570 Biowissenschaften; Biologie
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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.
In this work, the fabrication and characterization of a simple, inexpensive, and effective microfluidic paper analytic device (µPAD) for monitoring DNA samples is reported. The glass microfiber-based chip has been fabricated by a new wax-based transfer-printing technique and an electrode printing process. It is capable of moving DNA effectively in a time-dependent fashion. The nucleic acid sample is not damaged by this process and is accumulated in front of the anode, but not directly on the electrode. Thus, further DNA processing is feasible. The system allows the DNA to be purified by separating it from other components in sample mixtures such as proteins. Furthermore, it is demonstrated that DNA can be moved through several layers of the glass fiber material. This proof of concept will provide the basis for the development of rapid test systems, e.g., for the detection of pathogens in water samples.
New representative of carbacylamidophosphates - diphenyl-N-(trichloroacetyl)-amidophosphate (HL), which contains two phenoxy substituents near the phosphoryl group, was synthesized, identified by elemental analysis and IR and NMR spectroscopy, and tested as a cytotoxic agent itself and in combination with C60 fullerene.
According to molecular simulation results, C60 fullerene and HL could interact with DNA and form a rigid complex stabilized by stacking interactions of HL phenyl groups with C60 fullerene and DNA G nucleotide, as well as by interactions of HL CCl3 group by ion-π bonds with C60 molecule and by electrostatic bonds with DNA G nucleotide.
With the use of MTT test, the cytotoxic activity of HL against human leukemic CCRF-CM cells with IC50 value detected at 10 μM concentration at 72 h of cells treatment was shown. Under combined action of 16 μM C60 fullerene and HL, the value of IC50 was detected at lower 5 μM HL concentration and at earlier 48 h period of incubation, besides the cytotoxic effect of HL was observed at a low 2.5 μM concentration at which HL by itself had no influence on cell viability. Binding of C60 fullerene and HL with minor DNA groove with formation of a stable complex is assumed to be one of the possible reasons of their synergistic inhibition of CCRF-CЕM cells proliferation.
Application of C60 fullerene in combination with 2.5 μM HL was shown to have no harmful effect on structural stability of blood erythrocytes membrane. Thus, combined action of C60 fullerene and HL in a low concentration potentiated HL cytotoxic effect against human leukemic cells and was not followed by hemolytic effect.
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.
Dimorfolido-N-trichloroacetylphosphorylamide (HL1) and dimorfolido-N-benzoylphosphorylamide (HL2) as representatives of carbacylamidophosphates were synthesized and identified by the methods of IR, 1H, and 31P NMR spectroscopy. In vitro HL1 and HL2 at 1 mM concentration caused cell specific and time-dependent decrease of leukemic cell viability. Compounds caused the similar gradual decrease of Jurkat cells viability at 72 h (by 35%). HL1 had earlier and more profound toxic effect as compared to HL2 regardless on leukemic cell line. Viability of Molt-16 and CCRF-CEM cells under the action of HL1 was decreased at 24 h (by 32 and 45%, respectively) with no substantial further reducing up to 72 h. Toxic effect of HL2 was detected only at 72 h of incubation of Jurkat and Molt-16 cells (cell viability was decreased by 40 and 45%, respectively).
It was shown that C60 fullerene enhanced the toxic effect of HL2 on leukemic cells. Viability of Jurkat and CCRF-CEM cells at combined action of C60 fullerene and HL2 was decreased at 72 h (by 20 and 24%, respectively) in comparison with the effect of HL2 taken separately.
In silico study showed that HL1 and HL2 can interact with DNA and form complexes with DNA both separately and in combination with C60 fullerene. More stable complexes are formed when DNA interacts with HL1 or C60 + HL2 structure. Strong stacking interactions can be formed between HL2 and C60 fullerene. Differences in the types of identified bonds and ways of binding can determine distinction in cytotoxic effects of studied compounds.