Detection, Identification and Molecular Variation of Human Enteroviruses

Picornaviruses are the most common human viruses and the identification of the picornaviruses is nowadays based on molecular techniques, for example, reverse transcriptase polymerase chain reaction (RT-PCR). One aim of this thesis was to improve the identification of picornaviruses, especially rhino- and enteroviruses, with a real-time assay format and, also, to improve the differentiation of the viruses with genus-specific locked nucleic acid (LNA) probes. Another aim was to identify and study the causative agent of the enterovirus epidemics that appeared in Finland during seasons 2008-2010. In this thesis, the first version of picornavirus qRT-PCR with a melting curve analysis was used in a study of rhinovirus transmission within families with a rhinovirus positive index child where rhinovirus infection was monitored in all family members. In conclusion, rhinoviruses spread effectively within families causing mostly symptomatic infections in children and asymptomatic infections in adults. To improve the differentiation between rhino- and enterovirus the picornavirus qRT-PCR was modified with LNA-incorporated probes. The LNA probes were validated with picornavirus prototypes and different clinical specimen types. The LNA probe-based picornavirus qRT-PCR was able to differentiate all rhino- and enteroviruses correctly, which makes it suitable for diagnostic use. Moreover, in this thesis enterovirus outbreaks were studied with a well-observed method to create a strain-specific qRT-PCR from the typing region VP1 protein. In a hand-foot-and-mouth-disease (HFMD) outbreak in 2008, the causative agent was identified as CV-A6 and when the molecular evolution of the new HFMD CV-A6 strain was studied it was found that CV-A6 was the emerging agent for HFMD and onychomadesis. Furthermore, unusual E-30 meningitis epidemics that apeared during seasons 2009 and 2010 were studied with strain-specific qRT-PCR. The E-30 affected mostly adolescents and was probably spread in sports teams.

Aikaerotteisesti fluoresenssia mittaavan reaaliaikaisen PCR-laitteen kehitys

Kvantitatiivinen reaaliaikainen polymeraasiketjureaktio (engl. polymerase chain reaction, PCR) on osoittautunut käyttäjäystävällisimmäksi menetelmäksi nukleiinihapposekvenssien kvantitoimisessa. Tätä menetelmää voidaan herkistää pienempien DNA-pitoisuuksien havaitsemiseen käyttämällä hyväksi aikaerotteista fluorometriaa (engl. time-resolved fluorometry, TRF) ja luminoivia lantanidileimoja, joiden fluoresenssin pitkän eliniän ansiosta emission mittaus voidaan suorittaa vasta hetki virittävän valopulssin jälkeen, jolloin lyhytikäinen taustasäteily ehtii sammua. Tuloksena saadaan korkea signaali-taustasuhde. Tämän diplomityön tarkoituksena oli rakentaa TRF:än pystyvä reaaliaikainen PCR-laite, sillä tällaista laitetta ei ole markkinoilla tarjolla. Laite rakennettiin kehittämällä lämpökierrätin ja yhdistämällä se valmiiseen TRF:än kykenevään mittapäähän. Mittapään ja lämpökierrättimen hallitsemiseksi kehitettiin myös tietokoneohjelma. Valon tuottamiseksi ja mittaamiseksi haluttiin käyttää edullisia komponentteja, joten työssä käytettiin valmiin mittapään optiikkaa, jossa viritys tapahtuu hohtodiodilla (engl. light-emitting diode, LED) ja lantanidileiman emission mittaus fotodiodilla (engl. photodiode, PD) tai valomonistinputkella (engl. photomultiplier tube, PMT). Myös mittapään suorituskykyä tutkittiin. Työtä varten kehitettiin lämpökierrätin, joka koostui Peltier-elementillä lämmitettävästä PCR-putkitelineestä ja lämpökannesta. Mittalaitteen suorituskyvyn tutkimiseen käytettiin kelaattikomplementaatioon perustuvaa PCR-tuotteen havaitsemismenetelmää. Kelaattikomplementaatio perustuu kahteen erilliseen oligonukleotidimolekyyliin, joista toiseen on sidottu lantanidi-ioni ja toiseen valoa absorboiva ligandirakenne, jotka yhdessä muodostavat fluoresoivan kokonaisuuden. Kehitetyn lämpökierrättimen todettiin olevan tarpeeksi tarkka sekä tehokas ja sen lämmitys- ja jäähdytysnopeuden maksimeiksi saatiin 2,6 °C/sekunti. Detektorina käytetyn PD:n ei todettu olevan tarpeeksi herkkä emission havainnoimiseksi ja se korvattiin laitteessa PMT:llä. Käytetyllä PCR-määrityksellä kynnyssykleiksi (engl. threshold cycle, Ct) sekä kehitetylle että referenssilaitteelle saatiin 28,4 käyttämällä samaa 100 000 kopion DNA:n aloitusmäärää. Työssä osoitettiin, että on mahdollista kehittää edullisia komponentteja käyttävä, TRF:än pystyvä, reaaliaikainen PCR-laite, joka kykenee vastaavaan Ct-arvoon kuin vertailulaite. PD:n herkkyys ei kuitenkaan riittänyt. Tulokset olivat lupaavia, sillä LED- ja PD-teknologiat kehittyvät ja markkinoille on tullut myös muita komponentteja, joiden avulla on tulevaisuudessa mahdollista kehittää vielä herkempi laite.

Food Safety Testing: Rapid Molecular Methods for Chemical and Biological Hazards

The central goal of food safety policy in the European Union (EU) is to protect consumer health by guaranteeing a high level of food safety throughout the food chain. This goal can in part be achieved by testing foodstuffs for the presence of various chemical and biological hazards. The aim of this study was to facilitate food safety testing by providing rapid and user-friendly methods for the detection of particular food-related hazards. Heterogeneous competitive time-resolved fluoroimmunoassays were developed for the detection of selected veterinary residues, that is coccidiostat residues, in eggs and chicken liver. After a simplified sample preparation procedure, the immunoassays were performed either in manual format with dissociation-enhanced measurement or in automated format with pre-dried assay reagents and surface measurement. Although the assays were primarily designed for screening purposes providing only qualitative results, they could also be used in a quantitative mode. All the developed assays had good performance characteristics enabling reliable screening of samples at concentration levels required by the authorities. A novel polymerase chain reaction (PCR)-based assay system was developed for the detection of Salmonella spp. in food. The sample preparation included a short non-selective pre-enrichment step, after which the target cells were collected with immunomagnetic beads and applied to PCR reaction vessels containing all the reagents required for the assay in dry form. The homogeneous PCR assay was performed with a novel instrument platform, GenomEra^™, and the qualitative assay results were automatically interpreted based on end-point time-resolved fluorescence measurements and cut-off values. The assay was validated using various food matrices spiked with sub-lethally injured Salmonella cells at levels of 1-10 colony forming units (CFU)/25 g of food. The main advantage of the system was the exceptionally short time to result; the entire process starting from the pre-enrichment and ending with the PCR result could be completed in eight hours. In conclusion, molecular methods using state-of-the-art assay techniques were developed for food safety testing. The combination of time-resolved fluorescence detection and ready-to-use reagents enabled sensitive assays easily amenable to automation. Consequently, together with the simplified sample preparation, these methods could prove to be applicable in routine testing.

Community-acquired pneumonia in adult patients with special reference to rapid methods for etiological diagnosis

Aikuispotilaan kotisyntyisen keuhkokuumeen etiologinen diagnostiikka mikrobiologisilla pikamenetelmillä Tausta. Keuhkokuume on vakava sairaus, johon sairastuu Suomessa vuosittain n. 60 000 aikuista. Huolimatta siitä, että taudin hoito on kehittynyt, siihen liittyy yhä merkittävä, 6-15%:n kuolleisuus. Alahengitystieinfektion aiheuttajamikrobien tunnistaminen on myös edelleen haasteellista. Tavoitteet. Tämän työn tavoitteena oli tutkia Turun yliopistollisessa keskussairaalassa hoidettujen aikuispotilaiden keuhkokuumeen etiologiaa sekä selvittää uusien mikrobiologisten pikamenetelmi¬en hyödyllisyyttä taudinaiheuttajan toteamisessa. Aineisto. Osatöiden I ja III aineisto koostui 384 Turun yliopistollisen keskussairaalaan infektio-osastolla hoidetusta keuhkokuumepotilaasta. Osatyössä I tutkittiin keuhkokuumeen aiheuttaja¬mikrobeja käyttämällä perinteisten menetelmien lisäksi antigeeniosoitukseen ja PCR-tekniikkaan perustuvia pikamenetelmiä. Osatyö II käsitti 231 potilaasta koostuvan alaryhmän, jossa tutkittiin potilaiden nielun limanäytteestä rinovirusten ja enterovirusten esiintyvyyttä. Osatyössä III potilailta tutkittiin plasman C-reaktiivisen proteiinin (CRP) pitoisuus ensimmäisten viiden sairaalahoitopäi¬vän aikana. Laajoja tilastotieteellisiä analyysejä käyttämällä selvitettiin CRP:n käyttökelpoisuutta sairauden vaikeusasteen arvioinnissa ja komplikaatioiden kehittymisen ennustamisessa. Osatyössä IV 68 keuhkokuumepotilaan sairaalaan tulovaiheessa otetuista näytteistä määritettiin neutrofiilien pintareseptorien ekspressio. Osatyössä V analysoitiin sisätautien vuodeosastoilla vuosina 1996-2000 keuhkokuumepotilaille tehtyjen keuhkohuuhtelunäytteiden laboratoriotutkimustulokset. Tulokset. Keuhkokuumeen aiheuttaja löytyi 209 potilaalta, aiheuttajamikrobeja löydettiin kaikkiaan 230. Näistä aiheuttajista 135 (58.7%) löydettiin antigeenin osoituksella tai PCR-menetelmillä. Suu¬rin osa, 95 (70.4%), todettiin pelkästään kyseisillä pikamenetelmillä. Respiratorinen virus todettiin antigeeniosoituksella 11.1% keuhkokuumepotilaalla. Eniten respiratorisia viruksia löytyi vakavaa keuhkokuumetta sairastavilta potilailta (20.3%). 231 keuhkokuumepotilaan alaryhmässä todettiin PCR-menetelmällä picornavirus 19 (8.2%) potilaalla. Respiratorinen virus löytyi tässä potilasryh¬mässä kaiken kaikkiaan 47 (20%) potilaalta. Näistä 17:llä (36%) löytyi samanaikaisesti bakteerin aiheuttama infektio. CRP-tasot olivat sairaalaan tulovaiheessa merkitsevästi korkeammat vakavaa keuhkokuumetta (PSI-luokat III-V) sairastavilla potilailla kuin lievää keuhkokuumetta (PSI-luokat I-II) sairastavilla potilailla (p <0.001). Yli 100 mg/l oleva CRP-taso neljän päivän kuluttua sairaa¬laan tulosta ennusti keuhkokuumeen komplikaatiota tai huonoa hoitovastetta. Neutrofiilien komple¬menttireseptorin ekspressio oli pneumokokin aiheuttamaa keuhkokuumetta sairastavilla merkitse¬västi korkeampi kuin influenssan aiheuttamaa keuhkokuumetta sairastavilla. BAL-näytteistä vain yhdessä 71:stä (1.3%) todettiin diagnostinen bakteerikasvu kvantitatiivisessa viljelyssä. Uusilla menetelmilläkin keuhkokuumeen aiheuttaja löytyi vain 9.8% BAL-näytteistä. Päätelmät. Uusilla antigeeniosoitus- ja PCR-menetelmillä keuhkokuumeen etiologia voidaan saada selvitettyä nopeasti. Lisäksi näitä menetelmiä käyttämällä taudin aiheuttajamikrobi löytyi huomattavasti suuremmalta osalta potilaista kuin pelkästään tavanomaisia menetelmiä käyttämällä. Pikamenetelmien hyödyllisyys vaihteli taudin vaikeusasteen mukaan. Respiratorinen virus löytyi huomattavan usein keuhkokuumetta sairastavilta potilailta, ja näiden potilaiden taudinkuva oli usein vaikea. Tulovaiheen korkeaa CRP-tasoa voidaan käyttää lisäkeinona arvioitaessa keuhkokuumeen vaikeutta. CRP on erityisen hyödyllinen arvioitaessa hoitovastetta ja riskiä komplikaatioiden ke¬hittymiseen. Neutrofiilien komplementtireseptorin ekspression tutkiminen näyttää lupaavalta pi¬kamenetelmältä erottamaan bakteerien ja virusten aiheuttamat taudit toisistaan. Antimikrobihoitoa saavilla potilailla BAL-tutkimuksen löydökset olivat vähäiset ja vaikuttivat hoitoon vain harvoin.

Pikornavirusten käyttö geenivektoreina ja syöpäterapiassa sekä Coxsackievirus A7 -isolaattien sekvenssianalyysi

Kirjallisessa osassa tarkasteltiin pikornavirusten käyttöä geenivektoreina ja syöpäterapiassa. Pikornavirukset ovat positiivissäikeisiä RNA-viruksia, ja niiden genomi koostuu rakenteellisista kuoriproteiineista VP1-VP4 sekä ei-rakenteellisista proteiineista 2A-2C ja 3A-3D. Geenivektoritutkimukset ovat keskittyneet erilaisten inserttien kloonaamiseen virusten VP1-VP4-alueelle ja genomin 5'-päähän sekä näiden muutosten vaikutusten seuraamiseen virusten elinkierrossa solu- ja hiirimalleissa. Geenivektoreina on parhaiten toimineet coxsackievirukset B3, B4 ja A9 sekä mengo- ja poliovirus. Niitä on käytetty hiirissä mm. neuronien motorisen BDNF-reseptorin ilmentämiseen sekä hiiren interleukiini-10:n tuottamiseen selkäydinkanavan vaurioiden korjaamiseksi. Syöpäterapiatutkimuksissa on saatu lupaavia tuloksia coxsackieviruksilla A21, A13, A15 ja A18 sekä echo-, Seneca Valley 001- ja EMCV-viruksilla. Viruksilla on saatu mm. rintasyövän pääkasvain ja metastasoituneet etäpesäkkeet häviämään sekä eturauhassyövän kasvaimia pienenemään. Seneca Valley 001 -virus on osoittautunut tehokkaaksi syöpiä vastaan, joilla on neuroendokriinisiä ominaisuuksia. Viruksen käyttämistä faasi 2:n kliinisiin kokeisiin ollaan parhaillaan suunnittelemassa pienisoluisen keuhkosyövän ja lasten neuroendokriinisen syövän kohdalla. Kokeellisessa osassa optimoitiin RT-PCR-menetelmä coxsackievirus A7:n (CV-A7) genomin tuottamiseksi PCR-reaktiolla (FL-PCR). FL-PCR:n optimointi tehtiin vektoreilla, joihin oli kloonattu CV-A7-USSR- (USSR-pcDNA3) ja CV-A7-Parkerisolaattien (Parker-TA) genomit. Menetelmää käytettiin myöhemmin muiden CV-A7- virusisolaattien (275/58, ET1080 ja SVK) tutkimiseen. Näistä isolaateista eristettiin virus-RNA, joka käännettiin cDNA:ksi RT-entsyymillä. PCR:ssä käytetyt, CV-A7- spesifiset koettimet oli suunniteltu aiemmin sekvensoidun CV-A7-sekvenssin (GenBank AY421765) pohjalta. Infektiivisen kloonin tuottamiseksi USSR-pcDNA3- ja Parker-TA-vektoreista tuotettiin PCR:n avulla (T7-PCR) virusgenomin sisältävä DNAjakso, jonka 5'-päähän muodostui alukkeiden avulla T7RNA-polymeraasipromoottori ja 3'-päähän polyA-häntä. Työssä myös sekvensoitiin ja analysoitiin CV-A7-virusisolaatit Parker, USSR, 275/58, ET1080 ja SVK sekä kloonattiin täyspitkiä virusgenomeja cDNA-muodossa mutaatiokokeita varten. FL-PCR:n optimointi onnistui, ja neljä viidestä CV-A7-isolaatista sekvensoitiin. Virusgenomien pituus vaihteli 7403–7405 nt:n välillä. CV-A7-ET1080, -Parker ja - USSR osoittautuivat yli 99 % ja CV-A7-275/58 82,6 % nt samankaltaisiksi koko genomin pituudelta AY421765:en suhteen. Yksittäisten geenien ja proteiinien osalta CV-A7-275/58 oli 75,8–90,4 % nt ja 93,7–98,8 % aa samankaltainen muiden suhteen. Simplot-analyysissä 3B-geenialue oli heterogeenisin. CV-A7-SVK-isolaatti osoittautui echovirus kolmeksi. Infektiivistä kloonia ei saatu tuotettua T7-PCR-tuotteista.

Novel Functions of ErbB4 and NRG-1 in Development and Cancer

Cells communicate, or signal, with each other constantly to ensure proper functioning of tissues and organs. Cell signaling is often performed by interplay of receptors and ligands that bind these receptors. ErbB receptors (epidermal growth factor receptors, EGFR, HER) bind extracellular growth factors and transduce these signals inside of cells. ErbB dysfunction promotes carcinogenesis, and also results in numerous defects during normal development. This study focused on the functions of one member of the ErbB receptor family, ErbB4, and growth factor, neuregulin-1 (NRG-1), that can bind and activate ErbB4. This study aimed to find novel functions of ErbB4 and NRG-1. Hypoxia, or deficiency of oxygen, is common in cancer and ischemic conditions. One of the key findings of the work was the identification and characterization of a cross-talk between ErbB4 and Hypoxia-inducible factor 1α (HIF-1α), the central mediator of hypoxia signaling. ErbB4 activation by NRG-1 was found to increase HIF-1α activity. Interestingly, this regulation occurred in reciprocal manner as HIF-1α was also able to increase protein levels of NRG-1 and ErbB4. Moreover, expression of NRG-1 and ErbB4 was associated with HIF activity in vivo in human clinical samples and in mice. Reduction of functional ErbB4 in developing zebrafish embryos resulted in defects in development of the skeletal muscles. To study ErbB4 functions in pathological situation in humans, clinical samples of serous ovarian carcinoma were analyzed using tissue microarrays and real-time RT-PCR. A specific isoform of ErbB4, CYT-1, was associated with poor survival in serous ovarian cancer and increased anchorage independent growth of ovarian cancer cells in vitro. These observations demonstrate that ErbB4 and NRG-1 are essential regulators of cellular response to hypoxia, of development, and of ovarian carcinogenesis.

Switchable lanthanide fluorescence probes in homogenous molecular diagnostics

The number of molecular diagnostic assays has increased tremendously in recent years.Nucleic acid diagnostic assays have been developed, especially for the detection of human pathogenic microbes and genetic markers predisposing to certain diseases. Closed-tube methods are preferred because they are usually faster and easier to perform than heterogenous methods and in addition, target nucleic acids are commonly amplified leading to risk of contamination of the following reactions by the amplification product if the reactions are opened. The present study introduces a new closed-tube switchable complementation probes based PCR assay concept where two non-fluorescent probes form a fluorescent lanthanide chelate complex in the presence of the target DNA. In this dual-probe PCR assay method one oligonucleotide probe carries a non-fluorescent lanthanide chelate and another probe a light absorbing antenna ligand. The fluorescent lanthanide chelate complex is formed only when the non-fluorescent probes are hybridized to adjacent positions into the target DNA bringing the reporter moieties in close proximity. The complex is formed by self-assembled lanthanide chelate complementation where the antenna ligand is coordinated to the lanthanide ion captured in the chelate. The complementation probes based assays with time-resolved fluorescence measurement showed low background signal level and hence, relatively high nucleic acid detection sensitivity (low picomolar target concentration). Different lanthanide chelate structures were explored and a new cyclic seven dentate lanthanide chelate was found suitable for complementation probe method. It was also found to resist relatively high PCR reaction temperatures, which was essential for the PCR assay applications. A seven-dentate chelate with two unoccupied coordination sites must be used instead of a more stable eight- or nine-dentate chelate because the antenna ligand needs to be coordinated to the free coordination sites of the lanthanide ion. The previously used linear seven-dentate lanthanide chelate was found to be unstable in PCR conditions and hence, the new cyclic chelate was needed. The complementation probe PCR assay method showed high signal-to-background ratio up to 300 due to a low background fluorescence level and the results (threshold cycles) in real-time PCR were reached approximately 6 amplification cycles earlier compared to the commonly used FRET-based closed-tube PCR method. The suitability of the complementation probe method for different nucleic acid assay applications was studied. 1) A duplex complementation probe C. trachomatis PCR assay with a simple 10-minute urine sample preparation was developed to study suitability of the method for clinical diagnostics. The performance of the C. trachomatis assay was equal to the commercial C. trachomatis nucleic acid amplification assay containing more complex sample preparation based on DNA extraction. 2) A PCR assay for the detection of HLA-DQA1*05 allele, that is used to predict the risk of type 1 diabetes, was developed to study the performance of the method in genotyping. A simple blood sample preparation was used where the nucleic acids were released from dried blood sample punches using high temperature and alkaline reaction conditions. The complementation probe HLA-DQA1*05 PCR assay showed good genotyping performance correlating 100% with the routinely used heterogenous reference assay. 3) To study the suitability of the complementation probe method for direct measurement of the target organism, e.g., in the culture media, the complementation probes were applied to amplificationfree closed-tube bacteriophage quantification by measuring M13 bacteriophage ssDNA. A low picomolar bacteriophage concentration was detected in a rapid 20- minute assay. The assay provides a quick and reliable alternative to the commonly used and relatively unreliable UV-photometry and time-consuming culture based bacteriophage detection methods and indicates that the method could also be used for direct measurement of other micro-organisms. The complementation probe PCR method has a low background signal level leading to a high signal-to-background ratio and relatively sensitive nucleic acid detection. The method is compatible with simple sample preparation and it was shown to tolerate residues of urine, blood, bacteria and bacterial culture media. The common trend in nucleic acid diagnostics is to create easy-to-use assays suitable for rapid near patient analysis. The complementation probe PCR assays with a brief sample preparation should be relatively easy to automate and hence, would allow the development of highperformance nucleic acid amplification assays with a short overall assay time.