Петлевая изотермическая амплификация - Википедия - Loop-mediated isothermal amplification

Петлевая изотермическая амплификация (НАПОЛЬНАЯ ЛАМПА) представляет собой одноламповый метод усиления ДНК[1][2] и недорогая альтернатива для обнаружения определенных заболеваний. Изотермическая амплификация, опосредованная обратной транскрипцией (RT-LAMP) сочетает ЛАМПУ с обратная транскрипция шаг, чтобы позволить обнаружение РНК.

LAMP - это метод изотермической амплификации нуклеиновых кислот. В отличие от полимеразной цепной реакции (ПЦР) технология, в которой реакция проводится с серией чередующихся температурных ступеней или циклов, изотермическая амплификация проводится при постоянной температуре и не требует термоциклер.

Техника

В LAMP целевая последовательность амплифицируется при постоянной температуре 60–65 ° C с использованием двух или трех наборов грунтовки и полимераза с высокой активностью смещения цепи в дополнение к активности репликации. Обычно для амплификации 6 отдельных областей гена-мишени используют 4 разных праймера, что увеличивает специфичность. Дополнительная пара «петлевых праймеров» может еще больше ускорить реакцию.[3] Количество ДНК, производимой в LAMP, значительно выше, чем ПЦР усиление на основе.

Схема LAMP биомаркеров нуклеиновых кислот из неочищенных образцов сточных вод для быстрого количественного определения специфической митохондриальной ДНК человека (мтДНК).[4]

Продукт амплификации может быть обнаружен с помощью фотометрии, измерения мутности, вызванной магнием. пирофосфат осадок в растворе как побочный продукт амплификации.[5] Это позволяет легко визуализировать невооруженным глазом или с помощью простых фотометрических подходов к обнаружению небольших объемов. За реакцией можно следить в режиме реального времени, измеряя мутность.[6] или флуоресценцией с использованием интеркалирующих красителей, таких как SYTO 9.[7] Красители, такие как SYBR зеленый, можно использовать для создания видимого изменения цвета, которое можно увидеть невооруженным глазом, без необходимости в дорогостоящем оборудовании, или для реакции, которую можно более точно измерить с помощью приборов. Молекулы красителя интеркалируют или непосредственно метят ДНК и, в свою очередь, могут коррелировать с числом копий, изначально присутствующих. Следовательно, LAMP также может быть количественным.

Определение амплификации ДНК LAMP в пробирке возможно с использованием марганца. кальцеин который начинает флуоресцировать при комплексообразовании марганца с пирофосфатом во время синтеза ДНК in vitro.[8]

Другой метод визуального обнаружения LAMP-ампликонов невооруженным глазом был основан на их способности гибридизоваться с комплементарной ss-ДНК, связанной с золотом, и, таким образом, предотвращать нормальное изменение цвета с красного на пурпурно-синий, которое в противном случае произошло бы во время индуцированной соли агрегации золотые частицы. Таким образом, метод LAMP в сочетании с обнаружением ампликона с помощью AuNP может иметь преимущества по сравнению с другими методами с точки зрения сокращения времени анализа, подтверждения ампликона гибридизацией и использования более простого оборудования (например, отсутствие необходимости в термоциклере, оборудовании для электрофореза или УФ-излучателе. .[9][10]

Использование и преимущества

LAMP - это относительно новый метод амплификации ДНК, который благодаря своей простоте, прочности и низкой стоимости может обеспечить значительные преимущества. LAMP имеет потенциал для использования в качестве простого скринингового анализа в полевых условиях или при оказании помощи клиницистами.[11] Поскольку LAMP изотермичен, что устраняет необходимость в дорогостоящих термоциклерах, используемых в традиционной ПЦР, он может быть особенно полезным методом диагностики инфекционных заболеваний в странах с низким и средним уровнем доходов.[12] LAMP широко изучается для выявления инфекционных заболеваний, таких как туберкулез,[13] малярия[14][15][16] сонная болезнь,[17] и SARS-CoV-2.[18][19] В развивающихся регионах его еще предстоит тщательно проверить для других распространенных патогенов.[11]

Было обнаружено, что LAMP менее чувствителен (более устойчив), чем ПЦР, к ингибиторам в сложных образцах, таких как кровь, вероятно, из-за использования другой ДНК-полимеразы (обычно Bst – Bacillus stearothermophilus - ДНК-полимераза, а не Taq полимераза как в ПЦР). В нескольких отчетах описывается успешное обнаружение патогенов в минимально обработанных образцах, таких как термообработанная кровь,[20][21] или в присутствии матриц клинических образцов.[22] Эта функция LAMP может быть полезна в условиях ограниченных ресурсов или в полевых условиях, где обычная экстракция ДНК или РНК перед диагностическим тестированием может быть непрактичной.

Ограничения

LAMP менее универсален, чем ПЦР, наиболее известный метод амплификации нуклеиновых кислот. LAMP полезен, прежде всего, как метод диагностики или обнаружения, но не пригоден для клонирования или многих других приложений молекулярной биологии, поддерживаемых ПЦР. Поскольку LAMP использует 4 (или 6) праймеров, нацеленных на 6 (или 8) областей в пределах довольно небольшого сегмента генома, и поскольку дизайн праймеров подвержен многочисленным ограничениям, сложно разработать наборы праймеров для LAMP «на глаз». Бесплатно, с открытым исходным кодом[23] или коммерческие пакеты программного обеспечения обычно используются для помощи в разработке праймера LAMP, хотя ограничения дизайна праймера означают, что свобода выбора целевого сайта меньше, чем с ПЦР.

В диагностическом приложении это должно быть сбалансировано с необходимостью выбора подходящей мишени (например, консервативный сайт в очень вариабельном вирусном геноме или мишень, специфичная для конкретного штамма патогена). Для покрытия различных вариантных штаммов одного и того же вида может потребоваться несколько вырожденных последовательностей. Следствием наличия такого набора праймеров может быть неспецифическая амплификация на поздней стадии амплификации.

Подходы к мультиплексированию для LAMP менее развиты, чем для ПЦР. Большее количество праймеров на мишень в LAMP увеличивает вероятность взаимодействий праймер-праймер для мультиплексированных наборов мишеней. Продукт LAMP представляет собой серию конкатемеров целевой области, приводящую к появлению характерной «лестницы» или полосатого рисунка на геле, а не одной полосы, как в случае ПЦР. Хотя это не проблема при обнаружении одиночных мишеней с помощью LAMP, «традиционные» (конечные) приложения мультиплексной ПЦР, в которых идентичность цели подтверждается размером полосы на геле, невозможны с LAMP. Мультиплексирование в LAMP было достигнуто путем выбора целевой области с сайтом рестрикции и переваривания перед нанесением геля, так что каждый продукт дает определенный размер фрагмента,[24] хотя такой подход усложняет экспериментальный план и протокол.

Использование ДНК-полимеразы с замещением цепи в LAMP также исключает использование зондов гидролиза, например TaqMan зонды, которые полагаются на 5'-3 ' экзонуклеаза деятельность Taq полимераза. Сообщалось об альтернативном подходе к мультиплексированию в реальном времени, основанном на тушителях флуоресценции.[25]

Зеленый краситель SYBR может быть добавлен для просмотра LAMP в режиме реального времени. Однако в поздней амплификации амплификация димера праймера может способствовать ложноположительному сигналу. В отличие от традиционных ПЦР-анализов на основе SYBR-green, анализ кривой плавления не может быть проведен в LAMP для проверки наличия димеры праймеров.[нужна цитата ]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нотоми Т., Окаяма Х., Масубучи Х., Ёнекава Т., Ватанабэ К., Амино Н., Хасэ Т. (2000). «Петлевая изотермическая амплификация ДНК». Нуклеиновые кислоты Res. 28 (12): 63e – 63. Дои:10.1093 / nar / 28.12.e63. ЧВК  102748. PMID  10871386.
  2. ^ Патент США 6410278, Notomi T, Hase T, «Процесс синтеза нуклеиновой кислоты», опубликовано 25 июня 2002 г., переуступлено Эйкену Кагаку Кабушики Кайша. 
  3. ^ Нагамин К., Хасэ Т., Нотоми Т. (2002). «Ускоренная реакция посредством петлевой изотермической амплификации с использованием петлевых праймеров». Мол. Клетка. Зонды. 16 (3): 223–9. Дои:10.1006 / mcpr.2002.0415. PMID  12144774.
  4. ^ Ян, Чжугэн; Сюй, гаолец; Ребо, Жюльен; Каспшик-Хордерн, Барбара; Купер, Джонатан М. (19 сентября 2017 г.). «Мониторинг генетических популяционных биомаркеров для эпидемиологии сточных вод». Аналитическая химия. 89 (18): 9941–9945. Дои:10.1021 / acs.analchem.7b02257. PMID  28814081.
  5. ^ Мори Й., Нагамин К., Томита Н., Нотоми Т. (2001). «Обнаружение опосредованной петлей реакции изотермической амплификации по мутности, обусловленной образованием пирофосфата магния». Biochem. Биофиз. Res. Сообщество. 289 (1): 150–4. Дои:10.1006 / bbrc.2001.5921. PMID  11708792.
  6. ^ Мори Ю., Китао М., Томита Н., Нотоми Т. (2004). «Турбидиметрия LAMP-реакции в реальном времени для количественного определения ДНК-матрицы». J. Biochem. Биофиз. Методы. 59 (2): 145–57. Дои:10.1016 / j.jbbm.2003.12.005. PMID  15163526.
  7. ^ Нджиру З.К., Микоша А.С., Армстронг Т., Эньяру Дж.С., Ндунгу Дж.М., Томпсон А.Р. (2008). «Петлевой изотермической амплификации (LAMP) метод быстрого обнаружения Trypanosoma brucei rhodesiense». PLOS Negl Trop Dis. 2 (1): e147. Дои:10.1371 / journal.pntd.0000147. ЧВК  2238707. PMID  18253475.
  8. ^ Томита Н, Мори Й, Канда Х, Нотоми Т (2008). «Петлевая изотермическая амплификация (LAMP) последовательностей генов и простое визуальное обнаружение продуктов». Нат Проток. 3 (5): 877–82. Дои:10.1038 / nprot.2008.57. PMID  18451795. S2CID  19416838.
  9. ^ Арунрут, Наронг; Кампира, Джантана; Сиритхаммаджак, Саравут; Сангуанрут, Пиячат; Proespraiwong, Porranee; Суэбсинг, Рунгкарн; Kiatpathomchai, Wansika (2016). «Чувствительное визуальное обнаружение бактерий AHPND с использованием петлевой изотермической амплификации в сочетании с ДНК-функционализированными наночастицами золота в качестве зондов». PLOS ONE. 11 (3): e0151769. Bibcode:2016PLoSO..1151769A. Дои:10.1371 / journal.pone.0151769. ЧВК  4803327. PMID  27003504.
  10. ^ Арунрут, Наронг; Тонди, Бенятип; Хумван, Пакапройд; Кампира, Джантана; Киатпатомчай, Вансика (февраль 2021 г.). «Быстрое и чувствительное колориметрическое определение микроспоридий Enterocytozoon hepatopenaei (EHP) на основе гена белка стенки спор (SWP) с использованием петлевой изотермической амплификации в сочетании с функционализированными ДНК наночастицами золота в качестве зондов». Аквакультура. 533: 736206. Дои:10.1016 / j.aquaculture.2020.736206.
  11. ^ а б Сен К., Эшболт, штат Нью-Джерси (2011). Экологическая микробиология: современные технологии и применение воды. Норфолк, Великобритания: Caister Academic Press. ISBN  978-1-904455-70-7.[страница нужна ]
  12. ^ Macarthur G (2009). Глобальная диагностика здоровья: исследования, разработки и регулирование. Отчет о семинаре Академии медицинских наук (PDF). Академия медицинских наук (Великобритания). ISBN  978-1-903401-20-0. Архивировано из оригинал (PDF) на 2018-05-16. Получено 2014-05-05.
  13. ^ Геоджит Дж., Дханасекаран С., Чандран С.П., Кеннет Дж. (2011). «Эффективность петлевой изотермической амплификации (LAMP) для лабораторной идентификации изолятов Mycobacterium tuberculosis в условиях ограниченных ресурсов». J. Microbiol. Методы. 84 (1): 71–3. Дои:10.1016 / j.mimet.2010.10.015. PMID  21047534.
  14. ^ Пун Л.Л., Вонг Б.В., Ма Э.Х., Чан К.Х., Чоу Л.М., Абейвикрем В., Тангпукди Н., Юэнь К.Ю., Гуан Й, Луарисуван С., Пейрис Дж. С. (2006). «Чувствительный и недорогой молекулярный тест на малярию falciparum: обнаружение ДНК Plasmodium falciparum непосредственно из термообработанной крови с помощью изотермической амплификации, опосредованной петлей». Clin. Chem. 52 (2): 303–6. Дои:10.1373 / Clinchem.2005.057901. PMID  16339303.
  15. ^ Понака, Редди В. и др. | ASTMH 2015 | Молекулярное обнаружение плазмодия с помощью петлевой изотермической амплификации (LAMP) и сравнение чувствительности с анализом ПЭТ-ПЦР | http://www.ilmar.org.il/diasorin/MBI_MalariaPoster2015-ASTMH_JT_rev3.pdf В архиве 2016-11-20 на Wayback Machine
  16. ^ Понака, Редди В. и др. | AMP 2015 | http://www.ilmar.org.il/diasorin/MBI_AMP2015_MalariaPoster102715.pdf В архиве 2016-11-20 на Wayback Machine
  17. ^ Нджиру З.К., Микоша А.С., Матову Э., Эньяру Дж.С., Оума Дж.О., Кибона С.Н., Томпсон Р.К., Ндунгу Дж.М. (2008). «Африканский трипаносомоз: чувствительное и быстрое обнаружение подрода Trypanozoon с помощью петлевой изотермической амплификации (LAMP) ДНК паразита». Int. J. Parasitol. 38 (5): 589–99. Дои:10.1016 / j.ijpara.2007.09.006. ЧВК  7094514. PMID  17991469.
  18. ^ Уокер, Питер (21 мая 2020 г.). «Испытания на коронавирус в Великобритании с 20-минутным ожиданием проходят испытания». Хранитель.
  19. ^ Пак, Гун-Су; Ку, Кынбон; Пэк, Сын-Хва; Ким, Сон-Джун; Ким, Сын Ир; Ким, Бум-Тэ; Маенг, Джин-Су (2020). «Разработка методов изотермической амплификации, опосредованных обратной транскрипцией, для лечения тяжелого острого респираторного синдрома, коронавируса 2 (SARS-CoV-2)». Журнал молекулярной диагностики. 22 (6): 729–735. Дои:10.1016 / j.jmoldx.2020.03.006. ЧВК  7144851. PMID  32276051.
  20. ^ Кертис К.А., Рудольф Д.Л., Оуэн С.М. (2008). «Быстрое обнаружение ВИЧ-1 с помощью обратной транскрипции, петлевой изотермической амплификации (RT-LAMP)». J. Virol. Методы. 151 (2): 264–70. Дои:10.1016 / j.jviromet.2008.04.011. PMID  18524393.
  21. ^ Саттабонгкот Дж., Цубои Т., Хан Э. Т., Бантучай С., Буатес С. (2014). «Петлевой изотермический анализ амплификации для быстрой диагностики малярийных инфекций в эндемичных районах Таиланда». J. Clin. Микробиол. 52 (5): 1471–7. Дои:10.1128 / JCM.03313-13. ЧВК  3993686. PMID  24574279.
  22. ^ Франсуа П., Тангомо М, Хиббс Дж., Бонетти Э.Дж., Беме С.К., Нотоми Т., Перкинс М.Д., Шренцель Дж. (2011). «Устойчивость петлевой изотермической реакции амплификации для диагностических приложений». ФЭМС Иммунол. Med. Микробиол. 62 (1): 41–8. Дои:10.1111 / j.1574-695X.2011.00785.x. PMID  21276085.
  23. ^ Торрес С., Виталис Е.А., Бейкер Б.Р., Гарднер С.Н., Торрес М.В., Дзенитис Дж.М. (2011). «LAVA: открытый подход к разработке LAMP (петлевой изотермической амплификации) сигнатур ДНК». BMC Bioinformatics. 12: 240. Дои:10.1186/1471-2105-12-240. ЧВК  3213686. PMID  21679460.
  24. ^ Исэки, Хироши; Альхассан, Энди; Охта, Наоми; Thekisoe, Oriel M.M .; Ёкояма, Наоаки; Иноуэ, Нобору; Намбота, Эндрю; Ясуда, июн; Игараси, Икуо (декабрь 2007 г.). «Разработка метода мультиплексной петлевой изотермической амплификации (mLAMP) для одновременного обнаружения паразитов бычьей бабезии». Журнал микробиологических методов. 71 (3): 281–7. Дои:10.1016 / j.mimet.2007.09.019. PMID  18029039.
  25. ^ Таннер Н.А., Чжан Ю., Эванс Т.К. (август 2012 г.). «Одновременное обнаружение нескольких целей при петлевой изотермической амплификации в реальном времени». Биотехнологии. 53 (2): 81–9. Дои:10.2144/0000113902. PMID  23030060.