570 Biowissenschaften; Biologie
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Progress in the diagnosis of leishmaniases depends on the development of effective methods and the discovery of suitable biomarkers. We propose firstly an update classification of Leishmania species and their synonymies. We demonstrate a global map highlighting the geography of known endemic Leishmania species pathogenic to humans. We summarize a complete list of techniques currently in use and discuss their advantages and limitations. The available data highlights the benefits of molecular markers in terms of their sensitivity and specificity to quantify variation from the subgeneric level to species complexes, (sub) species within complexes, and individual populations and infection foci. Each DNA-based detection method is supplied with a comprehensive description of markers and primers and proposal for a classification based on the role of each target and primer in the detection, identification and quantification of leishmaniasis infection. We outline a genome-wide map of genes informative for diagnosis that have been used for Leishmania genotyping. Furthermore, we propose a classification method based on the suitability of well-studied molecular markers for typing the 21 known Leishmania species pathogenic to humans. This can be applied to newly discovered species and to hybrid strains originating from inter-species crosses. Developing more effective and sensitive diagnostic methods and biomarkers is vital for enhancing Leishmania infection control programs.
Cutaneous leishmaniasis (CL) is a skin infection caused by a single-celled parasite that is transmitted by the bite of a phlebotomine sandfly. CL is the most common form of leishmaniasis characterized by localized lesions in the skin and mucous membranes. The disease is prevalent in all countries around the Mediterranean Basin. In this paper, we describe spatiotemporal and eco-epidemiological parameters of CL in Libya. Moreover, we explored current spatiotemporal distributions of CL cases and explored the future projection of the disease. Our study indicates the presence of higher risk of CL in the coastal regions of Libya. Future projection until 2060 showed a trend of increasing incidence of CL in the north-western part of Libya, a spread along the coastal region and a possible emergence of new endemics in the north-eastern districts of Libya. These scenarios should be considered by health authorities in order to develop appropriate intervention strategies and plan effective control programs.
G-quadruplex is a DNA secondary structure that has been shown to play an important role in biological systems. In a previous study, we identified 1998 G-quadruplex-forming sequences using a mouse CpG islands DNA microarray with a fluorescent-labeled G-quadruplex ligand. Among these putative G-quadruplex-forming sequences, G-quadruplex formation was verified for 10 randomly selected sequences by CD spectroscopy and DMS footprinting analysis. In this study, the biological function of the 10 G-quadruplex-forming sequences in the transcriptional regulation has been analyzed using a reporter assay.
Hintergrund: Etablierte Protein- und Nukleinsäure-basierte Methoden für den spezifischen Pathogennachweis sind nur unter standardisierten Laborbedingungen von geschultem Personal durchführbar und daher mit einem hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden. In der Nukleinsäure-basierten Diagnostik kann durch die Einführung der isothermalen Amplifikation eine schnelle und kostengünstige Alternative zur Polymerase-Kettenreaktion (PCR) verwendet werden. Die Loop-mediated isothermal amplification (LAMP) bietet aufgrund der hohen Amplifikationseffizienz vielfältige Detektionsmöglichkeiten, die sowohl für Schnelltest- als auch für Monitoring-Anwendungen geeignet sind.
Ein wesentliches Ziel dieser Arbeit war die Verbesserung der Anwendbarkeit der LAMP und die Entwicklung einer neuen Methode für den einfachen, schnellen und günstigen Nachweis von Pathogenen mittels alternativer DNA- oder Pyrophosphat-abhängiger Detektionsverfahren. Hier wurden zunächst direkte und indirekte Detektionsmethoden untersucht und darauf aufbauend ein Verfahren entwickelt, mit dem neue Metallionen-abhängige Fluoreszenzfarbstoffe für die selektive Detektion von Pyrophosphat in der LAMP und anderen enzymatischen Reaktionen identifiziert werden können. Als Alternative für die DNA-basierte Detektion in der digitalen LAMP sollten die zuvor etablierten Farbstoffe für den Pyrophosphatnachweis in einer Emulsion getestet werden. Abschließend wurde ein neuer Reaktionsmechanismus für die effiziente Generierung hochmolekularer DNA unter isothermalen Bedingungen als Alternative zur LAMP entwickelt.
Ergebnisse: Für den Nachweis RNA- und DNA-basierter Phythopathogene konnte die Echtzeit- und Endpunktdetektion mit verschiedenen Farbstoffen in einem geschlossenen System etabliert werden. Hier wurde Berberin als DNA-interkalierender Fluoreszenzfarbstoff mit vergleichbarer Sensitivität zu SYBR Green und EvaGreen erfolgreich in der LAMP mit Echtzeitdetektion eingesetzt. Ein Vorteil von Berberin gegenüber den anderen Farbstoffen ist die Toleranz der DNA-Polymerase auch bei hohen Farbstoffkonzentrationen. Berberin kann daher auch in der geschlossenen LAMP-Reaktion ohne zusätzliche Anpassung der Reaktionsbedingungen für die Endpunktdetektion verwendet werden. Darüber hinaus konnte Hydroxynaphtholblau (HNB), das für den kolorimetrischen Endpunktnachweis bekannt ist, erstmals auch für die fluorimetrische Detektion der LAMP in Echtzeit eingesetzt werden. Zusätzlich konnten in der Arbeit weitere Metallionen-abhängige Farbstoffe zur indirekten Detektion der LAMP über das Pyrophosphat identifiziert werden. Dafür wurde eine iterative Methode entwickelt, mit der potenzielle Farbstoffe hinsichtlich ihrer Enzymkompatibilität und ihrer spektralen Eigenschaften bei An- oder Abwesenheit von Manganionen selektiert werden können. Mithilfe eines kombinatorischen Screenings im Mikrotiterplattenformat konnte die komplexe Konzentrationsabhängigkeit zwischen den einzelnen Komponenten für einen fluorimetrischen Verdrängungsnachweis untersucht werden. Durch die Visualisierung des Signal-Rausch-Verhältnis’ als Intensitätsmatrix (heatmap) konnten zunächst Alizarinrot S und Tetrazyklin unter simulierten Reaktionsbedingungen selektiert werden. In der anschließenden enzymatischen LAMP-Reaktion konnte insbesondere Alizarinrot S als günstiger, nicht-toxischer und robuster Fluoreszenzfarbstoff identifiziert werden und zeigte eine Pyrophosphat-abhängige Zunahme der Fluoreszenzintensität. Die zuvor etablierten Farbstoffe (HNB, Calcein und Alizarinrot S) konnten anschließend erfolgreich für die indirekte, fluorimetrische Detektion von Pyrophosphat in einer LAMP-optimierten Emulsion eingesetzt werden. Die Stabilität und Homogenität der generierten Emulsion wurde durch den Zusatz des Emulgators Poloxamer 188 verbessert. Durch die fluoreszenzmikroskopische Analyse der Emulsion war eine eindeutige Diskriminierung der positiven und negativen Tröpfchen vor allem bei Einsatz von Calcein und Alizarinrot S möglich. Aufgrund des komplexen Primer-Designs und der hohen Wahrscheinlichkeit unspezifischer Amplifikation in der LAMP wurde eine neue Bst DNA-Polymerase-abhängige isothermale Amplifikationsreaktion entwickelt. Durch die Integration einer spezifischen Linkerstruktur (abasische Stelle oder Hexaethylenglykol) zwischen zwei Primersequenzen konnte ein bifunktioneller Primer die effiziente Regenerierung der Primerbindungsstellen gewährleisten. Der neue Primer induziert nach der spezifischen Hybridisierung auf dem Templat die Rückfaltung zu einer Haarnadelstruktur und blockiert gleichzeitig die Polymeraseaktivität am Gegenstrang, wodurch eine autozyklische Amplifikation trotz konstanter Reaktionstemperatur möglich ist. Die Effizienz der „Hinge-initiated Primer dependent Amplification“ (HIP) konnte abschließend durch die Verkürzung der Distanz zwischen einem modifizierten Hinge-Primer und einem PCR-ähnlichen Primer verbessert werden.
Schlussfolgerung: Die LAMP hat sich aufgrund der hohen Robustheit und Effizienz zu einer leistungsfähigen Alternative für die klassische PCR in der molekularbiologischen Diagnostik entwickelt. Unterschiedliche Detektionsverfahren verbessern die Leistungsfähigkeit der qualitativen und quantitativen LAMP für die Feldanwendungen und für die Diagnostik, da die neuen DNA- und Pyrophosphat-abhängigen Nachweismethoden in einer geschlossenen Reaktion eingesetzt werden können und so eine einfache Pathogendiagnostik ermöglichen. Die gezeigten Methoden können darüber hinaus zu einer Kostensenkung und Zeitersparnis gegenüber den herkömmlichen Methoden beitragen. Ein attraktives Ziel stellt die Weiterentwicklung der HIP für den Pathogennachweis als Alternative zur LAMP dar. Hierbei können die neuen LAMP-Detektionsverfahren ebenfalls Anwendung finden. Die Verwendung von Bst DNA-Polymerase-abhängigen Reaktionen ermöglicht darüber hinaus die Integration einer robusten isothermalen Amplifikation in mikrofluidische Systeme. Durch die Kombination der Probenvorbereitung, Amplifikation und Detektion sind zukünftige Anwendungen mit kurzer Analysezeit und geringem apparativen Aufwand insbesondere in der Pathogendiagnostik möglich.
The growing demand for cost-effective nucleic acid detection assays leads to an increasing number of different isothermal amplification reaction methods. However, all of the most efficient methods suffer from highly complex assay conditions due to the use of complicated primer sets and/or auxiliary enzymes. The present study describes the application of a new linker moiety that can be incorporated between a primer and a secondary target binding site which can act both as a block to polymerase extension as well as a hinge for refolding. This novel “hinge-primer” approach results in an efficient regeneration of the primer binding site and thus improves the strand-displacement and amplification process under isothermal conditions. Our investigations revealed that the reaction with forward and reverse hinge-primer including an abasic site is very efficient. The assay complexity can be reduced by combining the hinge-primer with a corresponding linear primer. Furthermore, the reaction speed can be increased by reducing the length of the amplified target sequence. We tested the sensitivity down to 104 copies and found a linear correlation between reaction time and input copy number. Our approach overcomes the usually cumbersome primer-design and extends the range of isothermal amplification methods using a polymerase with strand-displacement activity.
Kaffee ist das wohl populärste Heißgetränk weltweit. Zwei botanische Arten sind für den Weltmarkt von Bedeutung und unterscheiden sich bezüglich ihres Anbaugebietes und der Inhaltsstoffe. Kaffee enthält über 850 bisher identifizierte Aromastoffe, welche den Geschmack bilden. Außerdem haben die Prozessierung der geernteten Kirsche bis zur Bohne, das Röstprofil und das Aufbrühen einen großen Einfluss darauf. In dieser Arbeit wurde die Auswirkung der Prozessierungsmethode auf ausgewählte Inhaltsstoffe mit Hilfe der Flüsssig-Chromatographie-Tandem-Massenspektroskopie (LC-MS/MS) untersucht. Dafür wurden drei Prozessierungsmethoden, die unterschiedlich viel Wasser für das Ablösen des Fruchtfleisches von den Kaffeekirschen benötigen, und zwei Kultursorten miteinander verglichen. Die Ergebnisse zeigten einen geringfügig höheren Gehalt der zwei wichtigsten Inhaltsstoffe Koffein und Chlorogensäure in den Bohnen, bei deren Prozessierung im Eco-Pulper-Verfahren weniger Wasser eingesetzt wurde. Bis auf einen verringerten Gehalt an Saccharose wurde für weitere wichtige Inhaltsstoffe (Acrylamid, Niacin, Zitronensäure und Vanillin) kein signifikanter Unterschied bei höherem Wassereinsatz gefunden. Insofern man die untersuchten Inhaltsstoffe als Qualitätsmarker betrachtet, ist im Vergleich zu den anderen Prozessierungsmethoden das Eco-Pulper-Verfahren die beste Wahl, insbesondere da es als wassersparende Methode einen entscheidenden Beitrag zur Nachhaltigkeit des Kaffeeanbaus leistet.
During the last years, various approaches on an individualized drug therapy for benign cells have been researched. However, due to the complex topic a universal approach has not been found up until this point. Commonly, the effect of cytotoxic drugs on benign cells is in most cases the same compared to regular cells while the actual effect on patient still can't be predicted. In order to reduce unwanted side effects or unspecific drug reactions a test system for patients which allows to analyse the interaction between cytotoxic agents and the targeted cells is needed. Furthermore, this should also include an adequate measurement system which is capable to work in a natural environment and without any additional preparation. In terms of this work, a first proof of concept with different benign cells and cytotoxic agents is presented while monitoring the obtained displacement using electronic speckle pattern interferometry (ESPI).
Leishmania species are protozoan parasites and the causative agents of leishmaniasis, a vector borne disease that imposes a large health burden on individuals living mainly in tropical and subtropical regions. Different Leishmania species are responsible for the distinct clinical patterns, such as cutaneous, mucocutaneous, and visceral leishmaniasis, with the latter being potentially fatal if left untreated. For this reason, it is important to perform correct species identification and differentiation. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is an analytical spectroscopic technique increasingly being used as a potential tool for identification of microorganisms for diagnostic purposes. By employing mid-infrared (MIR) spectral data, it is not only possible to assess the chemical structures but also to achieve differentiation supported by multivariate statistic analysis. This work comprises a pilot study on differentiation of Leishmania species of the Old World (L. major, L. tropica, L. infantum, and L. donovani) as well as hybrids of distinct species by using vibrational spectroscopic fingerprints. Films of intact Leishmania parasites and their deoxyribonucleic acid (DNA) were characterized comparatively with respect to their biochemical nature and MIR spectral patterns. The strains’ hyperspectral datasets were multivariately examined by means of variance-based principal components analysis (PCA) and distance-based hierarchical cluster analysis (HCA). With the implementation of MIR spectral datasets we show that a phenotypic differentiation of Leishmania at species and intra-species level is feasible. Thus, FTIR spectroscopy can be further exploited for building up spectral databases of Leishmania parasites in view of high-throughput analysis of clinical specimens.
Automatic image reconstruction is critical to cope with steadily increasing data from advanced microscopy. We describe here the Fiji macro 3D ART VeSElecT which we developed to study synaptic vesicles in electron tomograms. We apply this tool to quantify vesicle properties (i) in embryonic Danio rerio 4 and 8 days past fertilization (dpf) and (ii) to compare Caenorhabditis elegans N2 neuromuscular junctions (NMJ) wild-type and its septin mutant (unc-59(e261)). We demonstrate development-specific and mutant-specific changes in synaptic vesicle pools in both models. We confirm the functionality of our macro by applying our 3D ART VeSElecT on zebrafish NMJ showing smaller vesicles in 8 dpf embryos then 4 dpf, which was validated by manual reconstruction of the vesicle pool. Furthermore, we analyze the impact of C. elegans septin mutant unc-59(e261) on vesicle pool formation and vesicle size. Automated vesicle registration and characterization was implemented in Fiji as two macros (registration and measurement). This flexible arrangement allows in particular reducing false positives by an optional manual revision step. Preprocessing and contrast enhancement work on image-stacks of 1nm/pixel in x and y direction. Semi-automated cell selection was integrated. 3D ART VeSElecT removes interfering components, detects vesicles by 3D segmentation and calculates vesicle volume and diameter (spherical approximation, inner/outer diameter). Results are collected in color using the RoiManager plugin including the possibility of manual removal of non-matching confounder vesicles. Detailed evaluation considered performance (detected vesicles) and specificity (true vesicles) as well as precision and recall. We furthermore show gain in segmentation and morphological filtering compared to learning based methods and a large time gain compared to manual segmentation. 3D ART VeSElecT shows small error rates and its speed gain can be up to 68 times faster in comparison to manual annotation. Both automatic and semi-automatic modes are explained including a tutorial.
Turkey is located in an important geographical location, in terms of the epidemiology of vector-borne diseases, linking Asia and Europe. Cutaneous leishmaniasis (CL) is one of the endemic diseases in a Turkey and according to the Ministry Health of Turkey, 45% of CL patients originate from Şanlıurfa province located in southeastern Turkey. Herein, the epidemiological status of CL, caused by L. tropica, in Turkey was examined using multilocus microsatellite typing (MLMT) of strains obtained from Turkish and Syrian patients. A total of 38 cryopreserved strains and 20 Giemsa-stained smears were included in the present study. MLMT was performed using 12 highly specific microsatellite markers. Delta K (ΔK) calculation and Bayesian statistics were used to determine the population structure. Three main populations (POP A, B and C) were identified and further examination revealed the presence of three subpopulations for POP B and C. Combined analysis was performed using the data of previously typed L. tropica strains and Mediterranean and Şanlıurfa populations were identified. This finding suggests that the epidemiological status of L. tropica is more complicated than expected when compared to previous studies. A new population, comprised of Syrian L. tropica samples, was reported for the first time in Turkey, and the data presented here will provide new epidemiological information for further studies.