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.

Molecular patterns behind immunological and metabolic alterations in lysinuric protein intolerance

Lysinuric protein intolerance (LPI) is a recessively inherited disorder characterised by reduced plasma and increased urinary levels of cationic amino acids (CAAs), protein malnutrition, growth failure and hyperlipidemia. Some patients develop severe immunological, renal and pulmonary complications. All Finnish patients share the same LPIFin mutation in the SLC7A7 gene that encodes CAA transporter y+LAT1. The aim of this study was to examine molecular factors contributing to the various symptoms, systemic metabolic and lipid profiles, and innate immune responses in LPI. The transcriptomes, metabolomes and lipidomes were analysed in whole-blood cells and plasma using RNA microarrays and gas or liquid chromatography-mass spectrometry techniques, respectively. Toll-like receptor (TLR) signalling in monocyte-derived macrophages exposed to pathogens was scrutinised using qRT-PCR and the Luminex technology. Altered levels of transcripts participating in amino acid transport, immune responses, apoptosis and pathways of hepatic and renal metabolism were identified in the LPI whole-blood cells. The patients had increased non-essential amino acid, triacylglycerol and fatty acid levels, and decreased plasma levels of phosphatidylcholines and practically all essential amino acids. In addition, elevated plasma levels of eight metabolites, long-chain triacylglycerols, two chemoattractant chemokines and nitric oxide correlated with the reduced glomerular function in the patients with kidney disease. Accordingly, it can be hypothesised that the patients have increased autophagy, inflammation, oxidative stress and apoptosis, leading to hepatic steatosis, uremic toxicity and altered intestinal microbe metabolism. Furthermore, the LPI macrophages showed disruption in the TLR2/1, TLR4 and TLR9 pathways, suggesting innate immune dysfunctions with an excessive response to bacterial infections but a deficient viral DNA response.

Automaattisen nukleiinihappoeristyslaitteen ja reaaliaikaisen PCR-menetelmän soveltuvuus herpes simplex -virusten keskushermostoinfektiodiagnostiikkaan

Keskushermosto- ja neonataali-infektiot ovat herpes simplex -virusten aiheuttamista taudeista vakavimpia. Niihin on olemassa lääkitys, joka on tehokkain, kun se aloitetaan aivan sairauden alkuvaiheessa. Näiden infektioiden diagnostiikassa PCR-menetelmä on herkin. Tämä menetelmä on kuitenkin työläs ja aikaa vievä, joten uudet nopeammat menetelmät ovat tervetulleita. Opinnäytetyö tehtiin HUSLABin virologian osastolle. Työssä testattiin QIAGENIN artus®HSV-1/2 LC PCR-reagenssipakkausta, joka on tehty käytettäväksi Roche diagnosticsin reaaliaikaisella PCR-laitteella LightCyclerillä. Lisäksi työssä testattiin automaattista bioMérieuxin NucliSens easyMAG- nukleiinihappoeristyslaitetta. Referenssinä käytettiin HUSLABin virologian osastolla testaushetkellä käytössä olevia menetelmiä. Reaaliaikaisen PCR-menetelmän herkkyyttä testattiin positiivisilla HSV-1 ja HSV-2 kontrollilaimennussarjoilla. Menetelmän oikeellisuutta testattiin määrittämällä laaduntarkkailu- ja potilasnäytteitä, jotka olivat likvoria. Tuloksia verrattiin QCMD:n antamiin ja perinteisellä ”in house”- PCR-menetelmällä saatuihin referenssituloksiin. Spesifisyyttä testattiin muiden ihmisten herpesvirusten positiivisilla kontrolleilla. Automaattisen nukleiinihappoeristysmenetelmän toimivuutta testattiin HSV-positiivisilla ja -negatiivisilla likvornäytteillä, jotka oli aikaisemmin eristetty fenoli-kloroformiuutolla. Tulokset QIAGENIN artus®HSV-1/2 LC PCR-reagenssipakkauksesta olivat hyviä. Kont-rollilaimennussarjan määrityksessä reaaliaikainen PCR-menetelmä osoittautui perinteistä ”in house”- PCR-menetelmää herkemmäksi. Potilasnäytteiden määrityksessä tulokset olivat yhtenevät. EasyMAG- nukleiinihappoeristysmenetelmällä eristettyjen potilasnäytteiden määrityksistä saadut tulokset olivat myös hyviä. Kun tuloksia verrattiin fenoli-kloroformiuutolla saatuihin tuloksiin, olivat tulokset yhtä näytettä lukuun ottamatta yhtenevät. Molemmat testattavat menetelmät ovat nopeita ja virhelähteiden mahdollisuus on vähäisempi kuin perinteisessä ”in house”-PCR menetelmässä ja fenoli-kloroformiuutolla nukleiinihappoa eristettäessä. Tutkimusten tulokset osoittivat molempien menetelmien soveltuvan hyvin HSV:n eristykseen ja määritykseen likvornäytteistä.

Enterohemorraginen Escherichia coli (EHEC) ja sen osoittaminen PCR-menetelmällä

Summary: Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) and its detection with a PCR method

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.