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《Analytical Chemistry》 | HOOKE单细胞分选仪助力耐药基因水平基因转移研究
阅读量:39
发布时间:2021-08-25
来源:酯香香化学采购网
  【化工仪器网 科技前沿】10月28日,中科院城市环境研究所崔丽研究员团队应用辰英核心产品——单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS,在期刊《Analytical Chemistry》上发表文章“Phenotypic Tracking of Antibiotic Resistance Spread via Transformation from Environment to Clinic by Reverse D2O Single-Cell Raman Probing”。
 

 
  01 研究背景
 
  微生物耐药是一个危害公共卫生安全的性问题。耐药基因(antibiotic resistance gene,ARG)在环境或临床中出现并传播扩散。在这一过程中,水平基因转移(Horizontal gene transfer,HGT)现象起着不可忽视的作用。HGT的一个主要途径是转化(transformation)——受体细菌摄取胞外DNA(extracelluar DNA,eDNA)。这些eDNA多是细菌主动分泌或者裂解过程中释放的质粒DNA以及片段化DNA,常常携带着ARG。环境充当着ARG储库的角色,威胁着临床治疗。因此了解ARG从环境到临床转移的过程是必要的。
 
  在上述问题的研究中,常规方法依赖耐药菌的选择性培养或是报告基因标记eDNA技术。前者需要已知被筛选微生物的培养条件,且无法筛选出耐药但扩增不活跃的微生物。后者需要对eDNA等进行改造,不能反应实际的HGT情况。
 
  近年新兴了一种联合正向D2O标记的单细胞拉曼光谱方法用于微生物抗性区分。微生物利用环境中的D2O合成相关的生物分子,可以通过拉曼光谱的C-D带(2040-2300 cm-1)进行表征。抗性环境中敏感菌与耐药菌会表现出不同D2O摄入,进而表现出不同的C-D峰情况。然而微生物不仅摄入D2O,还会摄入其他含H元素的营养物质,这导致单位时间C-D谱带的增长较低。同时较短时间的孵育也降低了该方法的灵敏度。作者团队改进并提出了反向D2O-单细胞-拉曼检测技术(reverse D2O single-cell Raman (Raman-rD2O) probing,Raman-rD2O)。微生物预先在D2O中孵育,后置换为含抗生素的H2O环境孵育并被检测。作者确定了该方法的有效性并利用该方法研究了HGT过程.。
 
  02 实验设计
 
  这项研究中,为了评价微生物耐药性,作者建立了Raman-rD2O方法,确定了其有效性,以及灵敏度。之后在大肠杆菌体系中确认了水平基因转移的情况。接着评价了与来自于复杂环境中质粒共孵育的大肠杆菌对各抗生素(meropenem,vancomycin,ampicillin,cefradine以及ciprofloxacin)的耐药情况,并确认了该方法比传统培养方法更加准确。后提出了一种用于反映ARGs传播风险的计算方法。
 
  03 结果讨论
 
  Raman-rD2O方法区分耐药菌以及敏感菌的灵敏度
 
  对colistin耐药的FIT10(B. cereus)以及colistin敏感的DH5α(E. coli)菌株进行D2O培养12h。转移至含抗生素colistin的无D2O环境进行培养,取不同时间点进行拉曼图谱采集,结果如图 1。在C-D峰处可以看出,耐药菌FIT10峰强逐渐变低,非耐药菌DH5α无明显变化。
 

 
  图 1. 预先标记同位素D微生物在含0.125 mg/L colistin的LB培养基中培养0、0.5、1、4、8小时后的单细胞拉曼光谱(a)耐药菌FIT10,(b)敏感菌DH5α。
 
  采集含colistin培养条件下FIT10以及DH5α的单细胞拉曼图谱并统计C-D比值(CD/(CD + CH)),结果如图 2a-Ⅰ。另外比较了含ampicillin条件下的DH5α-Ampr以及DH5α数据,如图 2a-Ⅲ。可以看出该方法能够区分耐药菌以及敏感菌,且适用不同抗生素。
 
  从图 2a-Ⅱ/Ⅲ以及2b数据,可以看出正向标记方法4h后才能观察到差异。因此反向标记方法是优于正向标记的。
 

 
  图 2. (a-Ⅰ,a-Ⅲ) 反向D2O方法下,不同时间点的colistin耐药FIT10、ampicilin耐药DH5α-Ampr以及DH5α的C-D比值统计结果;(a-Ⅲ,a-Ⅳ) 正向D2O方法下结果;(b) 1×MIC抗生素浓度下培养1h,反向D2O、正向D2O的单细胞拉曼图谱C-D区域结果。
 
  利用Raman-rD2O方法揭示转化过程中ARGs的水平基因转移
 
  作者比较了实验组JM109(E . coli)以及对照组DH5α、DH5α-Ampr 菌C-D比值。JM109预先与携带bla基因(编码抗ampicilin蛋白)的pMD19-T质粒共孵育。从图 3可以看出,DH5α组维持高的C-D比值,DH5α-Ampr 组比值降至6.4%以下。而JM109组分为了高比值群体以及低比值群体。这意味着JM109组中部分微生物获得了bla基因并表达,从而能在含ampicilin环境中进行代谢生长。
 
  为了验证这一假设,作者利用本公司(HOOKE instruments)产品单细胞分选仪(PRECI SCS),对各样品进行了单个细胞分选。对分选的单个微生物进行全基因组扩增后,通过PCR验证bla基因的携带情况。从图 3b可看出,DH5α组无bla基因,DH5α-Ampr 组携带bla基因,部分JM109组携带bla基因。这一结果印证了bla基因转移的假设。
 
  作者统计了不同采集个数下耐药菌个数并计算了转化频率(Transformation Frequency = 转化菌个数/(10×拉曼采集总数),10为微生物1h时扩增倍数)。采集数目大于40时,转化频率趋近4.33 × 10-2。该结果与传统平板培养方法得到的5.07 × 10-2一致。
 

 
  图 3. (a)预标记同位素D的E. coli DH5α(敏感对照),E. coli DH5α-Ampr(抵抗对照)以及转化了含bla基因质粒的接受菌E. coli ,经过含ampicillin的LB培养基孵育1h,采集拉曼光谱并统计C-D比率。每个点对应一个拉曼结果。阈值6.4%为未经过D标记的抗性转化子的C-D比值的平均值+3倍标准偏差;(b)PCR产物(针对质粒上bla基因)的电泳结果,1-3道为高C-D比值的敏感接受菌,4-6为小于10% C-D比值的耐药接受菌,7为不含质粒的E. coli DH5α,8为含bla基因的E. coli DH5α-Ampr;(c)质粒(携带bla基因)的转化频率(线)以及转化频率的标准偏差(柱)。利用单细胞Raman-rD2O方法对不同拉曼图谱采集个数下结果进行了统计。
 
  通过单细胞Raman-rD2O评价复杂环境中质粒介导的eARGs转化现象
 
  作者提取了土壤中的质粒并与E. coli共孵育。通过单细胞Raman-D2O,分析了不同抗生素下(meropenem,vancomycin,ampicillin,cefradine以及ciprofloxacin)的拉曼C-D比值。从图 4a可以看出,ampicillin,cefradine以及ciprofloxacin组出现了水平基因转移现象。考虑到土壤等环境中质粒对受体微生物增殖能力的影响,不同质粒编码导致同一抗性等问题,作者引入了传播效率(Spread Efficiency = 转化菌个数/拉曼采集总数)来评估传播风险。就图 4b结果来说,传播效率ampicillin(1.5 × 10-1) > cefradine(8.6 × 10-2)和ciprofloxacin(6.7 × 10-2) >meropene(0)m和 vancomycin(0)。
 
  作者同时计算了Raman rD2O方法的转化效率,ampicillin (1.9 × 10-3)> ciprofloxacin (5.9 × 10-4) and cefradine (8.8 × 10-4) >meropenem and vancomycin (0) 。而传统平皿培养方法下的转化效率数值小于上述80-100倍。传统方法低估了HGT的程度,一方面存在携带抗性基因但在环境下不可培养鉴定的微生物(viable but nonculturable,VBNC),另一方面存在接受质粒导致扩增速率大幅降低(1000倍)的微生物。而在传统方法中过夜培养后,这种差异变得更加的明显。
 

 
  图 4. (a) E. coli DH5α(敏感对照)C-D比值,以及接受菌E. coli 的C-D比值。接受菌经同位素D预标记后,与从土壤提取质粒进行共孵育。后分别在meropenem,vancomycin,ampicillin,cefradine以及ciprofloxacin条件下孵育1h。每一个点对应一个单细胞拉曼图谱。C-D比值小于6.4%的为不带D标记的耐受转化子;(b)携带抗meropenem,vancomycin,ampicillin,cefradine以及ciprofloxacin基因的质粒的传播效率。星号表示比较具有统计学意义(单因素方差分析ANOVA,P< 0.001)。
 
  04 结论
 
  利用单细胞拉曼反向D2O检测方法能够可靠且快速的从表型上追踪耐药从环境到临床的扩散。方法具有很高的灵敏度,能够在大量受体菌种识别出那些少量的抗性转化子。单细胞水平的检测避免了繁琐的培养过程,可以直接计算传播效率,能够表征临床相关抗生素的不同风险。该方法后续未来可用于破解影响抗性质粒转移以及持续的因素。通过与基因型研究的联系,能更好的理解环境质体(environmental plastidome)传播风险。也是一种研究HGT机制的新手段。
 
  辰英科仪自主研制的单细胞分选仪PRECI SCS具有独特的可视化分选功能,所见即所得,精准实现目标细胞的逐一分离。采用独特的激光与物质相互作用原理,对于复杂生物样本中形态各异的细胞,可实现非标记状态下的精准分离。对于百纳米级的单个微生物细胞也同样适用。
 

 
  图5. 单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS
 

 
  图6. 拉曼单细胞分选仪HOOKE PRECI SCS-R300
 
  PRECI SCS具有可视化、广泛适用等特点。分选过程不依赖标记,可与形态、拉曼、荧光等多种识别方式结合,多种机型可选,满足不同应用需求。搭载潜心研制的HOOKE IntP智能软件,实现单细胞图像智能识别、一键自动分选、全自动细胞获取等。设备操作流程简易,为单细胞测序、未培养微生物开发、工程细胞筛选、细胞图谱绘制等研究提供解决方案,助力前沿科学研究。

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