlich für gegebene Amplifikations-Systeme.
Eine „Einheit" ist hierin definiert
als die Menge an Enzym-Aktivität,
die benötigt
wird, um 10 nmol der Gesamt-Nukleotide (dNTP's) in eine erweiternde Nukleinsäure-Kette
in 30 Minuten bei 74°C
einzufügen.
Die minimale Menge jedes Primers, der bei der Amplifikation verwendet
wird, ist mindestens ungefähr
0,075 μM,
wobei von ungefähr
0,1 bis ungefähr
2 μM bevorzugt
werden, aber andere Mengen sind im Stand der Technik bekannt. Der
Cofaktor ist im allgemeinen in einer Menge von ungefähr 2 bis
ungefähr
15 mM anwesend. Die Menge jedes dNTP ist im allgemeinen von ungefähr 0,25
bis ungefähr
3,5 mM.
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Die
PCR-Reagenzien können
individuell oder in zahlreichen Kombinationen oder alle in einer
gepufferten Lösung,
die einen pH-Wert im Bereich von ungefähr pH 7 bis ungefährpH 9 aufweist,
unter der Verwendung irgendeines geeigneten Puffers, wovon viele
im Stand der Technik bekannt sind, bereit gestellt werden.
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Andere
Reagenzien, die in der PCR verwendet werden können, schließen z.B.
Antikörper,
die spezifisch für
die thermostabile DNA-Polymerase sind, ein. Antikörper können verwendet
werden, um die Polymerase vor der Amplifikation zu inhibieren. Antikörper, die
in der vorliegenden Erfindung nützlich
sind, sind spezifisch für
die thermostabile DNA-Polymerase,
inhibieren die enzymatische Aktivität der DNA-Polymerase bei Temperaturen
unterhalb von ungefähr
50°C und
werden bei höheren
Temperaturen deaktiviert. Nützliche
Antikörper
schließen
monoklonale Antikörper,
polyklonale Antikörper
und Antikörper-Fragmente ein. Bevorzugterweise
ist der Antikörper
monoklonal. Die Antikörper,
die in der vorliegenden Erfindung nützlich sind, können unter
der Verwendung von Methoden präpariert
werden, wie z.B. denjenigen, die in Harlow et al. Antibodies: A
Laboratory Manual, Cold Spring Harbor, NY (1988), beschrieben werden.
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Repräsentative
monoklonale Antikörper
werden in U.S. Patent Nr. 5,338,671 (Scalice et al.), dessen Inhalte
hierin durch Referenz eingefügt
werden, beschrieben. Zwei solcher monoklonaler Antikörper werden leicht
durch einen Fachmann unter der Verwendung konventioneller Prozeduren
und Ausgangsmaterialien erhalten, einschließlich entweder aus Hybridoma-Zellinien
HB 11126 oder 11127, hinterlegt bei der American Type Culture Collection
(ATCC) (Rockville, MD). Der monoklonale Antikörper ist in einer Menge von
ungefähr 5:1
bis ungefähr
500:1 molares Verhältnis
zu der DNA-Polymerase anwesend.
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Die
amplifizierten Nukleinsäuren
können
auf eine Reihe von bekannten Wegen detektiert werden, wie z.B. denjenigen,
die in U.S. Patent Nr. 4,965,188 (Gelfand et al.) beschrieben werden.
Zum Beispiel können die
amplifizierten Nukleinsäuren
unter der Verwendung von Southern Blotting, Dot Blot-Techniken oder nicht-isotopischer
Oligonukleotid-Einfang-Detektion
mit einer markierten Sonde detektiert werden. Alternativ dazu kam
die Amplifikation unter der Verwendung von Primern durchgeführt werden,
welche auf geeignete Weise markiert sind, und die amplifizierten
Primer-Extensions-Produkte können
unter der Verwendung von Verfahren und Ausrüstung für die Detektion der Markierung
detektiert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird die amplifizierte Zielnukleinsäure unter der Verwendung einer
Oligonukleotid-Sonde detektiert, welche für die Detektion markiert ist
und direkt oder indirekt mit dem amplifizierten Ziel hybridisiert
werden kann. Die Sonde kann löslich
sein oder an einen festen Träger
angehängt sein.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist einer oder mehrere
der Primer, die für
die Amplifikation der Zielnukleinsäure verwendet wird/werden,
markiert, z.B. mit einem spezifischen Bindungs-Rest. Das resultierende
Primer-Extensions-Produkt, in welches der markierte Primer eingefügt wurde,
kann mit einer Sonde eingefangen werden. Die Detektion des amplifizierten
Zieles, das an die Sonde hybridisiert ist, kann durch die Detektion
der Anwesenheit der markierten Sonde oder des markierten amplifizierten
Zieles erreicht werden, und zwar unter der Verwendung geeig neter
Detektions-Ausrüstung
und Verfahren, welche im Stand der Technik bekannt sind. Bestimmte
Markierungen können
ohne die Verwendung von Detektions-Ausrüstung mit dem Auge sichtbar
sein.
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In
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
ist einer oder mehrere der Primer, die für die Amplifikation der Zielnukleinsäure verwendet
wird/werden, mit Biotin markiert und die biotinylierten amplifizierten
Zielnukleinsäuren
werden mit Sonden hybridisiert, die an einen festen Träger angehängt sind.
Die gebundenen Ziele werden dann detektiert, indem sie mit einem
Streptavidin-Peroxidase-Konjugat bei Anwesenheit eines Oxidationsmittels,
wie z.B. Wasserstoffperoxid, und einer geeigneten Farbstoff-Bildungs-Zusammensetzung
in Kontakt gebracht werden. Zum Beispiel schließen geeignete Farbstoff-bereitstellende
Reagenzien Tetramethylbenzidin und Derivate davon und Leuco-Farbstoffe,
wie z.B. Triarylimidazol-Leuco-Farbstoffe,
wie beschrieben in U.S. Patent Nr. 4,089,747 (Bruschi), ein.
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Wie
hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „ungefähr", wenn er in Bezug auf die Zeit verwendet wird,
auf +/– 10%
dieses Zeitlimits. Wenn der Begriff „ungefähr" in Bezug auf Temperaturen verwendet
wird, bezieht er sich auf +/– 5°C.
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Die
folgenden Beispiele werden zur Illustration bestimmter Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellt und sollen nicht
als Einschränkung
der Erfindung verstanden werden.
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Beispiele
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Materialien und Methoden:
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Rekombinante
DNA-Polymerase von Thermus aquaticus wurde unter der Verwendung
bekannter Prozeduren präpariert,
wie z.B. der in EP-A-0 482 714 beschriebenen, und hatte eine Aktivität von ungefähr 250.000
Einheiten/mg Protein.
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Die
Primer und Sonden, die in den folgenden Beispielen verwendet werden,
wurden präpariert
unter der Verwendung bekannter Ausgangsmaterialien und Prozeduren
unter der Verwendung eines Applied Biosystems Model 380B, 3-Säulen-DNA-Synthesizers
unter der Verwendung von Standard-Phosphoramidit-Chemie und dem
ABI 1 μM
Maßstab,
schnell-Zyklus-Protokoll
(„ABI
1 μmolar
scale, fast cycle protocol").
Nukleosid-3-Phosphoramidite und Nukleosid-derivatisierte, kontrollierte
Poren-Glas-Träger
wurden von Applied Biosystems erhalten. Die Primer hatten die oben
identifizierten Sequenzen. Sie wurden am 5'-Ende mit zwei Aminotetraethylenglycol-Abstandsgruppen
funktionalisiert, gemäß U.S. Patent
4,962,029, gefolgt von einem einzelnen kommerziell erhältlichen
DuPont Biotin- Phosphoramidit.
Die Sonden wurden am 3'-Ende
mit zwei Tetraethylenglycol-Abstandsgruppen
funktionalisiert, gefolgt von einer einzelnen Aminodiol-Verbindungsgruppe, gemäß U.S. Patent
Nr. 4,914,210. Alle Reinigungen wurden unter der Verwendung einer
Nukleinsäure-Reinigungssäule durchgeführt. Deoxyribonucleotide
(dNTP's) wurden
von Sigma Chemical Co. erhalten.
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In
einigen Experimenten wurden Phosphorthioat-Primer verwendet. Phosphorothioat-Primer, welche Phosphorothioat-Verbindungen
in den letzten und vorletzten Positionen relativ zu der 3'-Hydroxylgruppe aufweisen,
wurden durch H-Phosphat-Chemie gemäß der Methode nach U.S. Patent
Nr. 5,003,087 präpariert, ebenso
beschrieben im technischen Bulletin, welches Katalog Nr. 40-4036-xx,
Glen Research, Sterling, Virginia, beilag.
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Eine
Streptavidin-Peroxidase-Konjugat-Lösung wurde verwendet, welche
ein kommerziell erhältliches (Sigma
Chemical Co.) Konjugat aus Streptavidin und Meerrettich-Peroxidase, Casein
(0,5%) und Merthiolat (0,5%) in einer Phosphat-gepufferten Saline-Lösung (24 mM Natriumphosphat
und 75 mM Natriumchlorid) umfaßt.
10 mM 4'-Hydroxyacetanilid
wurde als ein Konjugat-Stabilisator addiert.
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Das
interne positive Kontroll (IPC)-Ziel wurde wie folgt präpariert.
Die IPC-Sequenz wurde als ein einzelsträngiges synthetisches Target
durch Phosphoramidit-Oligonukleotid-Synthese generiert. Es wurde dann mit
Oligonukleotid-Primern, die 5'-Restriktionsstellen
enthalten, amplifiziert und direktional in den pBluescript II KS(–) Plasmid-Vektor
kloniert. Kulturen im großen
Maßstab
von Plasmid-enthaltendem E. coli wurden unter Ampicillin-Selektion gewachsen,
wie zuvor beschrieben (Sambrook et al. Molecular Cloning: A Laboratory
Manual. Cold Harbour Press 1989). Plasmid-DNA wurde nachfolgend
an Qiagen-Säulen
unter der Verwendung der geeigneten Reagenzien des Lieferanten und
unter Befolgung des Verfahrens des Lieferanten gereinigt. Das resultierende
gereinigte Plasmid wurde in TE-Puffer
(10 mM Tris pH 8,0, 1 mM EDTA pH 8,0) resuspendiert und die Konzentration
wurde spektrophotometrisch bestimmt (Sambrook et al., 1989). Das
Plasmid wurde nachfolgend mit dem Restriktionsenzym ScaI verdaut,
um das Plasmid zu linearisieren, während eine intakte Zielsequenz
aufrecht erhalten wird. Serielle Verdünnungen von allen Zielen wurden
in TE-Puffer mit
10 mg/ml Ultraschall-behandelter Kalb-Thymus-DNA (Sigma) durchgeführt.
-
Die
Leuco-Farbstoff-Dispersion enthielt Agarose (0,5%), 4,5-bis-(4-Dimethylaminophenyl)-2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-imidazol-Leucofarbstoff
(250 μM),
Diethylentriaminpentaessigsäure
(100 μM), 3'-Chlor-4'-hydroxyacetanilid
(5 mM), Polyvenylpyrrolidon (112 mM) und Natriumphosphat, monobasisch, 1-Hydrat
(10 mM) und Wasserstoffperoxyd (H2O2) (8,82 mM).
-
Die
Wasch-Lösung
(pH 7,4) enthielt Natriumchlorid (373 mM), (Ethylendinitri-lo)tetraessigsäure-Dinatriumsalz
(2,5 mM), Decylnatriumsulfat (38 mM) und Ethylcerithiosalicylsäure, Natriumsalz
(25 μM)
in Natriumphosphat, monobasisch 1-Hydrat-Puffer (25 mM).
-
Die
Polymerase-Kettenreaktions-Mischung (75 μl) enthielt Tris(Hydroxymethyl)aminomethan-Puffer (10–18 mM,
pH 8), EDTA (0–0,75
mM), Kaliumchlorid (50 mM), Magnesiumchlorid (4 mM), dATP, dCTP,
dGTP und dTTP (jeweils 0,3 mM), die angegebenen Primer (jeweils
0,4 μM,
wenn nicht anderweitig angegeben), Typ IV Gelatine (100 mg/ml),
Taq-Polymerase (16 Einheiten/100 μl)
und Glycerol (9,5%). Ein 50-facher
molarer Überschuß (über die
Polymerase) von TP1-12.2 und ein fünffacher Überschuß von TP4-9.2 wurden verwendet.
-
Um
Einfang-Reagenzien zu bilden, wurden die Sonden kovalent an polymerische
Partikel (1 μm
durchschnittlicher Durchmesser) angehängt, präpariert unter der Verwendung
konventioneller Emulsions-Polymerisations-Techniken, aus Poly[styrol-co-3-(p-vinylbenzylthio)propionsäure] (95:5
bis 98:2 Gewichts-Verhältnis,
1 μm durchschnittlicher
Durchmesser). Eine Suspension der Partikel in Wasser wurde mit 2-(N-Morpholino)ethansulfonsäure-Puffer
(0,1 M, pH 6) gewaschen und suspendiert auf ungefähr 10% Feststoffe.
Eine Probe (3,3 ml) der gewaschenen Partikel, verdünnt auf
3,33% Feststoffe in dem Puffer (0,1 M) wurde gemischt mit 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimidhydrochlorid
(2,1 ml von 84 mg/ml Wasser) und der Sonde (983 μl von 44,44 OD/ml nanoreines
Wasser). Die resultierende Suspension wurde auf 50°C in einem
Wasserbad für
ungefähr
2 Stunden mit intermitterendem Mischen erhitzt und zentrifugiert.
Die Partikel wurden dann dreimal mit Tris(hydroxymethyl)aminomethan-Puffer
(0,01 M, pH 8), enthaltend (Ethylendinitrilo)tetraessigsäuredinatriumsalz
(0,0001 M) gewaschen und darin auf 4% Feststoffe resuspendiert.
-
Nach
der Verdünnung
auf 0,25% Feststoffe mit Puffer wurden die Einfang-Reagenzien (1–2 μl) auf definierte
Regionen der mikroporösen
Membran (LOPRODYNETM Polamid-Membran, 1,2 μm durchschnittliche Porengröße von Pall
Corp.) in den Test-Wells von SURECELLTM wegwerfbaren
Test-Vorrichtungen (erhältlich von
Johnson & Johnson
Clinical Diagnostics, Inc.), welche im Detail in U.S.-A-4948,561
(Hinckley et al.) beschrieben werden, aufgetragen und getrocknet.
-
Andere
Reagenzien und Materialien wurden entweder von kommerziellen Quellen
erhalten oder unter der Verwendung von leicht erhältlichen
Ausgangsmaterialien und üblichen
Prozeduren präpariert.
-
Experimente:
-
Primer-Selektion:
-
Die
Anmelder begannen die Entwicklung ihres PCR-Amplifikations-Systems
für HIV-1 und HIV-2 durch die
Identifikation hoch konservierter Sequenz-Regionen von HIV-1. Primer
wurden für
konservierte Regionen entwickelt, unter der Verwendung der folgenden
Kriterien: (1) Produkt-Längen
konnten nicht 200 Nukleotide überschreiten,
weil kleinere Produkte mit höherer
Effizienz amplifizieren und weniger sensitiv gegenüber Reduktionen
der effektiven Polymerase-Konzentration, Anlagerungs-/Extensions-Zeit
oder durchschnittlicher Größe von präpariertem
Probenmaterial sind, (2) Primer-Sets müssen eine funktionelle Sonden-Region zwischen sich
aufweisen für
die spezifische Detektion des amplifizierten Produktes, (3) Fehlanpassungen
(„miss matches") nahe des 3'-Endes des Primers
würden
weit weniger bevorzugt werden als Fehlanpassungen nahe des 5'-Endes und (4) die
Primer müßten etablierte
Kriterien für
Primer-Entwicklung in Bezug auf die 3'-End-Stabilität, die Länge, den GC-Gehalt und Interaktionen mit anderen
potentiellen Primern und Sonden bestehen müssen.
-
Am
Anfang wurden die folgenden 11 Primer für die Testung selektiert:
-
Viele
dieser Primer sind identisch zu einem oder zwei der anderen Primer,
außer
für die
Sequenzen am 5'-Ende
des Primers, am 3'-Ende
des Primers oder an beiden. SEQ ID NOS. 1 und 23 repräsentieren
eine Vorwärts-Primer-Region
der LTR-Region des HIV-1-Genoms,
während
SEQ ID NOS. 24 und 2 eine andere LTR-Vorwärts-Primer-Region repräsentieren.
SEQ ID NOS. 25, 3 und 26 repräsentieren
eine LTR-Rückwärts-Primer-Region,
während
SEQ ID NO. 4 eine zweite Region repräsentiert. SEQ ID NO. 7 war
der alleinige Vorwärts-Primer,
welcher für
die POL-Region des HIV-Genoms entwickelt wurde, während SEQ
ID NOS. 27 und 8 die Rückwärts-Primer
sind, welche in der Lage sein sollten, SEQ ID NO. 7 zu komplementieren.
-
Diese
Primer wurden getestet durch Amplifikation von entweder 0 oder 15
Kopien von HIV-1-Ziel pro 75 ml Reaktion mittels PCR für 40 Zyklen
an dem PE9600 Thermocycler, gefolgt durch Detektion mittels Gel-Elektrophorese.
HIV-1-Ziel-DNA wurde wie folgt präpariert, 8E5-Zellen (Folks
T.M., et al. J. Exp. Med. 164:280, 1986), welche eine einzelne Kopie
eines Polymerase-defizienten HIV-Genoms enthalten, welche in das
Wirts-Chromosom eingefügt
ist, wurden in 90% RPMI-Medium mit 10% fötalem bovinem Serum propagiert.
DNA wurde aus 2,5 × 109 Zellen/l Liter Kultur mittels typischem
SDS, Proteinase-K-Verdau gefolgt von Phenol/Chloroform-Extraktion
und Ethanol-Präzipitation
präpariert.
Der resultierende Extrakt wurde über
Cesiumchlorid in Banden aufgelöst,
dialysiert, extrahiert, mit Ethanol präzipitiert und in 10 mM Tris/l
mM EDTA (pH 8,0) resuspendiert für
die Analyse. Der DNA-Gehalt wurde durch die Messung der optischen
Dichte bei A260 berechnet. Alle Reaktionen
wurden, wie oben beschrieben, ausgeführt, außer das 3 mg Kalb-Thymus-DNA
pro 75 μl
Reaktion addiert wurden. Zweifache Reaktionen würden für jede der 16 möglichen LTR-Kombinationen und
der zwei möglichen
POL-Kombinationen durchgeführt.
Die Gel-Ergebnisse
sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Kontroll-Reaktionen, die kein HIV-1-Ziel
enthielten, demonstrierten eine sichtbare Nebenprodukt-Bande für die Kombination
SEQ ID NOS. 23/4 mit einer Anlagerungs-/Extensions-Temperatur von 68°C, was diese
Kombination zu einem weniger bevorzugten Primer-Set macht. Abgesehen
von diesem Nebenprodukt wurden im wesentlichen keine sichtbaren
Nebenprodukte bei einer der Anlagerungs-/Extensions-Temperaturen beobachtet.
-
Die
ausgewählten
Primer wurden weiterhin in Bezug auf die Intensität der Gel-Bande
bei beiden Anlagerungs-/Extensions-Temperaturen verglichen. Es gab
geringe Unterschiede in der Intensität der Gel-Bande zwischen den
Kombinationen, die SEQ ID NOS. 1 oder 23 enthalten, SEQ ID NOS.
24 und 2 arbeiteten äquivalent
zueinander, wenn sie mit verschiedenen Rückwärts-Primern kombiniert wurden.
Von den drei überlappenden
Rückwärts-Primern übertrafen
SEQ ID NOS. 3 und 26 SEQ ID NO. 25, insbesondere bei den Anlagerungs/Extensions-Temperaturen
von 70°C.
Alle die Kombinationen, welche SEQ ID NO. 4 einschlossen, amplifizierten
gut bei beiden Anlagerungs-/Extensions-Temperaturen. SEQ ID NO.
27 arbeitete sehr schwach im Vergleich zu SEQ ID NO. 8 (beide in
Kombination mit SEQ ID NO. 1); daher wurden keine weiteren Testungen mit
SEQ ID NO. 27 durchgeführt. Tabelle
1 – Screening
von potentiellen HIV-1-Primer-Sets
- Intensität der Gelbande: ++ > + > W+ > W > W- > (–)
-
Das
nächste
Experiment war eine Co-Amplifikations-Reaktion des Primer-Sets SEQ
ID NOS. 7/8 individuell mit allen möglichen LTR-Primer-Sets. Diese
Co-Amplifikation wurde bei Anwesenheit einer internen positiven
Kontrolle (IPC) durchgeführt.
Die Amplifikation wurde durchgeführt
unter der Verwendung eines Johnson & Johnson Clinical Diagnostics' PCR-Analysators,
eines automatisierten PCR-Prozessors, beschrieben in U.S. Patent
Nr. 5,089,233. Das HIV-Ziel wurde während 40 Zyklen unter der Verwendung
von drei verschiedenen thermalen Profilen amplifiziert:
- (1) 95°C
Denaturierung für
15 Sekunden und 68°C
Anlagerung/Extension für
30 Sekunden;
- (2) 95°C
Denaturierung für
15 Sekunden und 66°C
Anlagerung/Extension für
30 Sekunden und
- (3) 96°C
Denaturierung für
5 Sekunden und 68°C
Anlagerung/Extension für
40 Sekunden.
-
Das
amplifizierte Produkt wurde detektiert, wie oben beschrieben.
-
Das
Profil 1 wurde als die Bedingung des Standes der Technik angesehen,
das zweite Profil wurde verwendet, um zu bestimmen; welche Primer-Kombinationen
anfällig
für die
Bildung von Nebenprodukt waren und das dritte Profil war ein Versuch,
die Amplifikation robuster zu machen (durch Erhöhen der Anlagerungs-/Extensionszeit)
ohne Erhöhung
der gesamten Zyklus-Zeit. Alle Reaktionen wurden mit 10 Kopien von jeweils
HIV- und IPC-Zielen
pro 75 μl
Reaktion durchgeführt.
-
Die
Amplifikation war robuster mit dem dritten Amplifikations-Profil,
insbesondere mit Primer-Sets, welche längere (> 150 Nukleotide) Produkte generieren.
Die Resultate demonstrieren auch, daß SEQ ID NOS. 23, 24 und 4
alle eine Neigung haben, Nebenprodukte zu bilden. Daher wurden SEQ
ID NOS. 23 und 24 fallen gelassen. Weitere Experimente wurden mit
SEQ ID NOS. 1, 2 und 3 durchgeführt.
-
Als
nächstes
wurde die absolute Sensitivität
von zwei HIV-1-Co-Amplifikations-Systemen
(SEQ ID NOS. 1/3 oder 2/3 co-amplifiziert mit SEQ ID NOS. 7/8) getestet.
Die Reaktionen wurden für
40 oder 45 Zyklen (96°C
5 Sekunden; 68°C
40 Sekunden entweder plus oder minus dem IPC-Ziel und Primern.)
durchgeführt. Die
Level des HIV-Ziels von 10; 5; 2,5; 1; 0,5 und 0 wurden zweifach
für alle
getesteten Bedingungen durchgeführt.
-
Während das
System, welches SEQ ID NOS. 2/3 enthielt, weniger Nebenprodukte
während
der Amplifikation (insbesondere bei 45 Zyklen) bildete, erschienen
beide Systeme in der Lage, konsistent so wenig wie 2,5 Kopien des
HIV-1-Targets zu detektieren. Bei Anwesenheit von IPC amplifizierten
die SEQ ID NOS. 1/3 Co-Amplifikationssysteme eines oder beide der
HIV-Produkte in zwei von vier Replikaten bei einer Kopie und eines
von vier Replikaten bei 0,5 Kopien. Unter den selben Bedingungen
amplifizierten die SEQ ID NOS. 2/3 Co-Amplifikations-Systeme eines
oder beide der HIV-Produkte in drei von vier Replikaten bei einer
Kopie und vier von vier Replikaten bei 0,5 Kopien. Alle Kontroll-Reaktionen,
die keine Zielsequenzen enthielten und in diesem Experiment durchgeführt wurden,
waren visuell negativ.
-
HIV-2-Primer
wurden für
die Testing selektiert, in dem denselben Kriterien, die für HIV-1
aufgeführt wurden,
gefolgt wurde. Ein zusätzliches
Kriterium, welches bei der Entwicklung der HIV-2-Primer beachtet
wurde, war die Minimierung von potentiellen Interaktionen mit Kandidaten-Primern
für sowohl
HIV-1 als auch HIV-2. Das anfängliche
Set von HIV-2-Primern, die getestet wurden, ist unten aufgelistet:
-
Um
HIV-2-DNA herzustellen, wurden 10E8-Zellen, die mit HIV-2 Stamm-Hut78
NIH-Z infiziert waren, mit SDS und Proteinase K behandelt, gefolgt
von Phenol/Chloroform-Extraktion
und Ethanol-Präzipitation,
das resultierende Extrakt wurde in 10 mM Tris/l mM EDTA pH 8,0 resuspendiert,
für die
Analyse.
-
Individuelle
HIV-2-Primer wurden auf die Fähigkeit,
Nebenprodukte mit HIV-1-Primern
SEQ ID NOS. 1, 2, 3, 26, 4, 7 und 8 durchsucht, bei zwei separaten
Amplifikations-Profilen:
- (1) 40 Zyklen mit einer Anlagerungs-/Extensions-Temperatur
von 68°C
und
- (2) 5 Zyklen mit einer Anlagerungs-/Extensions-Temperatur von
62°C, gefolgt
von 35 Zyklen mit einer Anlagerungs-/Extensions-Temperatur von 68°C.
-
Das
zweite Profil wurde für
die Testung ausgewählt
um zu bestimmen, welche Primer-Sets
die Bildung von Nebenprodukten unter Bedingungen minimieren könnten, welche
die Effekte von Ziel-Fehlanpassungen minimieren. Jeder Primer, welcher
starke Nebenprodukte mit SEQ ID NOS. 7 und 8 unter der Verwendung
von Bedingung 1 bildete, wurde sofort verworfen, weil diese Primer
für den
Co-Amplifikations-Assay minimal erforderlich sind. Die einzigen
zwei Primer, welche aufgrund dieses Kriteriums verworfen wurden,
waren SEQ ID NOS. 30 und 31. Der Rest der Primer wurde basierend
auf einer Vielfalt von Kriterien eingegrenzt. SEQ ID NOS. 20 wurde über SEQ
ID NO. 34 aufgrund eines viel geringeren Levels an Nebenprodukten
ausgewählt, welche
durch SEQ ID NO. 20 mit HIV-Primern gebildet werden. SEQ ID NOS.
11 und 12 wurden über
SEQ ID NOS. 28 und 29 ausgewählt,
weil die ersteren weniger Nebenprodukte produzierten und außerdem die
etablierten Kriterien besser erfüllten.
SEQ ID NOS. 32 und 33 wurden aufgrund relativ schwacher Amplifikation
mit entweder SEQ ID NOS. 20 oder 34 unter Amplifikations-Bedingung
2 fallen gelassen. Die verbleibenden HIV-2-Primer-Sets (SEQ ID NOS.
11/12, 14/16, 15/16, 18/20 und 19/20) am plifizierten alle extrem
gut und ergaben sehr sichtbare Gelbanden bei 10 Kopien des HIV-2-Targets pro Reaktion
in einem System, welches die folgenden Primer enthält: SEQ
ID NOS. 2, 3, 7 und 8 (jeweils 0,4 μm), IPC-F1 (0,2 μm) und IPC-R1
(0,2 μm). Es
gab sehr wenig Bildung von Nebenprodukt bei allen diesen Amplifikations-Systemen,
wenn Amplifikations-Bedingung
1 von oben verwendet wurde. Es gab signifikante Bildung an Nebenprodukt,
wenn Amplifikations-Bedingung 2 verwendet wird, aber die spezifischen
Produkte sind immer noch sehr sichtbar auf einem Gel.
-
Sondenselektion:
-
Beim
Umgang mit hoch divergenten Genomen, wie z.B. HIV-1 und HIV-2, ist
es oftmals schwierig, drei Regionen zu identifizieren, die konserviert
genug sind, um die Amplifikation jeder Region mit zwei Primern und die
Detektion jeder Region mit einer einzelnen Oligonukleotid-Sonde
zu erlauben. In Systemen, in welchen die Produkt-Länge minimiert
werden muß,
ist dieses Problem bis zu einem Punkt erschwert, der die Aufgabe
unmöglich
macht, wenn nicht die Stringenz der Sondierung („probing") bis zu einem Punkt reduziert wird,
bei welchem die Spezifität
der Sonde beeinträchtigt
werden kann. Um dieses Problem zu vermeiden, haben die Anmelder
ein System entwickelt, in welchem multiple Sonden verwendet werden,
um die Detektion aller bekannten Sequenz-Varianten ohne Beeinträchtigung
der Assay-Spezifität
zu erlauben.
-
Um
das Produkt, das von SEQ ID NOS. 2 und 3 gebildet wird, zu sondieren,
muß eine
Sonde in eine Region, die nur 34 Nukleotide lang ist, passen. Die
am meisten konservierte Sequenz in dieser Region ist die Sequenz
der Sonde SEQ ID NO. 5.
- Sonde: CAACAGACGGGCACACACTACT (SEQ
ID NO. 5)
-
Diese
Sequenz ist bei der Mehrheit der HIV-1-Isolate hoch konserviert,
mit einer oder weniger Nukleotid-Differenz zwischen der Sonde und
dieser Region der Sequenz in den Isolaten; jedoch gibt es mehrere
divergente Sequenzen, welche zwei bis fünf Mutationen in dieser Region
aufweisen. Um die Fähigkeit
zu maximieren, Sequenzen in der Zukunft zu detektieren, welche weiter
von diesen Sequenzen divergiert sind, wurde eine zusätzliche
Sonde entwickelt, SEQ ID NO. 6.
- Sonde: GAACAGATGGGCACACACTGCT
(SEQ ID NO. 6)
-
Im
Fall von HIV-1-POL wurden beide Sonden, die verwendet wurden, modifiziert,
um die höchste
Zahl und Schwierigkeit ("severity") der begegneten
Mutationen zu minimieren und um die Stärke der Bindungen, die sich
bilden, zu maximieren. Indem dies durchgeführt wurde, sind beide entwickelten
Sonden nicht identisch zu irgendeiner der bekannten Isolat-Sequenzen. Durch
die Verwendung von zwei Sonden wurde die maximale Anzahl von angetroffenen
Mutationen mit irgendeinem der bekannten Isolate von fünf auf drei
reduziert. Zusätzlich
sind die meisten der verbleibenden Mutationen nahe eines der Enden
der Sonde positioniert, wobei ihr Effekt auf die Hybridisierung
reduziert wird. Die Sequenzen der HIV-1-POL-Sonden sind unten gezeigt:
- AGCTTTGCTGGTCCTTTCCAAAGTGGG
(SEQ ID NO. 9)
- AGTTGTGCCGGTCCTTTCCAAATTGGG (SEQ ID NO. 10)
-
Die
oben genannte beschriebene Situation ist ähnlich für die Sequenzen, die in dem
HIV-2-POL-System selektiert werden, in welchem zwei Sonden verwendet
wurden. Jedoch ist diese Situation etwas verschieden, weil die Regionen,
die zu den zwei Sonden komplementär sind, überlappen, aber nicht identisch
in der Position sind. Das ist so aufgrund des Faktes, daß die Sequenz
divergent genug ist zwischen den zwei Subtypen von HIV-2, so daß man die
Position der Sonde modifizieren muß, um die benötigte thermische
Stabilität jeder
Sonde zu erreichen. Mit diesen zwei Sonden haben alle bekannten
HIV-2-Sequenzen nicht mehr als 2 Nukleotide Differenz relativ zu
deren Subtyp-spezifischer HIV-2-Sonde. Die zwei HIV-2-POL-Sonden-Sequenzen
sind unten gezeigt.
- CCAAAAATAGTAGGGGGAATAGGGGGATTC (SEQ
ID NO. 21)
- CACCCCAAAAATAGTAGGTGGGATAGGAGGG (SEQ ID NO. 22)
-
Das
Co-Amplifikations-System, das oben beschrieben wurde, wurde für HIV-1
und HIV-2-Proben getestet. Die verwendeten Detektions-Sonden für die colorimetrische
Detektion waren wie folgt:
-
HIV-1 LTR-Produkte:
-
- CAACAGACGGGCACACACTACT (SEQ ID NO. 5)
- GAACAGATGGGCACACACTGCT (SEQ ID NO. 6)
-
HIV-1 POL-Produkte:
-
- 5'-AGCTTTGCTGGTCCTTTCCAAAGTGGG
(SEQ ID NO. 9)
- 5'-AGTTGTGCCGGTCCTTTCCAAATTGGG
(SEQ ID NO. 10)
-
HIV-2 POL-Produkte:
-
- sCCAAAAATAGTAGGGGGAATAGGGGGATTC (SEQ ID NO. 21)
- CACCCCAAAAATAGTAGGTGGGATAGGAGGG (SEQ ID NO. 22)
-
HIV-2 LTR-Produkte:
-
- CCACGCTTGCTTGCTTAAAGACCTC (SEQ ID NO. 17)
-
HIV-2 ENV-Produkte:
-
- TGGACGTGGTCAAGAGACAACAAGAA (SEQ ID NO. 13)
-
Fünf Kultur-ampflifizierte
HIV-1-Isolate wurden getestet, einschließlich prototypische Gruppe
M und Gruppe O-Isolate. Alle Co-Amplifikations-Systeme, die getestet
wurden, schlossen das Primer-Set SEQ ID NOS. 7/8 und ein internes
positive Kontrolle-Primer-Set sowie eines von vier HIV-1 LTR-Primer-Sets
ein: SEQ ID NOS. 1/3, 1/4, 2/3 und 2/4. Alle HIV-1-spezifischen
Primer-Sets detektierten alle getesteten Isolate. Serielle Verdünnung der
Ziel-DNAs demonstrierten, daß die
Primer-Sets SEQ ID NOS. 2/3 und 2/4 die am meisten sensitiven LTR-Primer-Sets
waren. Das Primer-Set SEQ ID NO. 2/4 erschien am meisten sensitiv
für die
hoch divergenten Gruppe O-Isolate.
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Zwei
verschiedene Kultur-amplifizierte HIV-2-Isolate wurden ebenso getestet,
um die Leistung der verschiedenen HIV-2-Primer-Sets zu untersuchen.
Alle Reaktionen schlossen die Primer-Sets SEQ ID NOS. 11/12 und
IPC-F1/R1 und eines der vier LTR- oder POL-spezifischen HIV-2-Primer-Sets ein:
SEQ ID NOS. 18/20, 19/20, 14/16 und 15/16. Alle Primer-Sets führten zur
Amplifikation von beiden Zielen bei den höheren getesteten Zielniveaus.
HIV-2-Zielverdünnung
schlug vor, daß die
LTR-Primer-Sets die am meisten sensitiven sind.
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Die
Stamm-Sensitivität
von verschiedenen Co-Amplifikations-Systemen wurde weiter durch
die Testung von 15 Kultur-amplifizierten HIV-1-Gruppe O-Isolaten,
17 gefrorenen Patienten-Zell-Pellets von HIV-1-infizierten afrikanischen
Patienten (welche ein höheres
Niveau an Sequenz-Heterogenität
enthalten sollten) und 12 Kultur-amplifizierten HIV-2-Isolaten untersucht.
Alle 15 Gruppe O-Isolate wurden detektiert mit dem Primer-Set SEQ
ID NO. 7/8 und durch die LTR-Primer-Sets SEQ ID NOS. 1/4, 2/3 und
2/4, jedoch wurden drei der Isolate durch das Primer-Set SEQ ID
NO. 1/3 vergaßt.
In dem Fall des LTR-Systems waren mehrere der Gruppe O-Isolate mit
nur einer der zwei LTR-Sonden positiv, und zwar mit der Sonde, welche
am meisten homolog zu den Isolaten von Gruppe O und U und zu dem
Schimpan sen-Virus HIV-1-CP2gab ist. Diese Resultate demonstrieren
die Verbesserung, die durch die Verwendung von zwei Detektions-Sonden
für ein
einzelnes Ziel beobachtet wird. Im Fall der oben beschriebenen Zell-Pellets
afrikanischer Patienten testeten alle drei HIV-1-Systeme (SEQ ID
NOS. 2/3, 2/4 und 7/8) positiv; jedoch erschien das System SEQ ID
NO. 2/3 das am meisten sensitive System in diesem Experiment, während das
Set SEQ ID NO. 7/8 als das am wenigsten sensitive erschien, welches
nur eins von zwei Replikaten bei dem höchsten Niveau von getesteter
Ziel-DNA detektierte.
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Eines
der 12 Kultur-amplifizierten HIV-2-Isolate testete für alle getesteten
Primer-Sets negativ. Diese Probe war auch negativ mit dem Kontroll-Primer-Set,
welches im Labor verwendet wird, was vorschlägt, daß keine HIV-2-DNA in der Probe
anwesend gewesen sein könnte
(es ist bekannt, daß sich
einige HIV-2-Isolate nicht gut kultivieren lassen). Die anderen
11 Isolate waren mit dem ENV-Primer-Set und beiden LTR-Primer-Sets
positiv. Im Gegensatz dazu versäumten
die Sets SEQ ID NOS. 18/20 und 19/20 zwei von elf und eines von
elf Isolaten.
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