WO2011061274A1 - Verfahren zur selektiven anreicherung und isolierung mikrobieller und optional zusätzlich viraler nukleinsäuren - Google Patents

Verfahren zur selektiven anreicherung und isolierung mikrobieller und optional zusätzlich viraler nukleinsäuren Download PDF

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WO2011061274A1
WO2011061274A1 PCT/EP2010/067787 EP2010067787W WO2011061274A1 WO 2011061274 A1 WO2011061274 A1 WO 2011061274A1 EP 2010067787 W EP2010067787 W EP 2010067787W WO 2011061274 A1 WO2011061274 A1 WO 2011061274A1
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WO
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nucleic acids
microbial
buffer
optionally
cells
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PCT/EP2010/067787
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Inventor
Dirk Heckel
Thomas Doedt
Original Assignee
Qiagen Gmbh
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12N—MICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N15/00—Mutation or genetic engineering; DNA or RNA concerning genetic engineering, vectors, e.g. plasmids, or their isolation, preparation or purification; Use of hosts therefor
    • C12N15/09—Recombinant DNA-technology
    • C12N15/10—Processes for the isolation, preparation or purification of DNA or RNA
    • C12N15/1003—Extracting or separating nucleic acids from biological samples, e.g. pure separation or isolation methods; Conditions, buffers or apparatuses therefor

Definitions

  • the present invention relates to a method for selective enrichment and / or isolation of microbial and optionally additional viral nucleic acids from samples containing a mixture of microbial cells, higher eukaryotic cells and free circulating nucleic acids and optionally viruses in a liquid, as well as a kit for selective enrichment and / or isolation of particular intra- and extracellular microbial and optionally additional viral nucleic acids from samples containing a mixture of microbial and higher eukaryotic cells, free-circulating nucleic acids, in particular extracellular microbial nucleic acids, and optionally viruses in a liquid.
  • pathogen nucleic acids deoxyribonucleic acids / DNA and / or ribonucleic acids / RNA. Since very small amounts of nucleic acids can be amplified exponentially within a few hours with the aid of the polymerase chain reaction (PCR), this approach makes it possible to detect microbial DNA in human blood samples with enormous time savings, for example in the diagnosis of sepsis, and the survival chances of the significantly improve affected patients.
  • PCR polymerase chain reaction
  • most of the nucleic acids to be detected are located inside a cell (“intracellular nucleic acids”) or circulating freely in the infected sample (“extracellular nucleic acids”).
  • nucleic acids In order to be able to isolate the intracellular nucleic acids, these nucleic acids must initially released from the cells before they can be purified, amplified by PCR techniques and / or analyzed. Another problem in detecting microbial DNA from samples containing a mixture of microbial cells and higher eukaryotic cells, such as blood samples from patients with sepsis, is further the fact that upon lysis of the cells, not only the microbial nucleic acids to be analyzed are isolated from those in but also large quantities of the eukaryotic nucleic acids from the higher eukaryotic cells, the number of which in a sample obtained from a higher eukaryote is generally several times greater than the number of microbial cells.
  • Nucleic acid preparations obtained from such mixed samples thus contain a mixture of the nucleic acids of all cell types present in the sample.
  • the average ratio of microbial to human DNA in blood samples from human sepsis patients is about 1 to 2x10 9 , so it is described in the following
  • Amplification method for the detection of microbial DNA not infrequently leads to the formation of non-specific amplification products, which complicate subsequent diagnostics or even to
  • WO 2006/092278 A1 describes a method which enables the selective isolation of microbial nucleic acids from a mixed sample which contains, in addition to microbial cells, higher eukaryotic cells.
  • the higher eukaryotic cells naturally present in large numbers in a human blood sample are in this case digested using a mild lysis buffer which contains a chaotropic agent in a relatively low concentration, while the microbial cells which are also present in the examined samples initially remain intact.
  • the method makes use of the fact that microbial cells are more stable under chaotropic conditions compared to eukaryotic cells.
  • the resulting lysate which contains the eukaryotic cell components liberated by the lysis and the intact microbial cells, is then subsequently added to a suitable nuclease which degrades the eukaryotic DNA, whereas the intracellular microbial DNA is protected from digestion by the intact microbial cell. Subsequent centrifugation allows the microbial cells to be separated as a pellet from the lysate containing the (at least partially) degraded eukaryotic DNA. In a next step, the microbial cells thus obtained are subjected to further digestion to release the microbial intracellular DNA.
  • a disadvantage of this method is that in this case viral nucleic acids and the freely circulating nucleic acids, in particular the extracellular microbial nucleic acids, which are in the liquid component of the sample, in the case of blood samples, for example.
  • viral nucleic acids and the freely circulating nucleic acids in particular the extracellular microbial nucleic acids, which are in the liquid component of the sample, in the case of blood samples, for example.
  • the blood plasma inevitably lost by the previous nuclease digestion , This is particularly disadvantageous in view of the fact that recent work has shown that nucleic acids present in the plasma, in particular free-circulating nucleic acids, are important prognostic markers (A. Rhodes et al., Critical Care 2006, 10: R60).
  • the patients have a greatly increased content of free circulating nucleic acids in the blood plasma, which can be used as an independent indicator for predicting the course of the disease and the mortality of the patient (see, for example, ME Bougnoux et al., J. Clin ; 'cro / j; o / .1999, 37, 925-930; L. Metwally et al J. Med Microbiol 2008, 57, 1269-1272;... K. Saukkonen ef al Clin Chem 2008, 54... (6), 1000-1007; YK Tong et al., Clin. Chim. Acta 2006, 363 (1-2), 187-196).
  • WO 2009/015484 A1 also discloses a method for isolating microbial nucleic acids
  • Body fluids described which contain microorganisms in addition to the body's own cells.
  • the process described therein comprises a two-stage lysis process. In a first step, under appropriate conditions, the blood cells are selectively lysed while the microbial cells remain intact.
  • the lysed sample is centrifuged to separate the intact microbial cells as a pellet. After washing this pellet, the microbial nucleic acids can be liberated from the microbial cells contained in this pellet by further lysis.
  • Methods for isolating microbial cells from biological samples containing such mixed samples of microbial and higher eukaryotic cells based on a similar principle are further described in WO 97/07238 A2, WO 2006/088895 A2 and WO 2008/017097 A1. However, none of the methods described there mentions any possibility of isolating the extracellular microbial DNA.
  • Another approach for the separation of intracellular microbial DNA from human DNA from whole blood mixed samples is based on the VYOO kit from SIRS-Lab (Jena, Germany).
  • the total DNA of the sample is first isolated.
  • Enrichment of the microbial DNA in the sample occurs in a next step by means of a solid phase bound antibody which binds the unmethylated DNA of the microbial pathogens while not binding the methylated human DNA.
  • the bound microbial DNA must be eluted from the solid phase and subsequently precipitated from the resulting eluate.
  • the object of the present invention was therefore to provide a method for the selective enrichment and / or isolation of microbial nucleic acids from samples which contain a mixture of microbial cells and higher eukaryotic cells and freely circulating nucleic acids in a liquid which enhances the accumulation and / or isolation of intracellular nucleic acids. as extracellular, especially microbial, allows nucleic acids from the same sample in a short time.
  • the invention therefore provides a process for the selective enrichment and / or isolation of microbial nucleic acids from samples comprising a mixture of microbial cells and higher eukaryotic cells as well as freely circulating
  • Nucleic acids in particular extracellular microbial nucleic acids, contained in a liquid, comprising the following steps:
  • the sample still contains viruses in addition to the microbial and the higher eukaryotic cells and the freely circulating nucleic acids, further enrichment and / or isolation of the viral nucleic acids is optionally additionally or simultaneously in step 6 possible, since the viruses are mainly in the in step 1 of the method should be present and therefore also be effectively separated from the higher eukaryotic cells.
  • both the extra and the intracellular, in particular microbial, nucleic acids are purified. This may be done simultaneously or sequentially separately, or after combining the liquid component from step 1 with the lysate from step 5 together.
  • both intracellular and extracellular microbial nucleic acids from mixed samples which in addition to the microbial cells contain higher eukaryotic cells and freely circulating nucleic acids, can be isolated and enriched. It is possible here to purify and concentrate the intracellular nucleic acids and / or the extracellular nucleic acids separately from one another or after combining the corresponding fractions. If desired, in addition to the selective enrichment and / or isolation, the process allows Microbial nucleic acids also include a selective enrichment and / or isolation of the higher eukaryotic nucleic acids.
  • the nucleic acids to be isolated can be both RNA and DNA, which can each be single-stranded or double-stranded. While the nucleic acids are preferably DNA for the detection of microbial cells, both DNA and RNA are of interest, depending on the type of virus (DNA or RNA virus) for the detection of viruses.
  • the nucleic acids obtained by the method according to the invention can subsequently be detected by highly specific and sensitive methods, such as PCR and / or hybridization reactions. Due to the depletion of the human gDNA very high input volumes can be used and the bound nucleic acids are eluted simultaneously in the smallest elution volumes. This high ratio of input to elution volume then leads to a very high sensitivity. Without the depletion of the human gDNA, this input / elution ratio would not be possible because subsequent PCR inhibition could occur. The method even allows for the release and detection of phagocytosed microbial cells from granulocytes or macrophages.
  • the term "selective enrichment and / or isolation” means a process which makes it possible to reproducibly obtain nucleic acids from a mixed sample which contains microbial cells, circulating nucleic acids, optionally viruses and higher eukaryotic cells To make available exclusively or in the
  • higher eukaryotic cell encompasses both cells that are organized in a tissue, as well as individual cells, such as spermatozoa or blood cells, that are found in the bodily fluids of a mammal, including man, or in its excretory products, for example, blood, lymph, cerebrospinal fluid , in urine, faeces or saliva.
  • the higher eukaryotic cells are mammalian cells, more preferably human cells.
  • suspensions or slurries of samples in an aqueous solution may serve as the starting material for the present method.
  • the sample to be analyzed contains a mixture of microbial cells, freely circulating nucleic acids, in particular extracellular microbial nucleic acids, optionally viruses and higher eukaryotic cells in a liquid.
  • the sample is from a natural environment, such as a plant, animal or human organism.
  • the sample is preferably mammalian body fluids, particularly preferably humans, including punctates, cerebrospinal fluid, lymphatic fluid, joint, perotonic or pleural fluid, bone marrow, blood, especially whole blood, sperm, urine, faeces, saliva and bronchial alveolar Lavage, concentrates or dilute solutions thereof or resuspended cell material obtained by swabbing.
  • the sample is particularly preferably blood or blood concentrates, such as platelet or erythrocyte concentrates.
  • microbial cells are the diverse group of organisms which exist in nature independently as a single cell or as a cell cluster, and thus differ from higher eukaryotic cells, which in nature do not occur as a single cell, but instead exclusively as components of multicellular organisms with cell specialization.
  • the term "microbial cell” means inter alia prokaryotic cells, for example bacteria or archaebacteria, but also cells of lower eukaryotes, such as microscopic algae, yeasts, fungi or protozoa.
  • the microbial cells are bacterial cells and / or cells of low fungi.
  • bacteria here includes gram-positive and gram-negative bacteria, in particular bacteria of the genera Mycobacterium spp., Enterococcus, Enterobacter, Klebsiella, Proteus, Pseudomonas, Serratioa, Escherichia, Acinetobacter, Streptococcus, Staphylococcus, Salmonella, Legionella, Chlamydia, Shigella, Pseudomonas, Listeria, Yersinia, Corynebacterium, Bordetella, Bacillus, Clostridium, Haemophilus, Helicobacter and Vibrio.
  • Fungal cells whose nucleic acids can be enriched and / or isolated by the method according to the invention are, in particular, cells of fungi of the genera Aspergillus, Basidiobolus, Cephalosporium, Skopulariopsis, Rhizomucor, Entomophthora, Mucor, Syncephalastrum, Absidia, Altenaria, Rhizopus, Stemphylium, Nigrospora, Chrysosporium, Botrytis, Helmithosporium, Curvularia, Hemispora, Phoma, Paecilomyces and Thielavia, in particular A. fumigatus, A. tereus, A. niger, A. nidulans, A. homegadus, A. flavus B. microsporus, B. rhanarum, C. crysogenum, C. corebiobides, C. regatum and C. diospyri.
  • nucleic acids of the pathogenic yeasts of the genus Candida can also be enriched and / or isolated, as well as the nucleic acids Algae, for example from Euglena spp., Coscinodiscus spp., Trachelomonas spp., Gymnodinium sanguineum, Dinophysis nitra, Ceratium Massiliense, Chlorella, Chlorococcum or Eremosphaera, or from protozoa, such as
  • Plasmodium, Trypanosoma, Leishmania, Toxoplasma and Cryptosporidium preferably Plasmodium malariae, Plasmodium falciparum, Trypanosoma brucei, Trypanosoma cruzei, Toxoplasma gondii,
  • Cryptosporidium parvum Cryptosporidium serpentis and Cryptosporidium hominis.
  • viral nucleic acids can also be enriched and / or isolated by the method according to the invention, such as, for example, preferably the DNA of the hepatitis B virus (HBV), the Epstein-Barr virus (EBV) and the cytomegalovirus (CMV) and / or the RNA of the human
  • HBV hepatitis B virus
  • EBV Epstein-Barr virus
  • CMV cytomegalovirus
  • HIV Immunodeficiency virus
  • HCV hepatitis C virus
  • the inventive method is not limited to a specific sample volume, and it can both sample volumes in the ⁇ range as well as significantly larger sample volumes of, for example, 50 or 100 ml are processed, the following quantities and volumes of the agents and solutions used in the process then the amount of sample may be adjusted according to scales known to those skilled in the art, as well as the duration of the individual
  • the volume of the sample is 1 to 20 ml, more preferably 2 to 15 ml and more preferably 3 to 8 ml.
  • the separation of the liquid constituents, including the substances dissolved in these liquid constituents, such as freely circulating nucleic acids and possibly additionally contained in the sample viruses, of the solid components in the process steps 1 and 3 of the method according to the invention for example, by filtration, centrifugation or decantation respectively.
  • the separation of the liquid constituents from the solid constituents in process step 1 can take place with the same or with a different method than in process step 3.
  • the separation of the liquid constituents from the solid constituents in process steps 1 and / or 3 of the process according to the invention preferably takes place by the processes known from the prior art for obtaining plasma from whole blood samples by means of centrifugation of the sample.
  • the centrifugation of the sample is preferably carried out for 2 to 30 minutes, more preferably for 5 to 20 minutes and particularly preferably for 10 to 15 minutes.
  • the centrifugation of the sample is preferably carried out at an acceleration of 2,000 to 10,000 g, preferably at 5,000 g. If the separation of the liquid constituents from the solid constituents takes place both in process step 1 and in process step 3 of the process according to the invention by means of a centrifugation of the sample, the acceleration and the duration of the centrifugation in the two process steps may be the same or different.
  • the separation of the plasma including the freely circulating in the plasma, in particular microbial, nucleic acids and possibly the virus, from the solid sample components, in particular the blood cells and the microbial cells, in a first step by centrifugation at 5,000 g ⁇ 500 g for 10 minutes.
  • the liquid component (the lysate) obtained in this step including the substances dissolved in this liquid component, in particular the liberated eukaryotic cell constituents, from the solid constituents, including the microbial cells, by a further centrifugation step, for example, for 15 minutes at 5000 ⁇ 500 g.
  • Separation of the supernatant from the solid components after centrifugation may be accomplished by any method known to those skilled in the art, for example, by decanting or pipetting off the supernatant.
  • the selective lysis of the eukaryotic cells in process step 2 of the process according to the invention is preferably carried out in a mixture (buffer 1) which
  • At least one chaotropic substance preferably selected from the group containing
  • GTC Guanidinium thiocyanate
  • GuHCl guanidinium hydrochloride
  • GIT guanidinium isothiocyanate
  • At least one surfactant preferably a nonionic surfactant, more preferably selected from the group containing sorbitan esters of fatty acids, polyoxyethylene sorbitan esters of fatty acids, polyoxyalkylene ethers of fatty alcohols, polyoxyalkylene ethers of alkylphenols, poloxamers or mixtures thereof and
  • At least one buffer substance preferably selected from the group, containing Tris, MES, MOPS, HEPES or mixtures thereof
  • lysis is understood to mean a process for the at least partial disruption of cells with at least partial destruction of the membranes and / or cell walls, which surround the nucleic acids of the cells and separate them from the surrounding medium
  • selective lysis of the higher eukaryotic cells is referred to as a process in which only the higher eukaryotic cells, but not the microbial cells, are lysed in a mixed sample, so that after lysis, only the intracellular nucleic acids of the eukaryotic cells are present in the mixture, while the intracellular
  • Nucleic acids of microbial cells continue to be protected by the surrounding cell wall.
  • more than 50%, more preferably more than 75%, more preferably more than 90%, and most preferably more than 98% of the higher eukaryotic cells in the sample are lysed, while preferably less than 50%, furthermore preferably less than 20%, particularly preferably less than 10% and in particular less than 1% of the microbial cells are lysed.
  • Such selective conditions can be adjusted, for example, via the constituents of the lysis buffer used, the concentration of the constituents in the lysis buffer and the total concentration of the lysis buffer in the sample solution, which is known to the person skilled in the art and illustrated by the examples listed below.
  • a chaotropic substance is a chemical compound which has the ability to disrupt the ordered hydrogen bonds in water.
  • the disruption of the water structure increases the entropy of an aqueous solution and increases the solubility of nonpolar substances in this solution. This minimizes hydrophobic interactions, resulting in protein denaturation and lysis of cell walls / plasma membranes.
  • the chaotropic substances can be found, for example, in the Hoffmann series.
  • Particularly suitable substances are, for example, the abovementioned guanidinium compounds or alkali metal perchlorates, alkali metal iodides or urea.
  • sodium perchlorate and potassium perchlorate are preferred as alkali metal perchlorates, and sodium iodide or potassium iodide is preferred as the alkali metal iodides.
  • a surfactant is understood as meaning an organic surfactant which has at least one hydrophilic and at least one hydrophobic part.
  • anionic surfactants such as sodium dodecyl sulfate (SDS), cationic surfactants such as quaternary tetraalkylammonium salts, eg. Cetyltrimethylammoniumchlorid, ampholytic surfactants such as. 3 - ((3-cholamidopropyl) dimethylammonium) -1-propanesulfonate (CHAPS) and nonionic surfactants or mixtures thereof.
  • the surfactant is preferably a nonionic surfactant or a mixture of different nonionic surfactants.
  • nonionic surfactants for the purposes of the invention are sorbitan esters of fatty acids such as sorbitan monooleate, sorbitan sesquioleate, sorbitan trioleate, the corresponding laurates, palmitates, stearates or mixtures thereof, commercially available, for example, under the names Arlacel 83, Span 65, Span 80 or Span Polyoxyethylene sorbitan esters of fatty acids, such as polyoxyethylene sorbitan monooleate, polyoxyethylene sorbitan sesquioleate, polyoxyethylene sorbitan trioleate, the corresponding laurates, palmitates, stearates or mixtures thereof, commercially available, for example, under the names Tween 20 or Tween 85, polyoxyalkylene ethers of fatty alcohols such as polyoxyethylene lauryl ether stearyl ethers, cetyl ethers, oleyl ethers or mixtures thereof, for example eicosaethylene glycol
  • Triton X-100 Igepal CA- 520 or Nonidet P40 are available, and so-called poloxamers, block copolymers of ethylene oxide and propylene oxide, commercially available, for example, under the name Pluronic available.
  • medium and higher fatty acids or fatty alcohols are used independently of one another in the abovementioned substances, ie fatty acids or fatty alcohols with 8-12 or 13-30 C-atoms. These can be saturated or unsaturated.
  • the surfactant facilitates both the miscibility of the individual compounds within the lysis buffer and the miscibility of the lysis buffer with the sample.
  • the surfactant may also actively effect the destruction of the cell wall or plasma membrane structure of the cells.
  • a buffer substance is a system of an acid and its conjugate base, which keeps the pH of a solution containing the buffer substances constant by the absorption or release of protons, depending on whether in the solution Reaction or external addition protons are released or consumed.
  • a buffer substance is thus to be distinguished from a buffer solution (also referred to as a buffer) which, in addition to the solvent and the actual buffer substance, may contain further substances, such as, for example, salts, surfactants and chaotropic agents.
  • amphoteric buffer substances ie compounds which in the same molecule carry both at least one acidic group and at least one basic group and thus can react both acidic and basic, are also preferred.
  • the buffer 1 according to the invention as a lysis buffer 1 is added to the sample to be lysed in such a way that the concentration of the buffer constituents in the sample after addition of the buffer (1) 0.1 to 2 M, preferably 0.2 to 1M, more preferably 0.4 to 0.8M
  • Chaotropic preferably a gunanidinium-containing chaotrope as described above, (2) 0.5 to 5%, preferably 1 to 4%, more preferably 1, 8 to 3% each (w / v) surfactant, preferably a nonionic surfactant and (3) from 2 to 50mM, preferably from 4 to 30mM, more preferably 10mM buffer, most preferably at pH 8.
  • a buffer is used has the following concentrations: (1) 0.2 to 4 M, preferably 0.4 to 3 M, more preferably 2 M chaotrope, preferably containing
  • Guanidinium (2) 0.5 to 10%, preferably 1 to 5% each (w / v) surfactant, preferably a nonionic surfactant and (3) 2 to 100 mM, preferably 10 to 50 mM buffer substance, preferably at a pH of 6.0 to 10.0, more preferably from 7.0 to 9.0, and most preferably from 8.0
  • step 3 of the process according to the invention which preferably takes place by centrifugation, has already been described above.
  • the resulting pellet containing the solid components separated from the liquid constituents, especially the microbial cells is resuspended in step 4 of the process according to the invention, for example by briefly shaking the sample in the residual volume of the liquid remaining after separation of the liquid constituents to distribute the solid components in this.
  • the sample may also be mixed with a small amount of water, either before or during pouring suitable buffer solution or other suitable solvent.
  • an intermediate step can be introduced in which the pellet is washed in a suitable washing solution, for example in lysis buffer.
  • the lysis of the microbial cells in process step 5 of the process according to the invention can in principle be carried out by any method known to the person skilled in the art which is suitable for the cell wall and / or
  • a variety of methods are described for various types of microbial cells in the prior art, such as
  • the at least partial lysis of the microbial cells preferably takes place mechanically in method step 5 of the method according to the invention.
  • Suitable mechanical methods include, for example, the treatment of microbial cells in a French press, a cell mill or a mortar, and sonication.
  • the lysing of the microbial cells in method step 5 of the method according to the invention is particularly preferably carried out by mechanical homogenization of the sample using suitable particles, in particular beads, preferably glass beads.
  • suitable particles in particular beads, preferably glass beads.
  • the mechanical mixing of the sample containing the microbial cells and the glass beads is preferred in a device which shakes this sample in horizontal and / or vertical orientation, such as a laboratory vortexer, a QIAGEN tissue lyser, a Fast Prep device or like.
  • the mechanical homogenization of the sample is carried out in the presence of a buffer solution, which may additionally also have lytic properties.
  • the lysis of the microbial cells in process step 5 of the process according to the invention is carried out using glass beads of a size of 400 to 600 ⁇ in the presence of a buffer solution, in particular a buffer with lytic properties.
  • buffer solution for use in the above-described mechanical lysis, which additionally has lytic properties (buffer 2), is hereby preferred
  • At least one buffer substance preferably selected from the group consisting of tris-HCl, MES, MOPS, HEPES or mixtures thereof,
  • At least one surfactant preferably a nonionic surfactant, more preferably selected from the group comprising sorbitan esters of fatty acids, polyoxyethylene sorbitan esters of fatty acids,
  • buffer substance and surfactant as well as preferred embodiments in the context of the present invention have already been explained above for lysis buffer 1.
  • the embodiments mentioned for the buffer 1 are also preferred as constituents of the buffer 2, particular preference being given to nonionic surfactant for the buffer 2, polyoxyalkylene ethers of alkylphenols such as.
  • Al kyl phenol poly (glycol ether) is used with linear or branched Ce-alkyl radicals, commercially available under the name Triton X-100.
  • the buffer 2 contains a complexing reagent, especially for divalent metal ions.
  • a complexing reagent especially for divalent metal ions.
  • all substances are suitable which are capable of complexing metal ions and in particular divalent metal ions, for example DTPA, EGTA or EDTA, the latter being preferred.
  • the buffer 2 may further contain a foam inhibitor to prevent excessive foaming of the sample during mechanical lysis, which in the extreme case would lead to unwanted escape of the sample from the sample vessel and thus to loss of substance and further also the subsequent processing of the sample u , a. due to the increase in volume.
  • foam inhibitors are reagent DX (QIAGEN, Hilden, Germany) and SILFOAM® SRE (Wacker Chemie, Kunststoff, Germany). If the lysis buffer contains a foam inhibitor, it is preferably present in a proportion of 0.1 to 1% (v / v), based on the total composition of the buffer.
  • the buffer 2 which advantageously also has lytic properties, comprises (1) a buffer substance, (2) complexing reagent, (3) surfactant and (4) optionally a foam inhibitor such as reagent DX and has a pH of from 7.0 to 9.0 on. It is preferred that the respective
  • a suitable buffer solution providing such lysis conditions preferably contains (1) 5 to 50 mM, preferably 8 to 25 mM, more preferably 10 to 20 mM buffer substance, (2) 0.5 to 10 mM, preferably 1 to 8 mM, more preferably 2 to 5 mM complexing agent, (3) 0.2 to 10%, preferably 0.5 to 5%, further preferably 1, 2 to 2% each (w / v) surfactant and (4) optionally 0.1 to 3%, preferably 0.2 to 2%, more preferably 0.5 to 1% each (v / v) foam inhibitor such as reagent DX preferably at a pH of 7.0 to 9.0, more preferably at 8.0.
  • reagent DX preferably at a pH of 7.0 to 9.0, more preferably at 8.0.
  • a further lysis process is followed, which is preferably carried out with a Lyselosung.
  • a Lyselosung it is also possible to effect the lysis of the microbial cells directly with the corresponding Lyselosung without first perform a mechanical lysis.
  • protease digestion in the course of purification and concentration, in particular of the microbial and optionally viral nucleic acids, this can be combined in a favorable manner with the described lysis step.
  • the lysis is at least partially offset by adding the suspension from process step 4 or by displacing the lysate resulting from the above-described previous mechanical lysis, which is optionally supported by a likewise at least partially lytic-acting buffer, with a protease, preferably proteinase K, and a Lyselosung (buffer 3) causes.
  • a protease preferably proteinase K
  • a Lyselosung buffer 3
  • At least one chaotropic substance preferably selected from the group containing
  • GTC Guanidinium thiocyanate
  • GuHCl guanidinium hydrochloride
  • GIT guanidinium isothiocyanate
  • alkali perchlorates alkali iodides, HA or mixtures thereof
  • At least one surfactant preferably a nonionic surfactant, more preferably selected from the group containing sorbitan esters of fatty acids, polyoxyethylene sorbitan esters of fatty acids, polyoxyalkylene ethers of fatty alcohols, polyoxyalkylene ethers of alkylphenols, poloxamers or mixtures thereof and
  • At least one buffer substance preferably tris, MES, MOPS, HEPES or mixtures thereof.
  • the mixture obtained is preferably incubated for 5 to 40 minutes at 45 ° to 70 ° C., more preferably for 10 to 20 minutes at 50 to 65 ° C., particularly preferably for 15 minutes at 60 ° C. to activate the protease.
  • the sample is preferably mixed with a volume of the buffer 3 which is 40 to 150%, preferably 70 to 110% and in particular 90% of its own volume, and with a volume of a protease solution, preferably a proteinase K solution with> 600 mAU / ml (AU: Anson unit), commercially available, for example, as QIAGEN proteinase K (QIAGEN, Hilden, Germany), which is 1 to 30%, preferably 5 to 20% and particularly preferably 10% of its own volume. So be For example, to 5 ml of the sample, in a particularly preferred embodiment, add 4 ml of the buffer 3 and 0.5 ml of protease solution.
  • a suitable buffer which provides such lysis conditions contains (1) 3 to 10 M, preferably 4 to 8 M, more preferably 4.5 to 6 M chaotropic, (2) 10 to 40%, preferably 15 to 30%, more preferably 20 to 25% each (w / v) of surfactant and (3) 40 to 200 mM, preferably 50 to 150 mM, more preferably 70 to 100 mM buffer substance, in particular at a pH of 8.0
  • the described buffer 3 has already been added to the liquid component from process step 1.
  • both the intracellular microbial and the free circulating, in particular the extracellular microbial, nucleic acids and particularly preferably additionally viral nucleic acids are enriched and / or isolated.
  • the separated in step 1 of the process according to the invention liquid
  • Component containing the free circulating, in particular the extracellular microbial, nucleic acids and optionally the viral nucleic acids are combined with the lysate obtained in process step 5 containing the intracellular microbial nucleic acids before purification and / or concentration of the nucleic acids according to process step 6 of the method according to the invention .
  • the liquid component separated in process step 1 of the process according to the invention, containing the free-circulating, in particular extracellular, microbial, nucleic acids and optionally the viral nucleic acids may preferably already be added immediately after its separation into buffer 3 described above and stored therein.
  • the lysate obtained in an optionally upstream mechanical lysis step, as described above, containing the intracellular microbial nucleic acids can then subsequently be added to this mixture in order to optimize the lysis.
  • the protease for the protease digestion preferably the proteinase K, in particular in the form of a buffer, either in the suspension of process step 4 or the lysate resulting from the above-described previous mechanical lysis and the liquid component obtained in step 1 in each case be added to separate samples.
  • the lysate of the mechanical lysis and the liquid component of step 1, optionally in combination with buffer 3, may be combined prior to addition of the protease-containing buffer.
  • the extracellular nucleic acids from the liquid component from process step 1 can then be jointly (combined) with the intracellular nucleic acids present in the lysate of the downstream chemical lysis or isolated and / or concentrated separately according to the further steps 6a-6d described below.
  • the purification and / or concentration of the microbial and viral nucleic acids according to step 6 of the method according to the invention preferably comprises the following steps: 6a) adding the lysate from step 5 with a mixture (binding buffer), preferably comprising a mixture of (1) a linear or branched d - C to alcohol, in particular methanol, ethanol, propanol, isopropanol or n-butanol, iso-butanol, sec. Butanol or tert.
  • a mixture binding buffer
  • Butanol preferably isopropanol
  • a buffer corresponding to buffer 3 preferably in a ratio of 30 to 80 vol .-% of linear or branched Cr to C alcohol to 20 to 70 Vol .-% buffer 3 and incubation of the resulting mixture ;
  • a suitable chromatographic apparatus preferably to a chromatographic apparatus for selectively binding the microbial and optionally viral nucleic acids by adsorption, most preferably silica-based;
  • washing buffer 1 which (1) contains at least one chaotropic substance, preferably selected from the group comprising guanidinium thiocyanate (GTC), guanidinium hydrochloride (GuHCl) , Guanidinium isothiocyanate (GIT), alkali metal perchlorates, alkali metal iodides or mixtures thereof, (2) a linear or branched C 1 -C 4 -alcohol, preferably ethanol, and (3) at least one chaotropic salt, preferably in a concentration of 2 to 4M , preferably followed by a second solution (washing buffer 2) which contains (1) a linear or branched C 1 -C 4 -alcohol, preferably ethanol, (2) a non-chaotropic salt, preferably sodium chloride, in a concentration of from 10 to 200 mM and (3) 1 to 25 mM of a buffer substance,
  • a first solution which (1) contains at least one chaotropic substance, preferably selected from the group comprising guanidinium thi
  • the volume of the binding buffer added to the sample is preferably 100 to 500% of the sample volume, preferably 200 to 400% of the sample volume and more preferably 320% of the sample volume
  • the subsequent incubation of the resulting mixture is preferably carried out for 1 to 20 minutes at -5 to 5 ° C, more preferably for 2 to 10 minutes at 0 ° C and especially for 5 minutes at 0 ° C.
  • the separation of the resulting microbial and optionally viral nucleic acids from the remaining sample components is preferably carried out by the selective attachment of microbial and optionally viral nucleic acids to a solid matrix by adsorption, preferably by adsorption to a matrix based on silica, which upon addition of a suitable binding buffer in essentially selectively binds the nucleic acid molecules present in a solution, while proteins and other cell components and buffer components present in the solution, such as salts, buffer substances, surfactants, etc. remain in solution and can be separated from the bound nucleic acids by the washing solution.
  • the terms "selective binding” and “selective binding” of nucleic acids by a matrix means the specific interaction (chemical or physical binding by complexation, adhesion, etc.) of nucleic acid molecules with the matrix, while the matrix does not or only to a lesser extent interacts with other sample constituents which do not represent nucleic acids, for example salts, proteins, etc.
  • the matrix does not or only to a lesser extent interacts with other sample constituents which do not represent nucleic acids, for example salts, proteins, etc.
  • RNA molecules such as the proteins and the other present in the sample Sample and buffer components remain in solution.
  • Such embodiments are particularly preferred when only DNA but no RNA is to be isolated.
  • QIAamp DNA mini columns or the QIAamp mini columns (Qiagen, Hilden, Germany) contained in the QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit, for example, which are preferably configured in the form of a so-called spin column, are particularly preferred for washing and elution can be done in a simple and fast way by centrifugation or applying vacuum.
  • the optional washing of the bound microbial and optionally viral nucleic acids volumes of wash buffers 1 and 2 used depends on the size and dimension of the chromatographic apparatus used in step 6b and the amount of sample applied. Corresponding information can be found in the logs of the respective manufacturer.
  • the preferred volume of wash solutions 1 and 2 is, for example, 500 to 900 ⁇ for the purification of a sample which was obtained from an original sample volume of 10 ml of human whole blood.
  • the column is dried after washing the bound nucleic acids before the nucleic acids can be optionally eluted from the column in step 6d) of the method according to the invention.
  • the column can be rinsed, for example, with 500 to 900 ⁇ ethanol, then centrifuged at maximum speed and then dried at room temperature or elevated temperature (40 to 65 ° C).
  • the elution buffer optionally used in step 6d) of the method according to the invention preferably comprises Tris-HCl and EDTA, particularly preferably 2 to 20 mM Tris-HCl and 0.1 to 1 mM EDTA, in particular 10 mM Tris-HCl and 0.5 mM EDTA.
  • the volume of the elution buffer also depends on the type and dimension of the chromatographic apparatus as well as on the amount of sample applied to the chromatographic apparatus. Preferred values can, for example, be taken from the instructions of the manufacturer of the chromatographic device. When using a QIAamp DNA Mini column and a sample volume of approximately 10 ml of whole blood originally used, the volume of the
  • Elution buffer preferably 20 to 200 ⁇ . After addition of the elution buffer, the column is preferably incubated briefly at room temperature (about 1 to 5 minutes) before the elution of the nucleic acids takes place by centrifuging at maximum speed, for example 0.5 to 3 minutes at 20,000 g. In general, however, it is also possible to further process and / or analyze the bound nucleic acid without prior elution.
  • the present invention further provides a kit for the selective enrichment and / or isolation of intracellular microbial and free circulating inssbesondere extracellular microbial, nucleic acids and optionally additional viral nucleic acids from samples containing a mixture of microbial and higher eukaryotic cells and freely circulating nucleic acids, especially extracellular microbial Nucleic acids, and optionally additionally contain viruses in a liquid, comprising:
  • a first buffer preferably having lytic properties (buffer 1), which has already been described in more detail above
  • Glass beads preferably from 400 to 600 ⁇ diameter, more preferably of 500 ⁇ diameter.
  • the kit further comprises a chromatographic device for purifying and / or concentrating the microbial and optionally viral nucleic acids, preferably a chromatographic device for selective binding of DNA and / or RNA by adsorption, more preferably silica-based, and further Binding buffer, preferably the binding buffer already defined, optionally one or more wash buffers, preferably the two wash buffers already defined above and optionally an elution buffer, preferably the elution buffer already defined above.
  • a chromatographic device for purifying and / or concentrating the microbial and optionally viral nucleic acids
  • a chromatographic device for selective binding of DNA and / or RNA by adsorption, more preferably silica-based
  • Binding buffer preferably the binding buffer already defined, optionally one or more wash buffers, preferably the two wash buffers already defined above and optionally an elution buffer, preferably the elution buffer already defined above.
  • the kit may further comprise components for detecting the enriched and / or isolated nucleic acids in a so-called multiplex method (multiplex assay), for example for detection of the DNA obtained in a multiplex PCR several primer pairs, a suitable DNA
  • Figure 1 shows the total amount of DNA obtained (ie, the sum of human and fungal DNA, with the major portion of human DNA) being isolated from isolated fungal DNA and fungal cells (free Aspergillus DNA and cells of C. albicans and /. Orientalis). put human whole blood samples in four
  • sample D was obtained.
  • the amount of sample underlying sample A was 500 ⁇ of whole blood, for sample B 1 ml of whole blood was used.
  • samples C and D a sample amount of 5 or 10 ml of whole blood was assumed, whereas in sample C only the solid sample components remaining after separation of the liquid constituents (the blood plasma) were processed and purified by depletion of human nucleic acids, while in sample D Before the chromatographic purification, the lysed microbial cells with the in step 1 of the
  • samples A and B were treated by conventional methods without depletion of human gDNA and therefore have a high content of human gDNA, the content of human gDNA in samples C and D is significantly lower, although the
  • Sample volume of samples C and D was 5 to 20 times the sample volume of samples A and B.
  • Figure 2 shows the result of the amplification of the microbial DNA of the samples A to D shown in Figure 1 by means of multiplex real-time PCR (multiplex RT-PCR) on the basis of the CT values obtained (see Example 1).
  • FIG. 3 shows the result of the amplification of bacterial DNA by means of multiplex RT-PCR, which consists of human whole blood samples mixed with isolated bacterial DNA and bacterial cells (free S. haemolyticus DNA and cells of E. coli and S. pyogenes) in three different methods A, B and D (see Example 2).
  • the amount of sample underlying sample A was 500 ⁇ of whole blood, for sample B 1 ml of whole blood was used.
  • FIG. 4 shows the result of the amplification of viral nucleic acids obtained by means of the method according to the invention (shown as black bars) by means of multiplex RT-PCR or multiplex RT-reverse transcriptase PCR in comparison to nucleic acids obtained by using a commercially available kit for Detection of viral nucleic acids was obtained (white bars) for
  • HBV hepatitis B viruses
  • HCV hepatitis C viruses
  • Figure 5 shows the result of the amplification of the microbial DNA of the samples worked up in Example 4 by means of multiplex real-time PCR (multiplex RT-PCR) on the basis of the CT values obtained (see Example 4).
  • the first two bars show the obtained CT values of the isolated DNA from A. fumigatus whole cells, the second two bars the CT values of the isolated DNA from C. albicans (free DNA), the third two bars CT values of the isolated DNA from S. pyrogenes (free DNA) and the right two bars the CT values of the isolated DNA from whole E. coli cells.
  • the bars on the left represent the result at 19.5% isopropanol and on the right the result at 42% isopropanol. Examples:
  • Example V Selective enrichment and isolation of fungal DNA from whole blood samples
  • Pre-lysis step 500 ⁇ l of the stained whole blood were mixed with 250 ⁇ l of a lysis buffer 2 containing 20 mM Tris-HCl, 2 mM EDTA, 1.2% Triton X-100 and 0.5% reagent DX, and mixed. The resulting mixture was mixed with 500 ⁇ of the commercially available lysis buffer AL (QIAGEN, Hilden, Germany) and 50 ⁇ Qiagen proteinase K and incubated at 56 ° C for 10 min. Subsequently, the nucleic acids were purified using the QIAamp Blood Mini Kit (QIAGEN, Hilden, Germany) according to the manufacturer's instructions using the mini-columns and washing and trays contained in the kit
  • Elution buffer isolated wherein the nucleic acids bound to the columns washed with 750 ml buffer each AW1 and buffer AW2 and eluted with 50 ⁇ buffer AE.
  • Elution buffer isolated wherein the nucleic acids bound to the columns washed with 750 ml buffer each AW1 and buffer AW2 and eluted with 50 ⁇ buffer AE.
  • the resulting mixture (about 500 ⁇ ) was transferred to a new vessel containing 250 ⁇ of the lysis buffer 2 and 400 mg of glass beads of a diameter of about 425-600 ⁇ .
  • the sample was mixed for 10 minutes by vortexing and mechanically disrupted.
  • 500 ⁇ of the supernatant obtained were mixed with 500 ⁇ of the commercially available lysis buffer AL (QIAGEN, Hilden, Germany) and 50 ⁇ Qiagen proteinase K and incubated at 56 ° C for 10 min.
  • the nucleic acids were amplified using the QIAamp Blood Mini Kit (QIAGEN, Hilden, Germany) according to the manufacturer's instructions using the mini-columns, washing and
  • 10 ml of the whole stained blood was centrifuged for 10 minutes at about 5,000 g to separate the blood plasma, including the extracellular nucleic acids present in the blood plasma. After centrifugation, the upper plasma phase (about 4.5 ml) was separated and transferred to a new vessel. The volume of the solid components was made up to 10 ml by adding the buffer PBS. After addition of 3.75 ml buffer of lysis buffer 1, the resulting mixture was incubated for 10 min at room temperature. The mild lysis buffer only lyses the human cells while the microbial cells remain intact.
  • the sample was centrifuged at about 5,000 rpm for 15 minutes.
  • the supernatant obtained was taken down to 250 ⁇ and discarded.
  • This supernatant contains v. a. human DNA and can alternatively be used for a separate differential nucleic acid purification on.
  • the remaining pellet was mixed with 250 ⁇ each of the buffer PBS and lysis buffer 2.
  • 400 mg of glass beads of 425-600 ⁇ were added and the mixture was mixed by vortexing or at 50 Hz with the QIAGEN TissueLyser LT for 10 minutes, thereby mechanically digested.
  • 500 ⁇ of the supernatant was added to the previously separated plasma fraction (it is also possible, the mechanically digested sample-glass bead mixture via a coarse filter directly into the
  • the sample was then mounted on a QIAamp Mini column under vacuum with the aid of an attachment which allows sample volumes to be applied to a column larger than the volume of the sample itself, for example a 20 ml extender (QIAgen, Hilden, Germany) in which the nucleic acids present in the sample were selectively bound to the column.
  • the nucleic acids bound to the columns were then washed with 750 ml each of the commercially available buffers AW1 and buffer AW2 (QIAGEN, Hilden, Germany), the column was dried and the nucleic acids were washed with 50 ⁇ l of the commercially available buffer AE (QIAGEN, Hilden , Germany) elutes.
  • Human whole blood was supplemented with commercially available HBV and HCV standards (Acrometrix, Benicia, California, USA) to give a virus concentration of 5.0 x 10 4 lU / ml (International Units per milliliter) in the blood sample has been.
  • HBV and HCV standards Acrometrix, Benicia, California, USA
  • the samples were prepared in two different ways: First, 500 .mu.l of blood plasma, which was obtained by centrifuging a portion of the staggered blood, using the commercially available QIAGEN DSP virus kit (QIAGEN, Hilden, Germany) prepared according to the manufacturer , Furthermore, 8 ml of the stained whole blood was after the
  • Example 4 Isolation of microbial nucleic acids with different isopropanol concentration in the binding buffer
  • Human whole blood was spiked with either free DNA from Aspergillus fumigatus and Candida albicans or live cells from S. pyogenes and E. coli.
  • the human blood cell gDNA was depleted from these samples according to the method of the present invention described above under D, and the microbial cells in the samples containing them were digested as described above.
  • To the combined plasma fractions (5 ml total) 4 ml lysis buffer 3 and 0.5 ml proteinase K solution were added. The resulting mixture was incubated at 60 ° C.
  • Binding buffer either an isopropanol concentration had, which caused an isopropanol concentration of about 19.5% or about 42% isopropanol in the binding mixture.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung mikrobieller und gegebenenfalls zusätzlich viraler Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller Zellen, frei zirkulierender Nukleinsäuren und höherer eukaryontischer Zellen und gegebenenfalls zusätzlich Viren in einer Flüssigkeit enthalten, sowie einen Kit zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung intra-sowie extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren und gegebenenfalls zusätzlich viraler Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller und höherer eukaryontischer Zellen, frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärermikrobieller Nukleinsäuren, und gegebenenfalls zusätzlich Viren in einer Flüssigkeit enthalten.

Description

Verfahren zur selektiven Anreicherung und Isolierung mikrobieller und optional zusätzlich viraler
Nukleinsäuren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung mikrobieller und optional zusätzlich viraler Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller Zellen, höherer eukaryontischer Zellen und frei zirkulierender Nukleinsäuren sowie optional Viren in einer Flüssigkeit enthalten, sowie einen Kit zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung insbesondere intra- sowie extrazellulärer mikrobieller und optional zusätzlich viraler Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller und höherer eukaryontischer Zellen, frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, sowie gegebenenfalls Viren in einer Flüssigkeit enthalten.
Molekularbiologische Analyse- und Diagnoseverfahren gewinnen zunehmend insbesondere in der Humanoder Veterinärmedizin zum Nachweis von Infektionen oder genetischen Krankheitsveranlagungen an Bedeutung, da sie im Gegensatz zu konventionellen Verfahren einen sehr schnellen Nachweis der Erreger und somit eine schnelle Diagnose ermöglichen. Diese ermöglicht wiederum den frühzeitigen Beginn einer gezielten Therapie und kann daher insbesondere bei lebensbedrohlichen Infektionen die Mortalitätsrate der Patienten entscheidend senken. So liegt beispielsweise die Sterblichkeitsrate bei Sepsis-Patienten momentan immer noch bei 20 bis 50%, und Sepsis ist die häufigste Todesursache von in ein Krankenhaus eingewiesenen Menschen. Dieser Umstand ist nicht zuletzt auf die vergleichsweise langwierigen Diagnose- Verfahren zurückzuführen, welche einen Therapie-Beginn unweigerlich verzögern. Traditionell werden zum Nachweis derartiger Infektionen aus den Patienten gewonnene Proben, welche den bzw. die Erreger enthalten, unter geeigneten Bedingungen kultiviert, d.h. auf einem geeigneten Nährmedium angezüchtet, um so eine Vervielfältigung der Mikroorganismen zu erzielen und anschließend die entsprechenden Kolonien nachweisen zu können. Diese Kultivierungsverfahren nehmen im Allgemeinen jedoch mehrere Tage (ca. 3 bis 7 Tage) in Anspruch. Darüber hinaus lassen sich zahlreiche Erreger nicht durch das Anlegen von Blutkulturen nachweisen. Dies gilt insbesondere in der Virusdiagnostik.
Modernere Diagnoseverfahren konzentrieren sich daher auf den spezifischen Nachweis der Erreger- Nukleinsäuren (Desoxyribonukleinsäuren/DNA und/oder Ribonukleinsäuren/RNA). Da mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) binnen weniger Stunden auch sehr geringe Mengen von Nukleinsäuren exponentiell vervielfältigt werden können, ermöglicht dieser Ansatz den Nachweis mikrobieller DNA in humanen Blutproben mit enormer Zeitersparnis, beispielsweise bei der Sepsis-Diagnose, und kann die Überlebenschancen der betroffenen Patienten entscheidend verbessern. Je nach Art des Erregers befindet sich der größte Teil der nachzuweisenden Nukleinsäuren im Inneren einer Zelle ("intrazelluläre Nukleinsäuren") oder aber frei zirkulierend in der infizierten Probe ("extrazelluläre Nukleinsäuren"). Um die intrazellulären Nukleinsäuren isolieren zu können, müssen diese Nukleinsäuren zunächst aus den Zellen freigesetzt werden, bevor sie aufgereinigt, mit PCR-Techniken vervielfältigt und/oder analysiert werden können. Ein weiteres Problem beim Nachweis mikrobieller DNA aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller Zellen und höherer eukaryontischer Zellen enthalten, wie beispielsweise Blutproben von Patienten mit Sepsis, ist ferner die Tatsache, dass bei einer Lyse der Zellen nicht nur die zu analysierenden mikrobiellen Nukleinsäuren aus den in der Probe vorhandenen mikrobiellen Zellen freigesetzt werden, sondern auch große Mengen der eukaryontischen Nukleinsäuren aus den höheren eukaryontischen Zellen, deren Anzahl in einer aus einem höheren Eukaryonten gewonnenen Probe im Allgemeinen ein Vielfaches der Anzahl an mikrobiellen Zellen beträgt. Nukleinsäure-Präparationen, welche aus derartigen Mischproben gewonnen werden, enthalten somit ein Gemisch der Nukleinsäuren aller in der Probe vorhandenen Zelltypen. Das durchschnittliche Verhältnis von mikrobieller zu humaner DNA in Blutproben von menschlichen Sepsis-Patienten beträgt etwa 1 zu 2x109, so dass es in den nachfolgenden
Amplifikationsverfahren zum Nachweis der mikrobiellen DNA nicht selten zur Bildung unspezifischer Amplifikationsprodukte kommt, welche eine nachfolgende Diagnostik erschweren oder sogar zu
Fehldiagnosen führen können.
Im Stand der Technik gab es bereits verschiedene Ansätze, dieses Problem durch ein geeignetes Verfahren zum Zellaufschluss (Zelllyse) der in einer solchen Probe enthaltenen Zellen zu umgehen. So ist beispielsweise in WO 2006/092278 A1 ein Verfahren beschrieben, welches die selektive Isolierung mikrobieller Nukleinsäuren aus einer Mischprobe ermöglicht, die neben mikrobiellen Zellen höhere eukaryontische Zellen enthält. Die in einer humanen Blutprobe naturgemäß in großer Zahl vorhandenen höheren eukaryontischen Zellen werden hierbei unter Verwendung eines milden Lysepuffers, der ein chaotropes Agenz in relativ niedriger Konzentration enthält, aufgeschlossen, während die ebenfalls in den untersuchten Proben vorhandenen mikrobiellen Zellen zunächst intakt bleiben. Das Verfahren macht sich den Umstand zunutze, dass mikrobielle Zellen im Vergleich zu eukaryontischen Zellen unter chaotropen Bedingungen stabiler sind. Dem erhaltenen Lysat, welches die durch die Lyse freigesetzten eukaryontischen Zellbestandteile sowie die intakten mikrobiellen Zellen enthält, wird anschließend eine geeignete Nuklease zugesetzt, welche die eukaryontische DNA abbaut, wohingegen die intrazelluläre mikrobielle DNA durch die intakte mikrobielle Zelle vor einem Verdau geschützt ist. Durch anschließende Zentrifugation können die mikrobiellen Zellen als Pellet von dem Lysat abgetrennt werden, welches die (zumindest teilweise) abgebaute eukaryontische DNA enthält. In einem nächsten Schritt werden die auf diese Weise erhaltenen mikrobiellen Zellen einem weiteren Aufschluss zur Freisetzung der mikrobiellen intrazellulären DNA unterworfen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist allerdings, dass hierbei virale Nukleinsäuren und die frei zirkulierenden Nukleinsäuren, insbesondere die extrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, welche sich im flüssigen Bestandteil der Probe befinden, im Falle von Blutproben bspw. im Blutplasma, durch den vorangegangenen Nuklease-Verdau unweigerlich verloren gehen. Dies ist insbesondere im Hinblick darauf von Nachteil, dass neuere Arbeiten gezeigt haben, dass im Plasma befindliche Nukleinsäuren, insbesondere frei zirkulierende Nukleinsäuren, wichtige prognostische Marker darstellen (A. Rhodes et al., Critical Care 2006, 10:R60). Insbesondere bei einer Sepsis weisen die Patienten einen stark erhöhten Gehalt an frei zirkulierenden Nukleinsäuren im Blutplasma auf, der als unabhängiger Indikator zur Vorhersage des Krankheitsverlaufs und der Mortalität des Patienten genutzt werden kann (s. bspw. M. E. Bougnoux ef al. J. Clin. M;'cro/j;o/.1999, 37, 925-930; L. Metwally et al. J. Med. Microbiol. 2008, 57, 1269-1272; K. Saukkonen ef al. Clin. Chem. 2008, 54 (6), 1000-1007; Y. K. Tong ef al. Clin. Chim. Acta 2006, 363 (1-2), 187-196).
Auch in WO 2009/015484 A1 ist ein Verfahren zur Isolierung von mikrobiellen Nukleinsäuren aus
Körperflüssigkeiten beschrieben, welche neben den körpereigenen Zellen Mikroorganismen enthalten. Das dort beschriebene Verfahren umfasst ein zweistufiges Lyseverfahren. In einem ersten Schritt werden unter geeigneten Bedingungen selektiv die Blutzellen lysiert, während die mikrobiellen Zellen intakt bleiben.
Anschließend wird die lysierte Probe zentrifugiert, um die intakten mikrobiellen Zellen als Pellet abzutrennen. Nach dem Waschen dieses Pellets können die mikrobiellen Nukleinsäuren aus den in diesem Pellet enthaltenen mikrobiellen Zellen durch eine weitere Lyse freigesetzt werden. Verfahren zur Isolierung mikrobieller Zellen aus biologischen Proben, welche derartige Mischproben aus mikrobiellen und höheren eukaryontischen Zellen enthalten, die auf einem ähnlichen Prinzip beruhen, sind ferner in WO 97/07238 A2, WO 2006/088895 A2 und WO 2008/017097 A1 beschrieben. Keines der dort beschriebenen Verfahren erwähnt jedoch auch nur eine Möglichkeit zur Isolierung der extrazellulären mikrobiellen DNA.
Ein weiterer Ansatz zur Abtrennung intrazellulärer mikrobieller DNA von humaner DNA aus Vollblut- Mischproben liegt dem VYOO-Kit der Firma SIRS-Lab (Jena, Deutschland) zugrunde. Hier wird nach einer mechanischen Lyse der unterschiedlichen in einer Mischprobe enthaltenen Zellen zunächst die Gesamt-DNA der Probe isoliert. Die Anreicherung der mikrobiellen DNA in der Probe erfolgt in einem nächsten Schritt mittels eines festphasengebundenen Antikörpers, welcher die nicht-methylierte DNA der mikrobiellen Erreger bindet, während die methylierte humane DNA nicht gebunden wird. In einem anschließenden Schritt muss die gebundene mikrobielle DNA von der Festphase eluiert werden und anschließend aus dem erhaltenen Eluat ausgefällt werden. Mit diesem Verfahren können zwar sowohl intra- wie auch extrazelluläre mikrobielle Nukleinsäuren angereichert werden, allerdings ist die Anreicherung mit Hilfe der Bindung an die Antikörper- funktionalisierte Festphase nicht quantitativ, und auch beim nachfolgenden Ausfällen gehen signifikante Mengen der mikrobiellen DNA verloren. Ein weiterer Nachteil ist, dass virale Nukleinsäuren auch bei diesem Verfahren nicht aufgereinigt werden. Zudem ist das Verfahren äußerst zeitintensiv.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es daher, ein Verfahren bereitzustellen zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung mikrobieller Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller Zellen und höherer eukaryontischer Zellen sowie frei zirkulierender Nukleinsäuren in einer Flüssigkeit enthalten, welches die Anreicherung und/oder Isolierung intra- wie extrazellulärer, insbesondere mikrobieller, Nukleinsäuren aus derselben Probe in kurzer Zeit erlaubt. Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung mikrobieller Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller Zellen und höherer eukaryontischer Zellen sowie frei zirkulierender
Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, in einer Flüssigkeit enthalten, welches die folgenden Schritte umfasst:
1. Im Wesentlichen Trennen des flüssigen Bestandteils der Probe, einschließlich der in diesem flüssigen Bestandteil gelösten Substanzen wie der frei zirkulierende Nukleinsäuren insbesondere der extrazellulären Nukleinsäuren, von den festen Bestandteilen der Probe, insbesondere von den zellulären Bestandteilen,
2. Selektive Lyse der in den festen Probenbestandteilen enthaltenen eukaryontischen Zellen ohne gleichzeitige Lyse der mikrobiellen Zellen,
3. Im Wesentlichen Trennen der festen Bestandteile, einschließlich der mikrobiellen Zellen, von dem flüssigen Bestandteil, einschließlich der in diesem flüssigen Bestandteil gelösten Substanzen, des in Schritt 2 erhaltenen Lysats,
4. Resuspension der in Schritt 3 erhaltenen festen Bestandteile,
5. Lyse der mikrobiellen Zellen, welche in der in Schritt 4 erhaltenen Suspension vorliegen,
6. Reinigung und/oder Konzentrierung der frei zirkulierenden, insbesondere der extrazellulären mikrobiellen, Nukleinsäuren aus dem in Schritt 1 erhaltenen flüssigen Bestandteil und/oder der intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren aus dem in Schritt 5 erhaltenen Lysat.
Sofern die Probe neben den mikrobiellen und den höheren eukaryontischen Zellen und den frei zirkulierenden Nukleinsäuren noch Viren enthält, ist ferner optional zusätzlich oder auch gleichzeitig in Schritt 6 eine Anreicherung und/oder Isolierung der viralen Nukleinsäuren möglich, da die Viren hauptsächlich in dem in Schritt 1 des Verfahrens abgetrennten flüssigen Bestandteil der Probe vorliegen solltenund daher ebenfalls effektiv von den höheren eukaryontischen Zellen abgetrennt werden können.
Besonders bevorzugt werden gemäß dem vorliegenden Verfahren in Schritt 6 sowohl die extra- wie auch die intrazellulären, insbesondere mikrobiellen, Nukleinsäuren aufgereinigt. Dies kann gleichzeitig oder nacheinander separat, oder nach Zusammengeben des flüssigen Bestandteils aus Schritt 1 mit dem Lysat aus Schritt 5 gemeinsam erfolgen.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können sowohl intrazelluläre als auch extrazelluläre mikrobielle Nukleinsäuren aus Mischproben, welche neben den mikrobiellen Zellen höhere eukaryontische Zellen und frei zirkulierende Nukleinsäuren enthalten, isoliert und angereichert werden. Hierbei ist möglich, die intrazellulären Nukleinsäuren und/oder die extrazellulären Nukleinsäuren getrennt voneinander oder nach dem Vereinigen der entsprechenden Fraktionen gemeinsam aufzureinigen und zu konzentrieren. Sofern gewünscht, ermöglicht das Verfahren zusätzlich zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung der mikrobiellen Nukleinsäuren ferner auch eine selektive Anreicherung und/oder Isolierung der höheren eukaryontischen Nukleinsäuren. Bei den zu isolierenden Nukleinsäuren kann es sich sowohl um RNA als auch um DNA handeln, die jeweils einzelsträngig oder doppelsträngig sein kann. Während für den Nachweis mikrobieller Zellen die Nukleinsäuren bevorzugt DNA darstellen, sind in Abhängigkeit von der Art des Virus (DNA- oder RNA-Virus) für den Nachweis von Viren sowohl DNA als auch RNA von Interesse.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen Nukleinsäuren können anschließend durch hoch spezifische und sensitive Verfahren wie PCR- und/oder Hybridisierungsreaktionen nachgewiesen werden. Aufgrund der Abreicherung der humanen gDNA können sehr hohe Eingangsvolumina verwendet werden und die gebundenen Nukleinsäuren gleichzeitig in kleinsten Elutionsvolumina eluiert werden. Dieses hohe Verhältnis von Eingangs- zu Elutionsvolumen führt dann zu einer sehr hohen Sensitivität. Ohne die Abreicherung der humanen gDNA wäre dieses Eingangs-/Elutions-Verhältnis nicht möglich, da es nachfolgend zu PCR-Inhibitionen kommen könnte. Das Verfahren ermöglicht ferner sogar die Freisetzung und den Nachweis phagozytierter mikrobieller Zellen aus Granulozyten oder Makrophagen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter dem Begriff "selektive Anreicherung und/oder Isolierung" ein Verfahren verstanden, welches es ermöglicht, aus einer Mischprobe, welche mikrobielle Zellen, feri zirkulierende Nukleinsäuren, gegebenenfalls Viren und höhere eukaryontische Zellen enthält, in reproduzierbarer Weise Nukleinsäuren zur Verfügung zu stellen, welche ausschließlich oder im
überwiegenden Maße aus den in der Probe enthaltenen mikrobiellen Zellen stammen, inklusive der extrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, sowie gegebenenfalls zusätzlich Nukleinsäuren viralen
Ursprungs, während der Anteil der Nukleinsäuren aus höheren eukaryontischen Zellen in der Probe gleichzeitig deutlich verringert wird. Als höhere eukaryontische Zellen werden im Sinne der Erfindung eukaryontische Zellen höheren
Entwicklungsgrades verstanden, wie sie beispielsweise in pflanzlichen oder tierischen Organismen vorkommen. Derartige multizelluläre Organismen zeichnen sich u.a. durch eine Zelldifferenzierung aus, in dem die einzelne höhere eukaryontische Zelle nicht selbstständig alle lebensnotwendigen biochemischen und metabolischen Funktionen ausführt, sondern durch Spezialisierung an die Ausführung einer oder mehrerer Funktionen angepasst ist. Der Begriff höhere eukaryontische Zelle umfasst dabei sowohl Zellen, welche in einem Gewebe organisiert sind wie auch einzelne Zellen, beispielsweise Spermatozoen oder Blutkörperchen, die in den Körperflüssigkeiten eines Säugetiers, einschließlich des Menschen, oder in seinen Ausscheidungsprodukten vorkommen, beispielsweise in Blut, Lymphflüssigkeit, Gehirnliquor, in Urin, Faeces oder Speichel. Bevorzugt stellen die höheren eukaryontischen Zellen Säugetierzellen, besonders bevorzugt humane Zellen dar. Auch Suspensionen oder Aufschlämmungen von Proben in einer wässrigen Lösung, bspw. einem Puffer können als Ausgangsmaterial für das vorliegende Verfahren dienen. Die zu analysierende Probe enthält eine Mischung mikrobieller Zellen, frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, gegebenenfalls Viren und höherer eukaryontischer Zellen in einer Flüssigkeit. Vorzugsweise stammt die Probe aus einer natürlichen Umgebung, beispielsweise aus einem pflanzlichen, tierischen oder menschlichen Organismus. Bevorzugt handelt es sich bei der Probe um Körperflüssigkeiten von Säugetieren, besonders bevorzugt von Menschen, umfassend Punktate, Liquor, Lymphflüssigkeit, Gelenk-, Perotoneal- oder Pleuraflüssigkeit, Knochenmark, Blut, insbesondere Vollblut, Sperma, Urin, Faeces, Speichel und Bronchial-Alveolar-Lavage, Konzentrate oder verdünnte Lösungen derselben oder resuspendiertes Zellmaterial, welches durch Abstriche gewonnen wurde. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Probe um Blut oder Blutkonzentrate wie Thrombozyten- oder Erythrozyten- konzentrate.
Als mikrobielle Zellen werden im Sinne der Erfindung die diverse Gruppe von Organismen bezeichnet, welche in der Natur selbstständig als einzelne Zelle oder als Zell-Cluster existieren, und sich somit von höheren eukaryontischen Zellen unterscheiden, die in der Natur nicht als einzelne Zelle vorkommen, sondern ausschließlich als Bestandteile multizellulärer Organismen mit Zellspezialisierung. Unter dem Begriff "mikrobielle Zelle" werden im Sinne der Erfindung unter anderem prokaryontische Zellen, beispielsweise Bakterien oder Archaebakterien, aber auch Zellen niederer Eukaryonten wie mikroskopische Algen, Hefen, Pilze oder Protozoen verstanden. In einer bevorzugten Ausführungsform stellen die mikrobiellen Zellen Bakterienzellen und/oder Zellen niederer Pilze dar.
Der Begriff "Bakterien" umfasst hierbei grampositive und gramnegative Bakterien, insbesondere Bakterien der Gattungen Mycobacterium spp., Enterococcus, Enterobacter, Klebsiella, Proteus, Pseudomonas, Serratioa, Escherichia, Acinetobacter, Streptococcus, Staphylococcus, Salmonella, Legionella, Chlamydia, Shigella, Pseudomonas, Listeria, Yersinia, Corynebacterium, Bordetella, Bacillus, Clostridium, Haemophilus, Helicobacter und Vibrio.
Pilzzellen, deren Nukleinsäuren sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren anreichern und oder isolieren lassen, sind insbesondere Zellen von Pilzen der Gattungen Aspergillus, Basidiobolus, Cephalosporium, Skopulariopsis, Rhizomucor, Entomophthora, Mucor, Syncephalastrum, Absidia, Altenaria, Rhizopus, Stemphylium, Nigrospora, Chrysosporium, Botrytis, Helmithosporium, Curvularia, Hemispora, Phoma, Paecilomyces und Thielavia, insbesondere A. fumigatus, A. tereus, A. niger, A. nidulans, A. homegadus, A. flavus B. microsporus, B. rhanarum, C. crysogenum, C. corebiobides, C. regatum und C. diospyri.
Ferner können auch die Nukleinsäuren der pathogenen Hefen der Gattung Candida, beispielsweise C. tropicalis, C. glabrata, C. krusei, C. parapsilosis, C. albicans, C. guilliermondii und andere angereichert und/oder isoliert werden, ebenso wie die Nukleinsäuren aus Algen, beispielsweise aus Euglena spp., Coscinodiscus spp., Trachelomonas spp., Gymnodinium sanguineum, Dinophysis nitra, Ceratium massiliense, Chlorella, Chlorococcum oder Eremosphaera, oder aus Protozoen, wie beispielsweise
Plasmodium, Trypanosoma, Leishmania, Toxoplasma und Cryptosporidium, bevorzugt Plasmodium malariae, Plasmodium falciparum, Trypanosoma brucei, Trypanosoma cruzei, Toxoplasma gondii,
Cryptosporidium parvum, Cryptosporidium serpentis und Cryptosporidium hominis.
Des Weiteren können optional auch virale Nukleinsäuren mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angereichert und/oder isoliert werden, wie beispielsweise bevorzugt die DNA des Hepatitis-B-Virus (HBV), des Epstein-Barr-Virus (EBV) und des Cytomegalie-Virus (CMV) und/oder die RNA des humanen
Immundefizienz-Virus (HIV) und des Hepatitis-C-Virus (HCV).
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf ein spezielles Probenvolumen beschränkt, und es können sowohl Probenvolumina im μΙ-Bereich wie auch deutlich größere Probenvolumina von beispielsweise 50 oder 100 ml prozessiert werden, wobei die im folgenden genannten Mengen und Volumina der im Verfahren verwendeten Agenzien und Lösungen dann der Probenmenge gegebenenfalls nach dem Fachmann bekannten Maßstäben entsprechend angepasst werden, ebenso wie die Dauer der einzelnen
Verfahrensschritte. Bevorzugt beträgt das Volumen der Probe 1 bis 20 ml, weiterhin bevorzugt 2 bis 15 ml und besonders bevorzugt 3 bis 8 ml.
Das Trennen der flüssigen Bestandteile, einschließlich der in diesen flüssigen Bestandteilen gelösten Substanzen, wie beispielsweise frei zirkulierende Nukleinsäuren und gegebenenfalls zusätzlich in der Probe enthaltene Viren, von den festen Bestandteilen in den Verfahrensschritten 1 und 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens kann beispielsweise durch Filtration, Zentrifugation oder Dekantieren erfolgen. Hierbei kann das Trennen der flüssigen Bestandteile von den festen Bestandteilen in dem Verfahrensschritt 1 mit der gleichen oder mit einer anderen Methode als im Verfahrensschritt 3 erfolgen. Bevorzugt erfolgt das Trennen der flüssigen Bestandteile von den festen Bestandteilen in den Verfahrensschritten 1 und/oder 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Gewinnung von Plasma aus Vollblutproben mit Hilfe einer Zentrifugation der Probe. Die Zentrifugation der Probe erfolgt hierbei bevorzugt für 2 bis 30 Minuten, weiterhin bevorzugt für 5 bis 20 Minuten und besonders bevorzugt für 10 bis 15 Minuten. Die Zentrifugation der Probe erfolgt bevorzugt bei einer Beschleunigung von 2.000 bis 10.000 g, bevorzugt bei 5.000 g. Sofern das Trennen der flüssigen Bestandteile von den festen Bestandteilen sowohl im Verfahrensschritt 1 als auch im Verfahrensschritt 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Hilfe einer Zentrifugation der Probe erfolgt, können die Beschleunigung und die Dauer der Zentrifugation in den beiden Verfahrensschritten gleich oder verschieden sein. So kann beispielsweise bei der Prozessierung einer Vollblutprobe die Abtrennung des Plasmas, inklusive der in dem Plasma frei zirkulierenden, insbesondere mikrobiellen, Nukleinsäuren und gegebenenfalls der Viren, von den festen Probenbestandteilen, insbesondere den Blutzellen und den mikrobiellen Zellen, in einem ersten Verfahrensschritt durch eine Zentrifugation bei 5.000 g ± 500 g für 10 Minuten erfolgen. Nach Abtrennen des Überstands der zentrifugierten Probe und anschließender selektiver Lyse der in den festen Probenbestandteilen, d.h. im Pellet, enthaltenen eukaryontischen Zellen ohne gleichzeitige Lyse der mikrobiellen Zellen kann der in diesem Schritt erhaltene flüssige Bestandteil (das Lysat), einschließlich der in diesem flüssigen Bestandteil gelösten Substanzen, insbesondere den freigesetzten eukaryontischen Zellbestandteilen, von den festen Bestandteilen, einschließlich der mikrobiellen Zellen, durch einen weiteren Zentrifugationsschritt, beispielsweise für 15 Minuten bei 5.000 ± 500 g getrennt werden.
Das Abtrennen des Überstands von den festen Bestandteilen nach der Zentrifugation kann durch jedes beliebige, dem Fachmann zu diesem Zweck bekannte Verfahren erfolgen, beispielsweise durch Dekantieren oder Abpipettieren des Überstands.
Die selektive Lyse der eukaryontischen Zellen in Verfahrensschritt 2 des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bevorzugt in einer Mischung (Puffer 1) durchgeführt, welche
1. mindestens eine chaotrope Substanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend
Guanidiniumthiocyanat (GTC), Guanidiniumhydrochlorid (GuHCI), Guanidiniumisothiocyanat (GIT),
Alkaliperchlorate, Alkaliiodide, Harnstoff oder Mischungen derselben,
2. mindestens ein Tensid, bevorzugt ein nichtionisches Tensid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Sorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen, Polyoxyalkylenether von Alkylphenolen, Poloxamere oder Mischungen derselben und
3. mindestens eine Puffersubstanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Tris, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben
umfasst. Unter dem Begriff„Lyse" wird im Sinne der Erfindung ein Verfahren zum wenigstens teilweisen Aufschluss von Zellen unter zumindest teilweiser Zerstörung der Membranen und/oder Zellwände verstanden, welche die Nukleinsäuren der Zellen umschließen und vom umgebenden Medium trennen. Durch die zumindest teilweise Zerstörung dieser Strukturen werden die Zellbestandteile wie Proteine und Nukleinsäuren in die umgebende Flüssigkeit freigesetzt. Als selektive Lyse der höheren eukaryontischen Zellen wird im Sinne der Erfindung ein Verfahren bezeichnet, bei welchem nur die höheren eukaryontischen Zellen, nicht jedoch die mikrobiellen Zellen in einer Mischprobe lysiert werden, so dass nach erfolgter Lyse nur die intrazellulären Nukleinsäuren der eukaryontischen Zellen in der Mischung vorliegen, während die intrazellulären
Nukleinsäuren der mikrobiellen Zellen weiterhin durch die sie umschließende Zellwand geschützt sind. Bevorzugt werden in diesem Schritt der selektiven Lyse mehr als 50 %, weiterhin bevorzugt mehr als 75 %, besonders bevorzugt mehr als 90 % und insbesondere bevorzugt mehr als 98 % der in der Probe befindlichen höheren eukaryontischen Zellen lysiert, während bevorzugt weniger als 50 %, weiterhin bevorzugt weniger als 20 %, besonders bevorzugt weniger als 10 % und insbesondere weniger als 1 % der mikrobiellen Zellen lysiert werden. Derartige selektive Bedingungen lassen sich beispielsweise über die Bestandteile der verwendeten Lysepuffer, die Konzentration der Bestandteile in dem Lysepuffer und die Gesamtkonzentration des Lysepuffers in der Probenlösung einstellen, was dem Fachmann bekannt ist und anhand der später aufgeführten Beispiele verdeutlicht wird.
Als chaotrope Substanz wird eine chemische Verbindung bezeichnet, welche die Fähigkeit hat, die geordneten Wasserstoffbrückenbindungen in Wasser zu stören. Durch die Störung der Wasserstruktur nimmt die Entropie einer wässrigen Lösung zu, und die Löslichkeit unpolarer Substanzen in dieser Lösung wird erhöht. Dadurch werden hydrophobe Wechselwirkungen minimiert, was zu einer Denaturierung von Proteinen und einer Lyse der Zellwände/Plasmamembranen führt. Die chaotropen Substanzen sind beispielsweise der Hoffmann-Reihe zu entnehmen. Besonders geeignete Substanzen sind beispielsweise die zuvor genannten Guanidiniumverbindungen oder auch Alkaliperchlorate, Alkaliiodide oder Harnstoff. Als Alkaliperchlorate sind im Sinne der Erfindung Natriumperchlorat und Kaliumperchlorat, als Alkaliiodide Natriumiodid oder Kaliumiodid bevorzugt.
Unter einem Tensid wird im Sinne der Erfindung eine organische grenzflächenaktive Substanz verstanden, welche mindestens einen hydrophilen und mindestens einen hydrophoben Teil aufweist. Im Sinne der Erfindung können anionische Tenside wie bspw. Natriumdodecylsulfat (SDS), kationische Tenside wie quartäre Tetraalkylammoniumsalze, bspw. Cetyltrimethylammoniumchlorid, ampholytische Tenside wie bspw. 3-((3-Cholamidopropyl)dimethylammonium)-1-propansulfonat (CHAPS) und nichtionische Tenside oder Gemische derselben verwendet werden. Bevorzugt handelt es sich bei dem Tensid um ein nichtionisches Tensid oder ein Gemisch verschiedener nichtionischer Tenside. Besonders bevorzugte nichtionische Tenside im Sinne der Erfindung sind Sorbitanester von Fettsäuren wie beispielsweise Sorbitanmonooleat, Sorbitansesquioleat, Sorbitantrioleat, die entsprechenden -laurate, -palmitate, -stearate oder Mischungen derselben, kommerziell bspw. unter den Namen Arlacel 83, Span 65, Span 80 oder Span 85 erhältlich, Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren, wie bspw. Polyoxyethylensorbitanmonooleat, Polyoxyethylensorbitansesquioleat, Polyoxyethylensorbitantrioleat, die entsprechenden -laurate, -palmitate, - stearate oder Mischungen derselben, kommerziell bspw. unter den Namen Tween 20 oder Tween 85 erhältlich, Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen wie bspw. Polyoxyethylenlaurylether, -stearylether, - cetylether, -oleylether oder Mischungen derselben, z.B. Eicosaethylenglycolhexadecylether, kommerziell bspw. unter den Namen Brij 58 oder Brij 98 erhältlich, Polyoxyalkylenether von Alkylphenolen wie bspw. AI kyl phenol poly(glycolether) mit linearen oder verzweigten Ce-Al kylresten, beispielsweise Polyethylenglycol- [4-(1 ,1,3,3-tetramethylbutyl)phenyl]ether mit 9 bis 10 Ethylenoxid-Einheiten, die kommerziell bspw. unter den Namen Triton X-100, Igepal CA- 520 oder Nonidet P40 erhältlich sind, sowie sogenannte Poloxamere, Blockcopolymere aus Ethylenoxid und Propylenoxid, kommerziell bspw. unter dem Namen Pluronic erhältlich. Vorzugsweise kommen in den oben genannten Substanzen unabhängig voneinander mittlere und höhere Fettsäuren bzw. Fettalkohole zur Anwendung, d.h. Fettsäuren bzw. Fettalkohole mit 8-12 bzw. 13-30 C-Atomen. Diese können gesättigt oder ungesättigt sein. Das Tensid erleichtert sowohl die Mischbarkeit der einzelnen Verbindungen innerhalb des Lysepuffers als auch die Mischbarkeit des Lysepuffers mit der Probe. Darüber hinaus kann das Tensid auch aktiv die Zerstörung der Zellwand- oder Plasmamembran-Struktur der Zellen bewirken.
Unter einer Puffersubstanz wird im Sinne der Erfindung ein System aus einer Säure und ihrer konjugierten Base bezeichnet, welche den pH-Wert einer Lösung, enthaltend die Puffersubstanzen, durch Aufnahme bzw. Abgabe von Protonen konstant hält, je nachdem, ob in der Lösung durch eine Reaktion oder externe Zugabe Protonen freigesetzt oder verbraucht werden. Eine Puffersubstanz ist im Sinne der Erfindung somit zu unterscheiden von einer Pufferlösung (auch als Puffer bezeichnet), welche neben dem Lösungsmittel und der eigentlichen Puffersubstanz weitere Substanzen, wie beispielsweise Salze, Tenside und chaotrope Agenzien etc. enthalten kann. Bevorzugt im Sinne der Erfindung sind Puffersubstanzen, welche den pH-Wert der Pufferlösung im Bereich von 6 bis 10, weiter bevorzugt von 7 bis 9, am meisten bevorzugt von 8 stabilisieren. Bevorzugt im Sinne der Erfindung sind weiterhin amphotere Puffersubstanzen, also Verbindungen, welche im selben Molekül sowohl mindestens eine saure wie auch mindestens eine basische Gruppe tragen und somit sowohl sauer als auch basisch reagieren können.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der erfindungsgemäße Puffer 1 als Lysepuffer 1 in der Weise zu der zu lysierenden Probe gegeben, dass die Konzentration der Pufferbestandteile in der Probe nach Zugabe des Puffers (1) 0,1 bis 2 M, vorzugsweise 0,2 bis 1 M, weiter bevorzugt 0,4 bis 0,8 M
Chaotrop, bevorzugt ein Gunanidinium-haltiges Chaotrop wie oben beschrieben, (2) 0,5 bis 5 %, vorzugsweise 1 bis 4 %, weiter bevorzugt 1 ,8 bis 3 % jeweils (w/v) Tensid, bevorzugt ein nicht-ionisches Tensid und (3) 2 bis 50 mM, vorzugsweise 4 bis 30 mM, weiter bevorzugt 10 mM Puffersubstanz, beträgt, am meisten bevorzugt einem pH-Wert von 8. Zum Erreichen derartiger Konzentrationen in der Lyselösung wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein Puffer eingesetzt, der folgende Konzentrationen aufweist: (1) 0.2 bis 4 M, vorzugsweise 0,4 bis 3 M, weiter bevorzugt 2 M Chaotrop, vorzugsweise enthaltend
Guanidinium, (2) 0.5 bis 10 % , vorzugsweise 1 bis 5 % jeweils (w/v) Tensid, vorzugsweise ein nichtionisches Tensid und (3) 2 bis 100 mM, vorzugsweise 10 bis 50 mM Puffersubstanz, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 6.0 bis 10.0, weiter bevorzugt von 7.0 bis 9.0 und am meisten bevorzugt von 8.0
Auf die Abtrennung der flüssigen Bestandteile von den festen Bestandteilen in Verfahrensschritt 3 des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche bevorzugt durch Zentrifugation erfolgt, ist bereits oben eingegangen worden. Das hierbei erhaltene Pellet, enthaltend die von den flüssigen Bestandteilen abgetrennten festen Bestandteile, vor allem die mikrobiellen Zellen, wird in Schritt 4 des erfindungsgemäßen Verfahrens resuspensiert, beispielweise durch kurzes Schütteln der Probe in dem nach der Abtrennung der flüssigen Bestandteile verbleibenden Restvolumen der Flüssigkeit, um die festen Bestandteile in dieser zu verteilen. Alternativ kann die Probe auch vor oder während des Schütteins mit einer geringen Menge an Wasser, einer geeigneten Pufferlösung oder einem sonstigen geeigneten Lösungsmittel versehen werden. Außerdem kann ein Zwischenschritt eingeführt werden, in dem das Pellet in einer geeigneten Waschlösung, bspw. in Lysepuffer, gewaschen wird. Die Lyse der mikrobiellen Zellen in Verfahrensschritt 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens kann prinzipiell mit jeder dem Fachmann bekannten Methode erfolgen, welche geeignet ist, die Zellwand und/oder
Plasmamembran der mikrobiellen Zellen zumindest teilweise zu zerstören und die in den Zellen enthaltenen Zellbestandteile, insbesondere die Nukleinsäuren, in die umgebende Flüssigkeit freizusetzen. Eine Vielzahl von Verfahren sind für diverse Arten mikrobieller Zellen im Stand der Technik beschrieben, wie
beispielsweise das wiederholte Auftauen und Einfrieren, die Behandlung mit Enzymen, wie Lysostaphin, Lyticase oder Lysozym, oder die Zugabe von chemischen Agenzien wie chaotropen Substanzen oder Tensiden in einer entsprechenden Konzentration. Ganz besonders wirksam ist eine Kombination verschiedener Lyseverfahren, die je nach Kompatibilität der Lysemittel gleichzeitig oder sequentiell erfolgen können. Bevorzugt erfolgt die wenigstens teilweise Lyse der mikrobiellen Zellen in Verfahrensschritt 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens mechanisch. Geeignete mechanische Verfahren umfassen beispielsweise die Behandlung der mikrobiellen Zellen in einer French-Presse, einer Zellmühle oder einem Mörser sowie eine Ultraschallbehandlung. Besonders bevorzugt erfolgt die Lyse der mikrobiellen Zellen in Verfahrensschritt 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens durch mechanisches Homogenisieren der Probe unter Verwendung von geeigneten Partikeln, insbesondere Perlen (beads), bevorzugt Glasperlen. Hierbei ist das mechanische Durchmischen der Probe, enthaltend die mikrobiellen Zellen und die Glasperlen, in einem Gerät bevorzugt, welches diese Probe in horizontaler und/oder vertikaler Ausrichtung schüttelt, wie beispielsweise ein Laborvortexer, ein QIAGEN Tissue-Lyser, ein Fast Prep-Gerät oder ähnliches. Bevorzugt wird das mechanische Homogenisieren der Probe in Gegenwart einer Pufferlösung vorgenommen, die zusätzlich auch lytische Eigenschaften aufweisen kann. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Lyse der mikrobiellen Zellen in Verfahrensschritt 5 des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung von Glasperlen einer Größe von 400 bis 600 μίη in Gegenwart einer Pufferlösung, insbesondere eines Puffers mit lytischen Eigenschaften.
Eine geeignete Pufferlösung zur Verwendung bei der oben beschriebenen mechanischen Lyse, die zusätzlich lytische Eigenschaften aufweist (Puffer 2) umfasst hierbei bevorzugt
1. mindestens eine Puffersubstanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Tris-HCI, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben,
2. mindestens ein Komplexierungsreagenz für zweiwertige Metallionen, bevorzugt EDTA,
3. mindestens ein Tensid, bevorzugt ein nichtionisches Tensid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Sorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren,
Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen, Polyoxyalkylenether von Alkylphenolen, Poloxamere oder Mischungen derselben und 4. optional einen Schauminhibitor, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Reagenz DX (QIAGEN, Hilden, Deutschland) und SILFOAM® SRE (Wacker Chemie, München, Deutschland) oder ähnliche geeignete Schauminhibitoren,
und weist einen pH-Wert von 6 bis 10, vorzugsweise von 7 bis 9, am meisten bevorzugt von 8 auf.
Die Bedeutung der Begriffe Puffersubstanz und Tensid sowie bevorzugte Ausführungsformen im Sinne der vorliegenden Erfindung wurden bereits oben für den Lysepuffer 1 erläutert. Die für den Puffer 1 genannten Ausführungsformen sind ebenso als Bestandteile des Puffers 2 bevorzugt, wobei als nichtionisches Tensid für den Puffer 2 besonders bevorzugt Polyoxyalkylenether von Alkylphenolen wie bspw.
AI kyl phenol poly(glycolether) mit linearen oder verzweigten Ce-Alkylresten zum Einsatz kommt, kommerziell erhältlich unter dem Namen Triton X-100.
Weiterhin enthält der Puffer 2 ein Komplexierungsreagenz, insbesondere für zweiwertige Metallionen. Hierfür sind alle Substanzen geeignet, die in der Lage sind, Metallionen und insbesondere zweiwertige Metallionen, zu komplexieren, beispielsweise DTPA, EGTA oder EDTA, wobei letzteres bevorzugt ist.
Optional kann der Puffer 2 weiterhin einen Schauminhibitor enthalten, um ein zu starkes Schäumen der Probe während der mechanischen Lyse zu verhindern, welches im Extremfall zum ungewollten Austritt der Probe aus dem Probengefäß und damit zu Substanzverlust führen würde und weiterhin auch die nachfolgende Prozessierung der Probe u. a. aufgrund der Volumenzunahme erschweren würde. Bevorzugt im Sinne der Erfindung sind beispielsweise die kommerziell erhältlichen Schauminhibitoren Reagenz DX (QIAGEN, Hilden, Deutschland) und SILFOAM® SRE (Wacker Chemie, München, Deutschland). Sofern der Lysepuffer einen Schauminhibitor enthält, ist dieser bevorzugt in einem Anteil von 0.1 bis 1 % (v/v), bezogen auf die Gesamtzusammensetzung des Puffers, enthalten.
Besonders bevorzugt umfasst der Puffer 2, der vorteilhafterweise auch lytische Eigenschaften aufweist,, (1) eine Puffersubstanz, (2) Komplexierungsreagenz, (3) Tensid und (4) optional einen Schauminhibitor wie Reagenz DX und weist einen pH-Wert von 7.0 bis 9.0 auf. Es ist bevorzugt, dass die jeweiligen
Pufferkomponenten während der mechanischen Lyse in einer Konzentration von (1) 2 bis 20 mM, vorzugsweise 4 bis 15 mM, weiter bevorzugt 5 bis 10 mM Puffersubstanz, (2) 0,1 bis 5 mM, vorzugsweise 1 bis 4 mM, weiter bevorzugt 2 bis 3 mM Komplexierungsreagenz, (3) 0,1 bis 5 %, vorzugsweise 1 bis 3 %, weiter bevorzugt 1 ,8 bis 2 % jeweils (w/v) Tensid, vorzugsweise nichtionisches Tensid, und (4) optional 0,1 bis 1 %, vorzugsweise 0,3 bis 0,9 %, weiter bevorzugt 0,5 bis 0,7 % jeweils (v/v) Schauminhibitor vorzugsweise bei einem pH-Wert von 7.0 bis 9.0, weiter bevorzugt von 8.0 vorliegen. Eine geeignete Pufferlösung, die derartige Lysebedingungen liefert, enthält vorzugsweise (1) 5 bis 50 mM, vorzugsweise 8 bis 25 mM, weiter bevorzugt 10 bis 20 mM Puffersubstanz, (2) 0.5 bis 10 mM, vorzugsweise 1 bis 8 mM, weiter bevorzugt 2 bis 5 mM Komplexierungsmittel, (3) 0.2 bis 10 %, vorzugsweise 0,5 bis 5 %, weiter bevorzugt 1 ,2 bis 2 % jeweils (w/v) Tensid und (4) optional 0.1 bis 3 %, vorzugsweise 0,2 bis 2 %, weiter bevorzugt 0,5 bis 1 % jeweils (v/v) Schauminhibitor wie beispielsweise Reagenz DX vorzugsweise bei einem pH-Wert von 7.0 bis 9.0, weiter bevorzugt bei 8.0. Da es in der Praxis vorkommen kann, dass das obige Lyseverfahren nicht zu einer vollständigen, sondern nur zu einer teilweisen Lyse der mikrobiellen Zellen führt, ist daher in einer bevorzugten Ausführungsform ein weiteres Lyseverfahren nachgeschaltet, das vorzugsweise mit einer Lyselosung erfolgt. Es ist jedoch auch möglich die Lyse der mikkrobiellen Zellen direkt mit der entsprechenden Lyselosung zu bewirken, ohne vorab eine mechanische Lyse durchzuführen.
Da es besonders vorteilhaft ist, im Rahmen der Reinigung und Konzentrierung insbesondere der mikrobiellen und ggf. viralen Nukleinsäuren, einen Protease-Verdau durchzuführen, kann dieser in günstiger Weise mit dem beschriebenen Lyseschritt kombiniert werden. Es ist jedoch auch denkbar, den Protease-Verdau in einem anderen Verfahrensschritt, beispielsweise in Kombination mit der mechanischen Lyse, oder im anschließenden Reingungs- und/oder Konzentrierungsprozess durchzuführen.
Vorteilhafterweise wird zur Optimierung der Lyse der mikrobiellen Zellen entsprechend Verfahrensschritt 5 die Lyse zumindest teilweise durch Versetzen der Suspension aus Verfahrensschritt 4 oder durch Versetzen des Lysates resultierend aus der oben beschriebenen vorherigen mechanischen Lyse, die gegebenenfalls unterstützt wird durch einen ebenfalls zumindest teilweise lytisch wirkenden Puffer, mit einer Protease, bevorzugt Proteinase K, und einer Lyselosung (Puffer 3) bewirkt. Vorzugsweise umfasst Puffer 3
1. mindestens eine chaotrope Substanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend
Guanidiniumthiocyanat (GTC), Guanidiniumhydrochlorid (GuHCI), Guanidiniumisothiocyanat (GIT), Alkaliperchlorate, Alkaliiodide, HArnstoff oder Mischungen derselben,
2. mindestens ein Tensid, bevorzugt ein nichtionisches Tensid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Sorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen, Polyoxyalkylenether von Alkylphenolen, Poloxamere oder Mischungen derselben und
3. mindestens eine Puffersubstanz, bevorzugt Tris, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben.
Die dabei erhaltene Mischung wird zur Aktivierung der Protease vorzugsweise für 5 bis 40 Minuten bei 45° bis 70°C, weiter bevorzugt für 10 bis 20 Minuten bei 50 bis 65°C, besonders bevorzugt für 15 Minuten bei 60°C inkubiert. Bevorzugt wird die Probe hierzu mit einem Volumen des Puffers 3 versetzt, welches 40 bis 150 %, bevorzugt 70 bis 110 % und insbesondere 90 % ihres eigenen Volumens beträgt, sowie mit einem Volumen einer Proteaselösung, bevorzugt einer Proteinase K - Lösung mit > 600 mAU/ml (AU: Anson unit), kommerziell beispielsweise als QIAGEN Proteinase K (QIAGEN, Hilden, Deutschland) erhältlich, welches 1 bis 30 %, bevorzugt 5 bis 20 % und besonders bevorzugt 10 % ihres eigenen Volumens beträgt. So werden beispielsweise zu 5 ml der Probe in einer besonders bevorzugten Ausführungsform 4 ml des Puffers 3 und 0,5 ml Proteaselösung hinzugegeben.
Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die oben genannten Substanzen der Pufferlösung während der Lyse insbesondere in einer Konzentration von (1) 1 bis 5 M Chaotrop, (2) 5 bis 20 % (w/v) Tensid und (3) 20 bis 100 mM Puffersubstanz, insbesondere bei einem pH-Wert von 8.0, vorliegen.
Ein geeigneter Puffer, der derartige Lysekonditionen liefert, enthält (1) 3 bis 10 M, vorzugsweise 4 bis 8 M, weiter bevorzugt 4,5 bis 6 M Chaotrop, (2) 10 bis 40 %, vorzugsweise 15 bis 30 %, weiter bevorzugt 20 bis 25 % jeweils (w/v) Tensid und (3) 40 bis 200 mM, vorzugsweise 50 bis 150 mM, weiter bevorzugt 70 bis 100 mM Puffersubstanz, insbesondere bei einem pH-Wert von 8.0
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wurde der beschriebene Puffer 3 bereits dem flüssigen Bestandteil aus Verfahrensschritt 1 zugegeben.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sowohl die intrazellulären mikrobiellen als auch die frei zirkulierenden, insbesondere die extrazellulären mikrobiellen, Nukleinsäuren und besonders bevorzugt zusätzlich virale Nukleinsäuren angereichert und/oder isoliert. Hierzu kann der in dem Verfahrensschritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens abgetrennte flüssige
Bestandteil, enthaltend die frei zirkulierenden, insbesondere die extrazellulären mikrobiellen, Nukleinsäuren und gegebenenfalls die viralen Nukleinsäuren, mit dem in Verfahrensschritt 5 erhaltenen Lysat, enthaltend die intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, vor der Reinigung und/oder Konzentrierung der Nukleinsäuren gemäß Verfahrensschritt 6 des erfindungsgemäßen Verfahrens vereinigt werden. In diesem Fall kann der in dem Verfahrensschritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens abgetrennte flüssige Bestandteil, enthaltend die frei zirkulierenden, insbesondere extrazellulären mikrobiellen, Nukleinsäuren und gegebenenfalls die viralen Nukleinsäuren, bevorzugt bereits unmittelbar nach seiner Abtrennung in den oben beschriebenen Puffer 3 gegeben und darin aufbewahrt werden. Das wie oben beschrieben in einem optional vorgelagerten mechanischen Lyseschritt erhaltene Lysat, enthaltend die intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, kann dann anschließend in zur Optimierung der Lyse zu diesem Gemisch gegeben werden.
Alternativ können der in Verfahrensschritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltene flüssige
Bestandteil, enthaltend die frei zirkulierenden, insbesondere extrazellulären mikrobiellen, Nukleinsäuren und gegebenenfalls die viralen Nukleinsäuren und das in Verfahrensschritt 5 erhaltene Lysat, enthaltend die intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, voneinander getrennt gereinigt und/oder konzentriert werden. Sofern der in Verfahrensschritt 1 erhaltene flüssige Bestandteil auch Viren enthält und eine Isolierung der viralen Nukleinsäuren gewünscht ist, wird dieser flüssige Bestandteil bevorzugt noch einem zusätzlichen Schritt zur Freisetzung der viralen Nukleinsäuren unterzogen. Verfahren hierfür sind dem Fachmann bekannt und umfassen typischerweise eine chemische Lyse und/oder einen Proteinase-Verdau.
Die Protease für den Protease-Verdau, vorzugsweise die Proteinase K, insbesondere in Form eines Puffers, kann entweder sowohl der Suspension aus Verfahrensschritt 4 bzw. dem Lysat resultierend aus der oben beschriebenen vorherigen mechanischen Lyse als auch dem in Verfahrensschritt 1 erhaltenen flüssigen Bestandteil in jeweils getrennten Probenansätzen zugegeben werden. Alternativ können das Lysat der mechanischen Lyse und der flüssige Bestandteil aus Verfahrensschritt 1 , optional in Kombination mit Puffer 3, vor Zugabe des Protease-haltigen Puffers vereint werden.
Es ist ebenfalls möglich, den Protease-haltigen Puffer auch nur dem Lysat der mechanischen Lyse zuzugeben. Die extrazellulären Nukleinsäuren aus dem flüssigen Bestandteil aus Verfahrensschritt 1 können dann anschließend mit den im Lysat der nachgeschalteten chemischen Lyse befindlichen intrazellulären Nukleinsäuren gemeinsam (vereint) oder getrennt voneinander gemäß der nachfolgend beschriebenen weiteren Schritte 6a - 6d aufgereinigt und/oder konzentriert werden.
Die Reinigung und/oder Konzentrierung der mikrobiellen und viralen Nukleinsäuren gemäß Schritt 6 des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst bevorzugt folgende Schritte: 6a) Versetzen des Lysates aus Verfahrensschritt 5 mit einer Mischung (Bindepuffer), bevorzugt umfassend eine Mischung aus (1) einem linearen oder verzweigten d- bis C Ikohol, insbesondere Methanol, Ethanol, Propanol, Isopropanol oder n- Butanol, iso-Butanol, sek. Butanol oder tert. Butanol, bevorzugt Isopropanol, und (2) einem Puffer entsprechend Puffer 3, bevorzugt in einem Verhältnis von 30 - 80 Vol.-% des linearen oder verzweigten Cr bis C Ikohols zu 20 - 70 Vol.-% Puffer 3 und Inkubation des resultierenden Gemisches;
6b) Aufbringen der Probe auf eine geeignete chromatographische Vorrichtung, bevorzugt auf eine chromatographische Vorrichtung zur selektiven Bindung der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren durch Adsorption, besonders bevorzugt auf Silicabasis;
6c) optional einmaliges oder mehrmaliges Waschen der gebundenen mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren, bevorzugt mit einer ersten Lösung (Waschpuffer 1), welche (1) mindestens eine chaotrope Substanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Guanidiniumthiocyanat (GTC), Guanidiniumhydrochlorid (GuHCI), Guanidiniumisothiocyanat (GIT), Alkaliperchlorate, Alkaliiodide oder Mischungen derselben, (2) einen linearen oder verzweigten Ci-C4-Alkohol, bevorzugt Ethanol, und (3) mindestens ein chaotropes Salz, bevorzugt in einer Konzentration von 2 bis 4 M, umfasst, vorzugsweise gefolgt von einer zweiten Lösung (Waschpuffer 2), welche (1) einen linearen oder verzweigten Ci-C4-Alkohol, bevorzugt Ethanol, (2) ein nicht chaotropes Salz, bevorzugt Natriumchlorid, in einer Konzentration von 10 bis 200 mM und (3) 1 bis 25 mM einer Puffersubstanz, bevorzugt Tris, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben (pH 7.5) umfasst, aber keine chaotrope Substanz enthält;
6d) optional Elution der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren vorzugsweise mit Wasser oder einer Lösung (Elutionspuffer), umfassend (1) mindestens eine Puffersubstanz und (2) mindestens ein Komplexierungsreagenz für Metallionen, insbesondere für zweiwertige Metallionen. Ebenso können andere herkömmliche Elutionsmittel Verwendung finden.
Das Volumen des zu der Probe hinzugegebenen Bindepuffers beträgt bevorzugt 100 bis 500 % des Probenvolumens, bevorzugt 200 bis 400 % des Probenvolumens und besonders bevorzugt 320 % des
Probenvolumens. Die anschließende Inkubation des resultierenden Gemischs erfolgt bevorzugt für 1 bis 20 Minuten bei -5 bis 5°C, besonders bevorzugt für 2 bis 10 Minuten bei 0°C und insbesondere für 5 Minuten bei O°C.
Die Abtrennung der erhaltenen mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren von den restlichen Probenbestandteilen erfolgt bevorzugt durch die selektive Anbindung der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren an eine feste Matrix durch Adsorption, bevorzugt durch Adsorption an eine Matrix auf Silica-Basis, welche bei Zusatz eines geeigneten Bindepuffers im wesentlichen selektiv die in einer Lösung befindlichen Nukleinsäure-Moleküle bindet, während Proteine und weitere in der Lösung befindliche Zellbestandteile und Pufferbestandteile wie Salze, Puffersubstanzen, Tenside etc. in Lösung verbleiben und durch die Waschlösung von den gebundenen Nukleinsäuren abgetrennt werden können. Unter den Begriffen „selektive Bindung" und„selektive Anbindung" von Nukleinsäuren ist im Sinne der Erfindung durch eine Matrix ist im Sinne der Erfindung die spezifische Wechselwirkung (chemische oder physikalische Bindung durch Komplexierung, Adhäsion etc.) von Nukleinsäuremolekülen mit der Matrix zu verstehen, während die Matrix nicht oder nur in geringerem Maße mit weiteren Probenbestandteilen, die keine Nukleinsäuren darstellen, bspw. Salze, Proteine etc., wechselwirkt. Es ist hingegen nicht erforderlich, dass sich die Wechselwirkung der Matrix mit Nukleinsäuren unterschiedlichen Ursprungs unterscheidet, also ein
Unterschied zwischen der Art und Stärke der Wechselwirkung bei mikrobiellen Nukleinsäuren im Vergleich zu eukaryontischen Nukleinsäuren vorliegen müsste. Geeignete Systeme sind dem Fachmann bekannt und in einer Vielzahl von Ausgestaltungen kommerziell erhältlich, beispielsweise auch in Ausführungen, die selektiv nur die in einer Probe vorliegende DNA binden, während die in der Probe vorliegenden RNA- Moleküle wie die Proteine und die weiteren in der Probe vorhandenen Proben- und Pufferbestandteile in Lösung verbleiben. Derartige Ausführungen sind besonders bevorzugt, wenn lediglich DNA, jedoch keine RNA isoliert werden soll. Besonders bevorzugt im Sinne der Erfindung sind beispielsweise QIAamp DNA Minisäulen oder die im QIAamp Circulating Nucleic Acid Kit enthaltenen QIAamp Minisäulen (Qiagen, Hilden, Deutschland), welche bevorzugt in Form einer sog. Spin-Säule ausgestaltet sind, bei der das Waschen und die Elution auf einfache und schnelle Weise durch Zentrifugation oder Anlegen von Vakuum erfolgen kann. Das zum optionalen Waschen der gebundenen mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren verwendete Volumen der Waschpuffer 1 und 2 ist abhängig von der Größe und Dimension der in Schritt 6b verwendeten chromatographischen Vorrichtung sowie der aufgetragenen Probenmenge. Entsprechende Angaben können den Protokollen des jeweiligen Herstellers entnommen werden. Im Falle einer QIAamp DNA Mini Säule beträgt das bevorzugte Volumen der Waschlösungen 1 und 2 beispielsweise 500 bis 900 μΙ zur Reinigung einer Probe, welche aus einem ursprünglichen Probenvolumen von 10 ml humanen Vollblutes gewonnen wurde.
Bevorzugt wird die Säule nach dem Waschen der gebundenen Nukleinsäuren getrocknet, bevor die Nukleinsäuren in Schritt 6d) des erfindungsgemäßen Verfahrens optinal von der Säule eluiert werden können. Hierfür kann die Säule beispielsweise mit 500 bis 900 μΙ Ethanol gespült werden, anschließend bei maximaler Geschwindigkeit zentrifugiert und dann bei Raumtemperatur oder erhöhter Temperatur (40 bis 65 °C) getrocknet werden.
Der in Schritt 6d) des erfindungsgemäßen Verfahrens optional verwendete Elutionspuffer umfasst bevorzugt Tris-HCI und EDTA, besonders bevorzugt 2 bis 20 mM Tris-HCI und 0.1 bis 1 mM EDTA, insbesondere 10 mM Tris-HCI und 0.5 mM EDTA. Auch das Volumen des Elutionspuffers hängt sowohl von der Art und Dimension der chromatographischen Vorrichtung, als auch von der auf die chromatographische Vorrichtung auftragenen Probenmenge ab. Bevorzugte Werte können beispielsweise den Angaben des Herstellers der chromatographischen Vorrichtung entnommen werden. Bei Verwendung einer QIAamp DNA Mini Säule und einer ursprünglich eingesetzten Probenmenge von etwa 10 ml Vollblut beträgt das Volumen des
Elutionspuffers bevorzugt 20 bis 200 μΙ. Bevorzugt wird die Säule nach Zugabe des Elutionspuffers kurz bei Raumtemperatur (ca. 1 bis 5 Minuten) inkubiert, bevor die Elution der Nukleinsäuren durch Zentrifugieren bei maximaler Geschwindigkeit, bspw. 0.5 bis 3 Minuten bei 20.000 g, erfolgt. Generell ist es jedoch auch möglich, die gebundene Nukleinsäure ohne vorherige Elution weiter zu prozessieren und/oder zu analysieren.
Die vorliegende Erfindung stellt weiterhin einen Kit zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung intrazellulärer mikrobieller sowie frei zirkulierender, inssbesondere extrazellulärer mikrobieller, Nukleinsäuren sowie gegebenenfalls zusätzlicher viraler Nukleinsäuren aus Proben bereit, welche eine Mischung mikrobieller und höherer eukaryontischer Zellen und frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, sowie gegebenenfalls zusätzlich Viren in einer Flüssigkeit enthalten, umfassend:
1. einen ersten Puffer vorzugsweise mit lytischen Eigenschaften (Puffer 1), welcher bereits oben näher beschrieben wurde, 2. mindestens einen zweiten Puffer (Puffer 2), vorzugsweise mit lytischen Eigenschaften, und/oder einen weiteren Puffer (Puffer 3), vorzugsweise mit lytischen Eigenschaften, welche ebenfalls bereits oben näher beschrieben wurden, und
3. Glasperlen, bevorzugt von 400 bis 600 μίη Durchmesser, besonders bevorzugt von 500 μίη Durchmesser.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Kit weiterhin eine chromatographische Vorrichtung zur Reinigung und/oder Konzentrierung der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren, bevorzugt eine chromatographische Vorrichtung zur selektiven Bindung von DNA und/oder RNA durch Adsorption, besonders bevorzugt auf Silica-Basis, sowie weiterhin einen Bindepuffer, bevorzugt den bereits definierten Bindepuffer, optional einen oder mehrere Waschpuffer, bevorzugt die beiden bereits oben definierten Waschpuffer und optional einen Elutionspuffer, bevorzugt den bereits oben definierten Elutionspuffer.
Optional kann der Kit weiterhin Komponenten zum Nachweis der angereicherten und/oder isolierten Nukleinsäuren in einem sogenannten Multiplex-Verfahren (Multiplex-Assay) enthalten, bspw. für einen Nachweis der erhaltenen DNA in einer Multiplex-PCR mehrere Primer-Paare, eine geeignete DNA-
Polymerase, Desoxyribonucleosidtriphosphate, eine Quelle für Mg2+-lonen und/oder für die PCR geeignete Pufferlösungen.
Beschreibung der Abbildungen
Abbildung 1 zeigt die erhaltene Gesamtmenge DNA (d. h. die Summe humaner und Pilz-DNA, wobei die humane DNA den Hauptanteil ausmacht), welche aus mit isolierter Pilz-DNA und Pilzzellen (freier Aspergillus DNA sowie Zellen von C. albicans und /. orientalis) versetzten humanen Vollblutproben in vier
unterschiedlichen Verfahren A bis D (s. Beispiel 1) gewonnen wurde. Die der Probe A zugrunde liegende Probemenge betrug 500 μΙ Vollblut, für Probe B wurde 1 ml Vollblut verwendet. Für die Proben C und D wurden von einer Probenmenge von 5 bzw. 10 ml Vollblut ausgegangen, wobei bei Probe C nur die nach Abtrennen der flüssigen Bestandteile (des Blutplasmas) verbleibenden festen Probenbestandteile unter Abreicherung humaner Nukleinsäuren prozessiert und gereinigt wurden, während in Probe D vor der chromatographischen Reinigung die lysierten mikrobiellen Zellen mit dem im Schritt 1 des
erfindungsgemäßen Verfahrens abgetrennten flüssigen Bestandteil der Probe, enthaltend die extrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, vereinigt wurden. Während die Proben A und B mittels herkömmlicher Verfahren ohne Abreicherung der humanen gDNA behandelt wurden und daher einen hohen Gehalt an humaner gDNA aufweisen, ist der Gehalt an humaner gDNA in den Proben C und D deutlich geringer, obwohl das
Probenvolumen der Proben C und D das 5- bis 20-fache des Probenvolumens der Proben A und B betrug. Abbildung 2 zeigt das Ergebnis der Vervielfältigung der mikrobiellen DNA der in Abbildung 1 gezeigten Proben A bis D mittels Multiplex-Echtzeit-PCR (Multiplex-RT-PCR) anhand der erhaltenen CT-Werte (s. Beispiel 1). Abbildung 3 zeigt das Ergebnis der Vervielfältigung bakterieller DNA mittels Multiplex-RT-PCR, welche aus mit isolierter bakterieller DNA und Bakterienzellen (freier S. haemolyticus DNA sowie Zellen von E.coli und S. pyogenes) versetzten humanen Vollblutproben in drei unterschiedlichen Verfahren A, B und D (s. Beispiel 2) gewonnen wurde. Die der Probe A zugrunde liegende Probemenge betrug 500 μΙ Vollblut, für Probe B wurde 1 ml Vollblut verwendet. Für die Probe D wurde von einer Probenmenge von 10 ml Vollblut ausgegangen, wobei vor der chromatographischen Reinigung die lysierten mikrobiellen Zellen mit dem im Schritt 1 des erfindungsgemäßen Verfahrens abgetrennten flüssigen Bestandteil der Probe, enthaltend die extrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, vereinigt wurden. Der CT-Wert der erfindungsgemäß behandelten Probe D ist auch bei der Isolierung bakterieller DNA deutlich geringer. Abbildung 4 zeigt das Ergebnis der Vervielfältigung von mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens erhaltenen viralen Nukleinsäuren (als schwarze Balken dargestellt) mittels Multiplex-RT-PCR bzw. Multiplex- RT-Reverse-Transkriptase PCR im Vergleich Nukleinsäuren, die unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen Kits zum Nachweis viraler Nukleinsäuren gewonnen wurde (weiße Balken) für
Desoxyribonukleinsäuren anhand von Hepatitis B-Viren (HBV) und Ribonukleinsäuren anhand von Hepatitis C-Viren (HCV) (s. Beispiel 3).
Abbildung 5 zeigt das Ergebnis der Vervielfältigung der mikrobiellen DNA der in Beispiel 4 aufgearbeiteten Proben mittels Multiplex-Echtzeit-PCR (Multiplex-RT-PCR) anhand der erhaltenen CT-Werte (s. Beispiel 4). Die ersten beiden Balken zeigen die erhaltenen CT-Werte der isolierten DNA aus A. fumigatus ganzen Zellen, die zweiten beiden Balken die CT-Werte der isolierten DNA aus C. albicans (freie DNA), die dritten beiden Balken CT-Werte der isolierten DNA aus S.pyrogenes (freie DNA) und die rechten beiden Balken die CT-Werte der isolierten DNA aus E. coli ganzen Zellen. Die Balken stellen jeweils links das Ergebnis bei 19,5% Isopropanol und rechts das Ergebnis bei 42% Isopropanol dar. Beispiele:
Beispiel V. Selektive Anreicherung und Isolierung von Pilz-DNA aus Vollblutproben
Vollblut wurde mit freier Aspergillus DNA (1 x 104 Genomäquivalente/ml Vollblut) und Zellen von C. albicans und /. orientalis (jeweils 1 x 104 Zellen/ml Vollblut) versetzt. Zur Isolierung der Pilz-DNA wurden Teilmengen des versetzten Blutes auf insgesamt vier verschiedene Arten A bis D aufbereitet: A (Vergleichsverfahren ohne Abreicherung der humanen Nukleinsäuren und ohne mechanischen
Prälyseschritt): 500 μΙ des versetzten Vollblutes wurden mit 250 μΙ eines Lysepuffers 2, enthaltend 20 mM Tris-HCI, 2 mM EDTA, 1.2 % Triton X-100 und 0.5 % Reagenz DX, versetzt und durchmischt. Die erhaltene Mischung wurde mit 500 μΙ des kommerziell erhältlichen Lysepuffers AL (QIAGEN, Hilden, Deutschland) sowie 50 μΙ Qiagen Proteinase K versetzt und 10 min bei 56 °C inkubiert. Anschließend wurden die Nukleinsäuren unter Verwendung des QIAamp Blood Mini Kits (QIAGEN, Hilden, Deutschland) nach Herstelleranweisung unter Verwendung der in dem Kit enthaltenen Minisäulen und Wasch- und
Elutionspuffer isoliert, wobei die an die Säulen gebundenen Nukleinsäuren mit je 750 ml Puffer AW1 und Puffer AW2 gewaschen und mit 50 μΙ Puffer AE eluiert wurden.
B (Vergleichsverfahren ohne Abreicherung der humanen Nukleinsäuren): 1 ml des versetzten Vollblutes wurden mit 500 μΙ des Lysepuffers 2 sowie 800 mg Glasbeads eines Durchmessers von 500 μίτι versetzt und 10 min durch Vortexen durchmischt und dabei mechanisch aufgeschlossen. 500 μΙ des erhaltenen Gemisches wurden mit 500 μΙ des kommerziell erhältlichen Lysepuffers AL (QIAGEN, Hilden, Deutschland) sowie 50 μΙ Qiagen Proteinase K versetzt und 10 min bei 56 °C inkubiert. Anschließend wurden die Nukleinsäuren unter Verwendung des QIAamp Blood Mini Kits (QIAGEN, Hilden, Deutschland) nach Herstelleranweisung unter Verwendung der in dem Kit enthaltenen Minisäulen und Wasch- und
Elutionspuffer isoliert, wobei die an die Säulen gebundenen Nukleinsäuren mit je 750 ml Puffer AW1 und Puffer AW2 gewaschen und mit 50 μΙ Puffer AE eluiert wurden.
C: 5 ml des versetzten Vollbluts wurden mit 1.9 ml eines Lysepuffers 1 versetzt, enthaltend 1.5 M GTC, 6.7 % Brij 58 und 33 mM Tris (pH 8), und das Gemisch wurde 10 min bei Raumtemperatur inkubiert und anschließend 10 min bei 5000 Upm zentrifugiert. Der nach dem Zentrifugieren erhaltene Überstand wurde bis auf etwa 50 μΙ verworfen. Das verbleibende Pellet wurde in etwa 450 μΙ Puffer PBS (enthaltend 137 mM Natriumchlorid, 2,7 mM Kaliumchlorid und 12 mM Gesamt-Phosphat aus Dinatriumhydrogenphosphat und Kaliumdihydrogenphosphat) resuspendiert. Das erhaltene Gemisch (ca. 500 μΙ) wurde in ein neues Gefäß, enthaltend 250 μΙ des Lysepuffers 2 und 400 mg Glassbeads eines Durchmessers von etwa 425 - 600 μίτι transferiert. Die Probe wurde 10 min durch Vortexen gemischt und dabei mechanisch aufgeschlossen. 500 μΙ des erhaltenen Überstandes wurden mit 500 μΙ des kommerziell erhältlichen Lysepuffers AL (QIAGEN, Hilden, Deutschland) sowie 50 μΙ Qiagen Proteinase K versetzt und 10 min bei 56 °C inkubiert. Anschließend wurden die Nukleinsäuren unter Verwendung des QIAamp Blood Mini Kits (QIAGEN, Hilden, Deutschland) nach Herstelleranweisung unter Verwendung der in dem Kit enthaltenen Minisäulen, Wasch- und
Elutionspuffer isoliert, wobei die an die Säulen gebundenen Nukleinsäuren mit je 750 ml Puffer AW1 und Puffer AW2 gewaschen und nach dem Trocknen der Säule mit 50 μΙ Puffer AE eluiert wurden. D (erfindungsgemäßes Verfahren):
10 ml des versetzten Vollbluts wurden zum Abtrennen des Blutplasmas, einschließlich der in dem Blutplasma befindlichen extrazellulären Nukleinsäuren, 10 Minuten bei etwa 5.000 g zentrifugiert. Nach erfolgter Zentrifugation wurde die obere Plasmaphase (ca. 4.5 ml) abgetrennt und in ein neues Gefäß überführt. Das Volumen der festen Bestandteile wurde durch Zugabe des Puffer PBS auf 10 ml aufgefüllt. Nach Zugabe von 3.75 ml Puffer des Lysepuffers 1 , wurde das erhaltene Gemisch 10 min bei Raumtemperatur inkubiert. Der milde Lysepuffer lysiert lediglich die humanen Zellen, während die mikrobiellen Zellen intakt bleiben.
Anschließend wurde die Probe 15 min bei etwa 5.000 Upm zentrifugiert. Der erhaltene Überstand wurde bis auf 250 μΙ abgenommen und verworfen. Dieser Überstand enthält v. a. humane DNA und kann alternativ auch für eine separate differentielle Nukleinsäure-Aufreinigung weiter verwendet werden. Das verbleibene Pellet wurde mit jeweils 250 μΙ des Puffers PBS und des Lysepuffers 2 versetzt. 400 mg Glasbeads einer Größe von 425 - 600 μίη wurden hinzugegeben, und die Mischung wurde 10 min durch Vortexen oder bei 50 Hz mit dem QIAGEN TissueLyser LT durchmischt und dabei mechanisch aufgeschlossen. 500 μΙ des Überstandes wurden zu der zuvor abgetrennten Plasmafraktion gegeben (möglich ist es auch, das mechanisch aufgeschlossene Proben-Glasperlen-Gemisch über einen groben Filter direkt in die
Plasmafraktion zu filtrieren, um den Verlust an flüssigem Probenmaterial möglichst gering zu halten) und mit 4 ml Puffer eines Lysepuffers 3, enthaltend 4.5 M GTC, 20 %Brij 58 und 100 mM Tris (pH 8), und 500 μΙ QIAGEN Proteinase K versetzt. Die erhaltene Mischung wurde 20 min bei 60 °C inkubiert, mit 9 ml eines Bindepuffers, enthaltend 1.2 M GTC, 5,5 % Brij 58, 27.6 mM Tris und 72 % (v/v) Isopropanol, versetzt, durch Vortexen durchmischt und 5 min auf Eis inkubiert. Die Probe wurde anschließend unter Vakuum mit Hilfe eines Aufsatzes, der das Aufbringen von Probenvolumina auf eine Säule erlaubt, die größer als das Volumen der Probe selbst sind, bspw. ein 20 ml Extender (QIAgen, Hilden, Deutschland) auf eine QIAamp Mini Säule aufgezogen, wobei die in der Probe vorhandenen Nukleinsäuren selektiv an die Säule gebunden wurden. Die an die Säulen gebundenen Nukleinsäuren wurden dann mit je 750 ml der kommerziell erhältlichen Puffer AW1 und Puffer AW2 (QIAGEN, Hilden, Deutschland) gewaschen, die Säule wurde getrocknet, und die Nukleinsäuren wurden mit 50 μΙ des kommerziell erhältlichen Puffers AE (QIAGEN, Hilden, Deutschland) eluiert. Die Gesamtmenge an DNA (humane und Pilz-DNA) in dem Eluat wurde UV-Vis-spektroskopisch bestimmt (Abbildung 1). Zum Nachweis der Pilz-DNA wurden jeder gereinigten Probe 8 μΙ entnommen und einer Multiplex-PCR unterworfen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 2 dargestellt.
Beispiel 2: Selektive Anreicherung und Isolierung bakterieller DNA aus Vollblutproben
Vollblut wurde mit freier S. haemolyticus DNA (1 x 104 Genomäquivalente/ml Vollblut) und den Zellen von E. coli und S. pyogenes (jeweils 1 x 104 Zellen/ml Vollblut) versetzt. Zur Isolierung der bakteriellen DNA wurden Teilmengen des versetzten Blutes auf insgesamt drei verschiedene Arten A, B und D wie in Beispiel 1 beschrieben aufbereitet. Zum Nachweis der bakteriellen DNA wurden jeder gereinigten Probe 7.5 μΙ entnommen und einer Multiplex-PCR unterworfen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt.
Beispiel 3 - Selektive Anreicherung und Isolierung viraler Nukleinsäuren aus Vollblutproben
Humanes Vollblut wurde mit kommerziell erhältlichen HBV- und HCV-Standards (Acrometrix, Benicia, Kalifornien, USA) versetzt, so dass jeweils eine Viren-Konzentration von 5,0 x 10 4 lU/ml (International Units pro Milliliter) in der Blutprobe erhalten wurde. Zur Isolierung der viralen Nukleinsäuren wurden die Proben auf zwei verschiedene Arten aufbereitet: Zum einen wurden 500 μΙ Blutplasma, welches durch Zentrifugieren eines Teils des versetzten Blutes erhalten wurde, mittels des kommerziell erhältlichen QIAGEN DSP Virus Kits (QIAGEN, Hilden, Deutschland) nach Herstellerangaben aufbereitet. Des Weiteren wurden 8 ml des versetzten Vollbluts nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren aufbereitet, wie unter D in Beispiel 1 beschrieben. Der Nachweis und die Quantifizierung der erhaltenen viralen Nukleinsäuren wurden mittels RT-PCR und Echtzeit-Reverse- Transkriptase-PCR vorgenommen. Die Ergebnisse sind in Abbildung 4 dargestellt.
Beispiel 4 - Isolierung mikrobieller Nukleinsäuren mit unterschiedlicher Isopropanol-Konzentration im Bindepuffer
Humanes Vollblut wurde mit entweder mit freier DNA von Aspergillus fumigatus und Candida albicans oder mit lebenden Zellen von S. pyogenes und E.coli versetzt. Zunächst wurde die gDNA aus den menschlichen Blutzellen aus diesen Proben gemäß dem oben unter D beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren abgereichert und die mikrobiellen Zellen in den Proben, die diese enthielten, wie oben beschrieben aufgeschlossen. Zu den kombinierten Plasmafraktionen ( je 5 ml gesamt) wurden jeweils 4 ml Lysepuffer 3 und 0,5 ml Proteinase K-Lösung zugegeben. Die erhaltene Mischung wurde 20 min bei 60 °C inkubiert, mit 9 ml eines Bindepuffers, enthaltend 1.2 M GTC, 5,5 % Brij 58, 27.6 mM Tris und Isopropanol, versetzt, durch Vortexen durchmischt und 5 min auf Eis inkubiert, wobei der Bindepuffer entweder eine Isopropanol- Konzentration aufwies, die eine Isopropanol-Konzentration von ca. 19,5 % oder von ca. 42% Isopropanol im Bindeansatz bewirkte. (Der Bindepuffer enthielt jeweils zunächst 5,4 ml des Lysepuffers 1.2 M GTC, 5,5 % Brij 58, 27.6 mM Tris und 3,6 ml Isopropanol. Für den Ansatz mit erhöhter Isopropanol-Konzentration wurden in den Ansatz zusätzliche 7 ml Isopropanol zugegeben). Die weitere Aufarbeitung der Proben erfolgte wie oben beschrieben. Zum Nachweis und zur Quantifizierung der erhaltenen microbiellen Nukleinsäuren wurden jeder gereinigten Probe 7.5 μΙ entnommen und einer Multiplex-PCR unterworfen. Die Ergebnisse sind Tabelle 1 und Abbildung 5 zu entnehmen. Die Durchflusszeiten der Proben durch die Silica-Säulchen betrugen 10,5 min bei 19,5% Isopropanol bzw. 6,5 min bei 42% Isopropanol.
Tabelle 1 : CT-Mittelwerte
Probe A.fumigatus C. albicans S. pyogenes E. coli
Zellen Freie DNA Freie DNA Zellen
19,5 % Isopropanol
23,04 ±0,57 15,81 ±0,07 13,93±0,16 22,06±0,29
42 % Isopropnaol
22,80±0,60 15,53±0,08 13,84±0,02 22,20±0,16

Claims

Ansprüche
Verfahren zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung mikrobieller Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller Zellen, höherer eukaryontischer Zellen und frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, in einer Flüssigkeit enthalten, umfassend die folgenden Schritte:
1. Im Wesentlichen Trennen des flüssigen Bestandteils der Probe, einschließlich der in diesem flüssigen Bestandteil gelösten Substanzen wie der frei zirkulierende Nukleinsäuren insbesondere der extrazellulären Nukleinsäuren, von den festen Bestandteilen der Probe, insbesondere von den zellulären Bestandteilen,
2. Selektive Lyse der in den festen Probenbestandteilen enthaltenen eukaryontischen Zellen ohne gleichzeitige Lyse der mikrobiellen Zellen,
3. Im Wesentlichen Trennen der festen Bestandteile, einschließlich der mikrobiellen Zellen, von dem flüssigen Bestandteil, einschließlich der in diesem flüssigen Bestandteil gelösten Substanzen, des in Schritt 2 erhaltenen Lysats,
4. Resuspension der in Schritt 3 erhaltenen festen Bestandteile,
5. Lyse der mikrobiellen Zellen, welche in der in Schritt 4 erhaltenen Suspension vorliegen,
6. Reinigung und/oder Konzentrierung der frei zirkulierenden, insbesondere der
extrazellulären mikrobiellen, Nukleinsäuren aus dem in Schritt 1 erhaltenen flüssigen Bestandteil und/oder der intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren aus dem in Schritt 5 erhaltenen Lysat.
Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei die höheren eukaryontischen Zellen Säugetierzellen, bevorzugt humane Zellen darstellen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Proben Körperflüssigkeiten, Konzentrate oder verdünnte Lösungen derselben oder resuspendiertes Zellmaterial, welches durch Abstriche gewonnen wurde, darstellen, bevorzugt Blut oder Blutkonzentrate.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die mikrobiellen Zellen Bakterien- und/oder Pilzzellen darstellen.
5. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Im Wesentlichen Trennen der flüssigen Bestandteile von den festen Bestandteilen in den Verfahrensschritten 1 und/oder 3 gemäß Anspruch 1 mit Hilfe von Zentrifugation, Filtration und/oder Dekantieren der Probe erfolgt. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die selektive Lyse der eukaryontischen Zellen gemäß Verfahrensschritt 2 des Anspruchs 1 in einer Mischung (Puffer 1) durchgeführt wird, umfassend
1. mindestens eine chaotrope Substanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Guanidiniumthiocyanat (GTC), Guanidiniumhydrochlorid (GuHCI), Guanidiniumisothiocyanat (GIT), Alkaliperchlorate, Alkaliiodide, Harnstoff oder Mischungen derselben,
2. mindestens ein Tensid, bevorzugt ein nichtionisches Tensid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Sorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen, Polyoxyalkylenether von
Alkylphenolen, Poloxamere oder Mischungen derselben und
3. mindestens eine Puffersubstanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Tris, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben,
in der Weise, dass die Konzentration dieser Substanzen in der Probe nach Zugabe des Puffers (1) 0,1 bis 2 M Chaotrop, vorzugsweise enthaltend Guanidinium, (2) 0,5 bis 5 % (w/v) Tensid, vorzugsweise ein nichtionisches Tensid und (3) 2 bis 50 mM vorzugsweise 4 bis 10 mM
Puffersubstanz,
vorzugsweise bei einem pH-Wert von 8.0 beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lyse der mikrobiellen Zellen in Verfahrensschritt 5 gemäß Anspruch 1 zumindest teilweise mechanisch erfolgt, bevorzugt durch mechanisches Homogenisieren der Probe unter Verwendung von Partikeln, vorzugsweise Glasperlen, besonders bevorzugt unter Verwendung von Glasperlen einer Größe von 400 bis 600 μίπ in Gegenwart einer Pufferlösung.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei die Pufferlösung (Puffer 2)
1. mindestens eine Puffersubstanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Tris-HCI, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben,
2. mindestens ein Komplexierungsreagenz für Metallionen, insbesondere für zweiwertige
Metallionen, bevorzugt EDTA,
3. mindestens ein Tensid, bevorzugt ein nichtionisches Tensid, besonders bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Sorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen, Polyoxyalkylenether von
Alkylphenolen, Poloxamere oder Mischungen derselben und
4. optional einen Schauminhibitor, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Reagenz DX und SILFOAM SRE,
umfasst und einen pH-Wert von 6 bis 10, bevorzugt 7.0 bis 9.0 aufweist, und wobei die Substanzen der Pufferlösung während der mechanischen Lyse insbesondere in einer Konzentration von (1) 2 bis 20 mM Puffersubstanz, (2) 0,1 bis 5 mM Komplexierungsreagenz, (3)
0.1 bis 5 % (w/v) Tensid und (4) optional 0,1 bis 1 % (v/v) Schauminhibitor bei einem pH-Wert von 8.0 vorliegen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Lyse der mikrobiellen Zellen in Verfahrensschritt 5 gemäß Anspruch 1 zumindest teilweise erfolgt durch Versetzen der Suspension aus Verfahrensschritt 4. gemäß Anspruch 1 oder des Lysates resultierend aus Anspruch 7 oder 8 mit einer Proteinase, bevorzugt Proteinase K, und einer Pufferlösung (Puffer 3), umfassend
1. mindestens eine chaotrope Substanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Guanidiniumthiocyanat (GTC), Guanidiniumhydrochlorid (GuHCI),
Guanidiniumisothiocyanat (GIT), Alkaliperchlorate, Alkaliiodide, Harnstoff oder Mischungen derselben,
2. mindestens ein Tensid, bevorzugt ein nichtionisches Tensid, besonders bevorzugt
ausgewählt aus der Gruppe, enthaltend Sorbitanester von Fettsäuren,
Polyoxyethylensorbitanester von Fettsäuren, Polyoxyalkylenether von Fettsäurealkoholen, Polyoxyalkylenether von Alkylphenolen, Poloxamere oder Mischungen derselben und
3. mindestens eine Puffersubstanz, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe enthaltend Tris, MES, MOPS, HEPES oder Mischungen derselben,
4. und gegebenenfalls den flüssigen Bestandteil aus Verfahrensschritt 1 gemäß Anspruch 1 , und wobei die Substanzen der Pufferlösung während der Lyse insbesondere in einer Konzentration von (1) 1 bis 5 M Chaotrop, (2) 5 bis 20 % (w/v) Tensid und (3) 20 bis 100 mM Puffersubstanz, insbesondere bei einem pH-Wert von 8.0, vorliegen
und Inkubation des erhaltenen Gemisches.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, zusätzlich umfassend die Anreicherung und/oder Isolierung viraler Nukleinsäuren aus Proben, welche neben einer Mischung mikrobieller Zellen, höherer eukaryontischer Zellen und frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, in einer Flüssigkeit zusätzlich Viren enthalten, wobei die Viren in Verfahrensschritt 1 gemäß Anspruch 1 gemeinsam mit dem flüssigen Bestandteil der Probe von den festen Probenbestandteilen abgetrennt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der in Verfahrensschritt 1 gemäß Anspruch 1 abgetrennte flüssige Bestandteil, enthaltend die extrazellulären, bevorzugt mikrobiellen, Nukleinsäuren und gegebenenfalls die viralen Nukleinsäuren, mit dem in Verfahrensschritt 5 gemäß Anspruch 1 erhaltenen Lysat, enthaltend die intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, vor der Reinigung und/oder Konzentrierung der Nukleinsäuren gemäß Verfahrensschritt 6 des Anspruchs 1 vereinigt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der in Verfahrensschritt 1 gemäß Anspruch 1 erhaltene flüssige Bestandteil, enthaltend die extrazellulären mikrobiellen und gegebenenfalls die viralen Nukleinsäuren und das in Verfahrensschritt 5 gemäß Anspruch 1 erhaltene Lysat, enthaltend die intrazellulären mikrobiellen Nukleinsäuren, voneinander getrennt gereinigt und/oder konzentriert werden.
Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Reinigung und Konzentrierung der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren gemäß Schritt 6 des Anspruchs 1 folgende Schritte umfasst:
Versetzen des Lysates aus Verfahrensschritt 5 gemäß Anspruch 1 und gegebenenfalls des flüssigen Bestandteils aus Schritt 1 mit einer Lösung (Bindepuffer), bevorzugt umfassend eine Mischung aus (1) einem linearen oder verzeigten d- bis C Ikohol, bevorzugt Isopropanol, und (2) einem Puffer 3 gemäß Anspruch 9, enthaltend (1) 3 bis 6 M Chaotrop, (2) 10 bis 30 % (w/v) Tensid und (3) 50 bis 150 mM Puffersubstanz, insbesondere bei einem pH-Wert von 8.0, bevorzugt in einem Verhältnis von 30 - 80% linearem oder verzeigtem d- bis C Ikohol zu 20 - 70% Puffer 3 und Inkubation des resultierenden Gemisches,
Aufbringen der Probe auf eine geeignete chromatographische Vorrichtung, bevorzugt eine chromatographische Vorrichtung zur selektiven Bindung der mikrobiellen und
gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren durch Adsorption, besonders bevorzugt auf Silkabasis,
optional einmaliges oder mehrmaliges Waschen der gebundenen mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren, ,
optional Elution der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren.
Ein Kit zur selektiven Anreicherung und/oder Isolierung intrazellulärer mikrobieller sowie frei zirkulierender, insbesondere extrazellulärer mikrobieller, Nukleinsäuren und gegebenenfalls zusätzlich viraler Nukleinsäuren aus Proben, welche eine Mischung mikrobieller, höherer eukaryontischer Zellen und frei zirkulierender Nukleinsäuren, insbesondere extrazellulärer mikrobieller Nukleinsäuren, sowie gegebenenfalls zusätzlich Viren in einer Flüssigkeit enthalten, umfassend:
1. einen ersten Puffer gemäß Anspruch 6, enthaltend (1 ) 0.2 bis 4 M Chaotrop, vorzugsweise enthaltend Guanidinium, (2) 0.5 bis 10 % (w/v) Tensid, vorzugsweise ein nichtionisches Tensid und (3) 2 bis 100 mM Puffersubstanz, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 8.0,
2. mindestens einen zweiten Puffer gemäß Anspruch 8, enthaltend (1) 5 bis 50 mM
Puffersubstanz, (2) 0.5 bis 10 mM Komplexierungsreagenz, (3) 0.2 bis 10 % (w/v) Tensid und (4) optional 0.1 bis 3 % (v/v) Schauminhibitor bei einem pH-Wert von 8.0 , und/oder gemäß Anspruch 9, enthaltend (1) 3 bis10 M Chaotrop, (2) 10 bis 40 % (w/v) Tensid und (3) 40 bis 200 mM Puffersubstanz, insbesondere bei einem pH-Wert von 8.0,
3. Glasperlen, bevorzugt von 400 bis 600 μίη Durchmesser, besonders bevorzugt von 500 μίπ Durchmesser.
15. Kit gemäß Anspruch 14, weiterhin umfassend eine chromatographische Vorrichtung zur Reinigung und/oder Konzentrierung der mikrobiellen und gegebenenfalls viralen Nukleinsäuren, bevorzugt eine chromatographische Vorrichtung zur selektiven Bindung der mikrobiellen und viralen Nukleinsäuren durch Adsorption, besonders bevorzugt auf Silkabasis, sowie weiterhin einen Bindepuffer, bevorzugt einen Bindepuffer gemäß Anspruch 13, optional einen oder mehrere Waschpuffer, optional einen Elutionspuffer, sowie optional weitere Komponenten zum Nachweis der angereicherten und/oder isolierten Nukleinsäuren.
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