Multiplex-Genotypisierung forensisch relevanter SNPs unter Verwendung von Microarrays auf chemisch aktivierten Glasflächen

Die Analyse tandem-repetitiver DNA-Sequenzen hat einen festen Platz als genetisches Typisierungsverfahren in den Breichen der stammesgeschichtlichen Untersuchung, der Verwandtschaftsanalyse und vor allem in der forensischen Spurenkunde, bei der es durch den Einsatz der Multiplex-PCR-Analyse von Short Tandem Repeat-Systemen (STR) zu einem Durchbruch bei der Aufklärung und sicheren Zuordnung von biologischen Tatortspuren kam. Bei der Sequenzierung des humanen Genoms liegt ein besonderes Augenmerk auf den genetisch polymorphen Sequenzvariationen im Genom, den SNPs (single nucleotide polymorphisms). Zwei ihrer Eigenschaften – das häufige Vorkommen innerhalb des humanen Genoms und ihre vergleichbar geringe Mutationsrate – machen sie zu besonders gut geeigneten Werkzeugen sowohl für die Forensik als auch für die Populationsgenetik.rnZum Ziel des EU-Projekts „SNPforID“, aus welchem die vorliegende Arbeit entstanden ist, wurde die Etablierung neuer Methoden zur validen Typisierung von SNPs in Multiplexverfahren erklärt. Die Berücksichtigung der Sensitivität bei der Untersuchung von Spuren sowie die statistische Aussagekraft in der forensischen Analyse standen dabei im Vordergrund. Hierfür wurden 52 autosomale SNPs ausgewählt und auf ihre maximale Individualisierungsstärke hin untersucht. Die Untersuchungen der ersten 23 selektierten Marker stellen den ersten Teil der vorliegenden Arbeit dar. Sie umfassen die Etablierung des Multiplexverfahrens und der SNaPshot™-Typisierungsmethode sowie ihre statistische Auswertung. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind ein Teil der darauf folgenden, in enger Zusammenarbeit der Partnerlaboratorien durchgeführten Studie der 52-SNP-Multiplexmethode. rnEbenfalls im Rahmen des Projekts und als Hauptziel der Dissertation erfolgten Etablierung und Evaluierung des auf der Microarray-Technologie basierenden Verfahrens der Einzelbasenverlängerung auf Glasobjektträgern. Ausgehend von einer begrenzten DNA-Menge wurde hierbei die Möglichkeit der simultanen Hybridisierung einer möglichst hohen Anzahl von SNP-Systemen untersucht. Die Auswahl der hierbei eingesetzten SNP-Marker erfolgte auf der Basis der Vorarbeiten, die für die Etablierung des 52-SNP-Multiplexes erfolgreich durchgeführt worden waren. rnAus einer Vielzahl von Methoden zur Genotypisierung von biallelischen Markern hebt sich das Assay in seiner Parallelität und der Einfachheit des experimentellen Ansatzes durch eine erhebliche Zeit- und Kostenersparnis ab. In der vorliegenden Arbeit wurde das „array of arrays“-Prinzip eingesetzt, um zur gleichen Zeit unter einheitlichen Versuchsbedingungen zwölf DNA-Proben auf einem Glasobjektträger zu typisieren. Auf der Basis von insgesamt 1419 typisierten Allelen von 33 Markern konnte die Validierung mit einem Typisierungserfolg von 86,75% abgeschlossen werden. Dabei wurden zusätzlich eine Reihe von Randbedingungen in Bezug auf das Sonden- und Primerdesign, die Hybridisierungsbedingungen sowie physikalische Parameter der laserinduzierten Fluoreszenzmessung der Signale ausgetestet und optimiert. rn

Molekulare Epidemiologie von MRSA-Patienten-Isolaten

MRSA ist der wohl bekannteste nosokomiale Infektionserreger weltweit. Die aktuelle Situation ist aufgrund der schnellen Ausbreitung, vor allem von caMRSA, in einigen Ländern besorgniserregend. Für den Raum Mainz konnte innerhalb der fünf Untersuchungsjahre eine stabile Populationsstruktur nachgewiesen werden, welche hauptsächlich aus deutschlandweit bekannten Epidemiestämmen gebildet wird. Als Besonderheit ergab sich die Dominanz des spa-Typs t003 (> 70 %), sowie das Vorherrschen hoch klonaler Strukturen an UMM und KKM. Diese Umstände lassen auf eine weite Verbreitung von MRSA, speziell des spa-Typs t003, innerhalb der Bevölkerung schließen. Die Bestätigung dieser Vermutung bedarf jedoch weiterer prospektiver Forschung außerhalb der Kliniken.rnAn der UMM konnte im Untersuchungszeitraum 2004-2008 keine Zunahme von klassischen PVL-positiven caMRSA (t008, t019 und t044) festgestellt werden, womit zumindest momentan noch keine Verdrängung von haMRSA durch caMRSA belegt werden konnte.rnDie von WITTE et al. (2004) postulierte 5 % Grenze für den häufigsten detektierten Typ einer Typisierungsmethode muss dahingehend modifiziert werden, dass diese Bedingung zwar allgemein für ein Typisierungsverfahren, nicht aber für lokale Populationen gelten sollte. Im Falle des Vorherrschens klonaler Linien und Subtypen würde keine Methode ausreichend diskriminatorische Eigenschaften aufweisen.rnDie Kombination von spa-Typisierung und PFGE konnte, mit Einschränkungen für den vorherrschenden t003, als geeignet im Falle der Keimdifferenzierung während eines Ausbruchs befunden werden. Als vorteilig für die Interpretation würde sich die Einführung eines generellen MRSA-Screenings für jeden Patienten bei Aufnahme auswirken.rnDie Überprüfung der Thesen von FRÉNAY et al. 1994 ergab keinen Zusammenhang zwischen einer X-Region ≥ 8 Repeats und einem erhöhtem Virulenzpotential. Bezüglich des gesteigerten epidemischen Potentials wurde festgestellt, dass lange X-Regionen generell häufiger auftreten als kurze und somit ein begünstigender Einfluss bei der Kolonisation vermutet aber nicht bewiesen werden kann.rnFür die Detektion von klassischen caMRSA konnte ein Ablaufschema mit Interpretationsrichtlinien erarbeitet werden, welches eine korrekte Differenzierung auch ohne die Einbeziehung patientenbezogener Daten ermöglicht. Die Anlage einer lokalen PFGE-Datenbank zeigte sich dabei als unbedingt notwendig um strittige Fälle als ha- oder caMRSA einzuordnen.rn

Genetic diversity and ecological success of Staphylococcus aureus strains colonizing humans

The genetic determinants and phenotypic traits which make a Staphylococcus aureus strain a successful colonizer are largely unknown. The genetic diversity and population structure of 133 S. aureus isolates from healthy, generally risk-free adult carriers were investigated using four different typing methods: multilocus sequence typing (MLST), amplified fragment length polymorphism analysis (AFLP), double-locus sequence typing (DLST), and spa typing were compared. Carriage isolates displayed great genetic diversity which could only be revealed fully by DLST. Results of AFLP and MLST were highly concordant in the delineation of genotypic clusters of closely related isolates, roughly equivalent to clonal complexes. spa typing and DLST provided considerably less phylogenetic information. The resolution of spa typing was similar to that of AFLP and inferior to that of DLST. AFLP proved to be the most universal method, combining a phylogeny-building capacity similar to that of MLST with a much higher resolution. However, it had a lower reproducibility than sequencing-based MLST, DLST, and spa typing. We found two cases of methicillin-resistant S. aureus colonization, both of which were most likely associated with employment at a health service. Of 21 genotypic clusters detected, 2 were most prevalent: cluster 45 and cluster 30 each colonized 24% of the carrier population. The number of bacteria found in nasal samples varied significantly among the clusters, but the most prevalent clusters were not particularly numerous in the nasal samples. We did not find much evidence that genotypic clusters were associated with different carrier characteristics, such as age, sex, medical conditions, or antibiotic use. This may provide empirical support for the idea that genetic clusters in bacteria are maintained in the absence of adaptation to different niches. Alternatively, carrier characteristics other than those evaluated here or factors other than human hosts may exert selective pressure maintaining genotypic clusters.

Identification of cryptic Anopheles mosquito species by molecular protein profiling.

Vector control is the mainstay of malaria control programmes. Successful vector control profoundly relies on accurate information on the target mosquito populations in order to choose the most appropriate intervention for a given mosquito species and to monitor its impact. An impediment to identify mosquito species is the existence of morphologically identical sibling species that play different roles in the transmission of pathogens and parasites. Currently PCR diagnostics are used to distinguish between sibling species. PCR based methods are, however, expensive, time-consuming and their development requires a priori DNA sequence information. Here, we evaluated an inexpensive molecular proteomics approach for Anopheles species: matrix assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS). MALDI-TOF MS is a well developed protein profiling tool for the identification of microorganisms but so far has received little attention as a diagnostic tool in entomology. We measured MS spectra from specimens of 32 laboratory colonies and 2 field populations representing 12 Anopheles species including the A. gambiae species complex. An important step in the study was the advancement and implementation of a bioinformatics approach improving the resolution over previously applied cluster analysis. Borrowing tools for linear discriminant analysis from genomics, MALDI-TOF MS accurately identified taxonomically closely related mosquito species, including the separation between the M and S molecular forms of A. gambiae sensu stricto. The approach also classifies specimens from different laboratory colonies; hence proving also very promising for its use in colony authentication as part of quality assurance in laboratory studies. While being exceptionally accurate and robust, MALDI-TOF MS has several advantages over other typing methods, including simple sample preparation and short processing time. As the method does not require DNA sequence information, data can also be reviewed at any later stage for diagnostic or functional patterns without the need for re-designing and re-processing biological material.

Staphylococcus aureus genotype B and other genotypes isolated from cow milk in European countries

Staphylococcus aureus is globally one of the most important pathogens causing contagious mastitis in cattle. Previous studies, however, have demonstrated in Swiss cows that Staph. aureus isolated from bovine intramammary infection is genetically heterogeneous, with Staph. aureus genotype B (GTB) and GTC being the most prominent genotypes. In addition, Staph. aureus GTB was found to be contagious, whereas Staph. aureus GTC and all the remaining genotypes were involved in individual cow disease. The aim of this study was to subtype strains of Staph. aureus isolated from bovine mastitic milk and bulk tank milk to obtain a unified view of the presence of bovine staphylococcal subtypes in 12 European countries. A total of 456 strains of Staph. aureus were subjected to different typing methods: ribosomal spacer PCR, detection of enterotoxin genes, and detection of gene polymorphisms (lukE, coa). Major genotypes with their variants were combined into genotypic clusters (CL). This study revealed 5 major CL representing 76% of all strains and comprised CLB, CLC, CLF, CLI, and CLR. The clusters were characterized by the same genetic properties as the Swiss isolates, demonstrating high clonality of bovine Staph. aureus. Interestingly, CLB was situated in central Europe whereas the other CL were widely disseminated. The remaining 24% of the strains comprised 41 genotypes and variants, some of which (GTAM, GTBG) were restricted to certain countries; many others, however, were observed only once.

Evaluation of environmental contamination of Clostridium difficile associated diarrhea in hospital rooms at St. Luke's Episcopal Hospital (SLEH) and review of literature on environmental sampling

The study was carried out at St. Luke's Episcopal Hospital to evaluate environmental contamination of Clostridium difficile in the infected patient rooms. Samples were collected from the high risk areas and were immediately cultured for the presence of Clostridium difficile . Lack of microbial typing prevented the study of molecular characterization of the Clostridium difficile isolates obtained led to a change in the study hypothesis. The study found a positivity of 10% among 50 Hospital rooms sampled for the presence of Clostridium difficile. The study provided data that led to recommendations that routine environmental sampling be carried in the hospital rooms in which patients with CDAD are housed and that effective environmental disinfection methods are used. The study also recommended molecular typing methods to allow characterization of the CD strains isolated from patients and environmental sampling to determine their type, similarity and origin.^

Genomic DNA fingerprinting by restriction fragment end labeling.

A typing method for bacteria was developed and applied to several species, including Escherichia coli and Actinobacillus actinomycetemcomitans. Total genomic DNA was digested with a restriction endonuclease, and fragments were enabled with [alpha-32P]dATP by using the Klenow fragment of DNA polymerase and separated by electrophoresis in 6% polyacrylamide/8 M urea (sequencing gel). Depending on the restriction endonuclease and the bacterium, the method produced approximately 30-50 well-separated fragments in the size range of 100-400 nucleotides. For A. actinomycetemcomitans, all strains had bands in common. Nevertheless, many polymorphisms could be observed, and the 31 strains tested could be classified into 29 distinct types. Furthermore, serotype-specific fragments could be assigned for the three serotypes investigated. The method described is very sensitive, allowing more distinct types to be distinguished than other commonly used typing methods. When the method was applied to 10 other clinically relevant bacterial species, both species-specific bands and strain-specific bands were found. Isolates from different locations of one patient showed indistinguishable patterns. Computer-assisted analysis of the DNA fingerprints allowed the determination of similarity coefficients. It is concluded that genomic fingerprinting by restriction fragment end labeling (RFEL) is a powerful and generally applicable technique to type bacterial species.

Applicazione della spettrometria di massa MALDI-TOF in microbiologia clinica

Riassunto La spettrometria di massa (MS) nata negli anni ’70 trova oggi, grazie alla tecnologia Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization-Time of Flight (MALDI-TOF), importanti applicazioni in diversi settori: biotecnologico (per la caratterizzazione ed il controllo di qualità di proteine ricombinanti ed altre macromolecole), medico–clinico (per la diagnosi di laboratorio di malattie e per lo sviluppo di nuovi trattamenti terapeutici mirati), alimentare ed ambientale. Negli ultimi anni, questa tecnologia è diventata un potente strumento anche per la diagnosi di laboratorio in microbiologia clinica, rivoluzionando il flusso di lavoro per una rapida identificazione di batteri e funghi, sostituendo l’identificazione fenotipica convenzionale basata su saggi biochimici. Attualmente mediante MALDI-TOF MS sono possibili due diversi approcci per la caratterizzazione dei microrganismi: (1) confronto degli spettri (“mass spectra”) con banche dati contenenti profili di riferimento (“database fingerprints”) e (2) “matching” di bio-marcatori con banche dati proteomiche (“proteome database”). Recentemente, la tecnologia MALDI-TOF, oltre alla sua applicazione classica nell’identificazione di microrganismi, è stata utilizzata per individuare, indirettamente, meccanismi di resistenza agli antibiotici. Primo scopo di questo studio è stato verificare e dimostrare l’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF MS mediante approccio di comparazione degli spettri di differenti microrganismi di interesse medico per i quali l’identificazione risultava impossibile a causa della completa assenza o presenza limitata, di spettri di riferimento all’interno della banca dati commerciale associata allo strumento. In particolare, tale scopo è stato raggiunto per i batteri appartenenti a spirochete del genere Borrelia e Leptospira, a miceti filamentosi (dermatofiti) e protozoi (Trichomonas vaginalis). Secondo scopo di questo studio è stato valutare il secondo approccio identificativo basato sulla ricerca di specifici marcatori per differenziare parassiti intestinali di interesse medico per i quali non è disponibile una banca dati commerciale di riferimento e la sua creazione risulterebbe particolarmente difficile e complessa, a causa della complessità del materiale biologico di partenza analizzato e del terreno di coltura nei quali questi protozoi sono isolati. Terzo ed ultimo scopo di questo studio è stata la valutazione dell’applicabilità della spettrometria di massa con tecnologia MALDI-TOF per lo studio delle resistenze batteriche ai carbapenemi. In particolare, è stato messo a punto un saggio di idrolisi dei carbapenemi rilevata mediante MALDI-TOF MS in grado di determinare indirettamente la produzione di carbapenemasi in Enterobacteriaceae. L’efficacia identificativa della metodica MALDI-TOF mediante l’approccio di comparazione degli spettri è stata dimostrata in primo luogo per batteri appartenenti al genere Borrelia. La banca dati commerciale dello strumento MALDI-TOF MS in uso presso il nostro laboratorio includeva solo 3 spettri di riferimento appartenenti alle specie B. burgdorferi ss, B. spielmani e B. garinii. L’implementazione del “database” con specie diverse da quelle già presenti ha permesso di colmare le lacune identificative dovute alla mancanza di spettri di riferimento di alcune tra le specie di Borrelia più diffuse in Europa (B. afzelii) e nel mondo (come ad esempio B. hermsii, e B. japonica). Inoltre l’implementazione con spettri derivanti da ceppi di riferimento di specie già presenti nel “database” ha ulteriormente migliorato l’efficacia identificativa del sistema. Come atteso, il ceppo di isolamento clinico di B. lusitaniae (specie non presente nel “database”) è stato identificato solo a livello di genere corroborando, grazie all’assenza di mis-identificazione, la robustezza della “nuova” banca dati. I risultati ottenuti analizzando i profili proteici di ceppi di Borrelia spp. di isolamento clinico, dopo integrazione del “database” commerciale, indicano che la tecnologia MALDI-TOF potrebbe essere utilizzata come rapida, economica ed affidabile alternativa ai metodi attualmente utilizzati per identificare ceppi appartenenti a questo genere. Analogamente, per il genere Leptospira dopo la creazione ex-novo della banca dati “home-made”, costruita con i 20 spettri derivati dai 20 ceppi di riferimento utilizzati, è stata ottenuta una corretta identificazione a livello di specie degli stessi ceppi ri-analizzati in un esperimento indipendente condotto in doppio cieco. Il dendrogramma costruito con i 20 MSP-Spectra implementati nella banca dati è formato da due rami principali: il primo formato dalla specie non patogena L. biflexa e dalla specie a patogenicità intermedia L. fainei ed il secondo che raggruppa insieme le specie patogene L. interrogans, L. kirschneri, L. noguchii e L. borgpetersenii. Il secondo gruppo è ulteriormente suddiviso in due rami, contenenti rispettivamente L. borgpetersenii in uno e L. interrogans, L. kirschneri e L. noguchii nell’altro. Quest’ultimo, a sua volta, è suddiviso in due rami ulteriori: il primo comprendente la sola specie L. noguchii, il secondo le specie L. interrogans e L. kirshneri non separabili tra loro. Inoltre, il dendrogramma costruito con gli MSP-Spectra dei ceppi appartenenti ai generi Borrelia e Leptospira acquisiti in questo studio, e appartenenti al genere Brachyspira (implementati in un lavoro precedentemente condotto) mostra tre gruppi principali separati tra loro, uno per ogni genere, escludendo possibili mis-identificazioni tra i 3 differenti generi di spirochete. Un’analisi più approfondita dei profili proteici ottenuti dall’analisi ha mostrato piccole differenze per ceppi della stessa specie probabilmente dovute ai diversi pattern proteici dei distinti sierotipi, come confermato dalla successiva analisi statistica, che ha evidenziato picchi sierotipo-specifici. È stato, infatti, possibile mediante la creazione di un modello statistico dedicato ottenere un “pattern” di picchi discriminanti in grado di differenziare a livello di sierotipo sia i ceppi di L. interrogans sia i ceppi di L. borgpetersenii saggiati, rispettivamente. Tuttavia, non possiamo concludere che i picchi discriminanti da noi riportati siano universalmente in grado di identificare il sierotipo dei ceppi di L. interrogans ed L. borgpetersenii; i picchi trovati, infatti, sono il risultato di un’analisi condotta su uno specifico pannello di sierotipi. È stato quindi dimostrato che attuando piccoli cambiamenti nei parametri standardizzati come l’utilizzo di un modello statistico e di un programma dedicato applicato nella routine diagnostica è possibile utilizzare la spettrometria di massa MALDI-TOF per una rapida ed economica identificazione anche a livello di sierotipo. Questo può significativamente migliorare gli approcci correntemente utilizzati per monitorare l’insorgenza di focolai epidemici e per la sorveglianza degli agenti patogeni. Analogamente a quanto dimostrato per Borrelia e Leptospira, l’implementazione della banca dati dello spettrometro di massa con spettri di riferimento di miceti filamentosi (dermatofiti) si è rilevata di particolare importanza non solo per l’identificazione di tutte le specie circolanti nella nostra area ma anche per l’identificazione di specie la cui frequenza nel nostro Paese è in aumento a causa dei flussi migratori dalla zone endemiche (M. audouinii, T. violaceum e T. sudanense). Inoltre, l’aggiornamento del “database” ha consentito di superare la mis-identificazione dei ceppi appartenenti al complesso T. mentagrophytes (T. interdigitale e T. mentagrophytes) con T. tonsurans, riscontrata prima dell’implementazione della banca dati commerciale. Il dendrogramma ottenuto dai 24 spettri implementati appartenenti a 13 specie di dermatofiti ha rivelato raggruppamenti che riflettono quelli costruiti su base filogenetica. Sulla base dei risultati ottenuti mediante sequenziamento della porzione della regione ITS del genoma fungino non è stato possibile distinguere T. interdigitale e T. mentagrophytes, conseguentemente anche gli spettri di queste due specie presentavano picchi dello stesso peso molecoalre. Da sottolineare che il dendrogramma costruito con i 12 profili proteici già inclusi nel database commerciale e con i 24 inseriti nel nuovo database non riproduce l’albero filogenetico per alcune specie del genere Tricophyton: gli spettri MSP già presenti nel database e quelli aggiunti delle specie T. interdigitale e T. mentagrophytes raggruppano separatamente. Questo potrebbe spiegare le mis-identificazioni di T. interdigitale e T. mentagrophytes con T. tonsurans ottenute prima dell’implementazione del database. L’efficacia del sistema identificativo MALDI-TOF è stata anche dimostrata per microrganismi diversi da batteri e funghi per i quali la metodica originale è stata sviluppata. Sebbene tale sistema identificativo sia stato applicato con successo a Trichomonas vaginalis è stato necessario apportare modifiche nei parametri standard previsti per l’identificazione di batteri e funghi. Le interferenze riscontrate tra i profili proteici ottenuti per i due terreni utilizzati per la coltura di questo protozoo e per i ceppi di T. vaginalis hanno, infatti, reso necessario l’utilizzo di nuovi parametri per la creazione degli spettri di riferimento (MSP-Spectra). L’importanza dello sviluppo del nuovo metodo risiede nel fatto che è possibile identificare sulla base del profilo proteico (e non sulla base di singoli marcatori) microorganismi cresciuti su terreni complessi che potrebbero presentare picchi nell'intervallo di peso molecolare utilizzato a scopo identificativo: metaboliti, pigmenti e nutrienti presenti nel terreno possono interferire con il processo di cristallizzazione e portare ad un basso punteggio identificativo. Per T. vaginalis, in particolare, la “sottrazione” di picchi dovuti a molecole riconducibili al terreno di crescita utilizzato, è stata ottenuta escludendo dall'identificazione l'intervallo di peso molecolare compreso tra 3-6 kDa, permettendo la corretta identificazione di ceppi di isolamento clinico sulla base del profilo proteico. Tuttavia, l’elevata concentrazione di parassita richiesta (105 trofozoiti/ml) per una corretta identificazione, difficilmente ottenibile in vivo, ha impedito l’identificazione di ceppi di T. vaginalis direttamente in campioni clinici. L’approccio identificativo mediante individuazione di specifici marcatori proteici (secondo approccio identificativo) è stato provato ed adottato in questo studio per l’identificazione e la differenziazione di ceppi di Entamoeba histolytica (ameba patogena) ed Entamoeba dispar (ameba non patogena), specie morfologiacamente identiche e distinguibili solo mediante saggi molecolari (PCR) aventi come bersaglio il DNA-18S, che codifica per l’RNA della subunità ribosomiale minore. Lo sviluppo di tale applicazione ha consentito di superare l’impossibilità della creazione di una banca dati dedicata, a causa della complessità del materiale fecale di partenza e del terreno di coltura impiagato per l’isolamento, e di identificare 5 picchi proteici in grado di differenziare E. histolytica da E. dispar. In particolare, l’analisi statistica ha mostrato 2 picchi specifici per E. histolytica e 3 picchi specifici per E. dispar. L’assenza dei 5 picchi discriminanti trovati per E. histolytica e E. dispar nei profili dei 3 differenti terreni di coltura utilizzati in questo studio (terreno axenico LYI-S-2 e terreno di Robinson con e senza E. coli) permettono di considerare questi picchi buoni marcatori in grado di differenziare le due specie. La corrispondenza dei picchi con il PM di due specifiche proteine di E. histolytica depositate in letteratura (Amoebapore A e un “unknown putative protein” di E. histolytica ceppo di riferimento HM-1:IMSS-A) conferma la specificità dei picchi di E. histolytica identificati mediante analisi MALDI-TOF MS. Lo stesso riscontro non è stato possibile per i picchi di E. dispar in quanto nessuna proteina del PM di interesse è presente in GenBank. Tuttavia, va ricordato che non tutte le proteine E. dispar sono state ad oggi caratterizzate e depositate in letteratura. I 5 marcatori hanno permesso di differenziare 12 dei 13 ceppi isolati da campioni di feci e cresciuti in terreno di Robinson confermando i risultati ottenuti mediante saggio di Real-Time PCR. Per un solo ceppo di isolamento clinico di E. histolytica l’identificazione, confermata mediante sequenziamento della porzione 18S-rDNA, non è stata ottenuta mediante sistema MALDI-TOF MS in quanto non sono stati trovati né i picchi corrispondenti a E. histolytica né i picchi corrispondenti a E. dispar. Per questo ceppo è possibile ipotizzare la presenza di mutazioni geno/fenotipiche a livello delle proteine individuate come marcatori specifici per E. histolytica. Per confermare questa ipotesi sarebbe necessario analizzare un numero maggiore di ceppi di isolamento clinico con analogo profilo proteico. L’analisi condotta a diversi tempi di incubazione del campione di feci positivo per E. histolytica ed E. dipar ha mostrato il ritrovamento dei 5 picchi discriminanti solo dopo 12 ore dall’inoculo del campione nel terreno iniziale di Robinson. Questo risultato suggerisce la possibile applicazione del sistema MALDI-TOF MS per identificare ceppi di isolamento clinico di E. histolytica ed E. dipar nonostante la presenza di materiale fecale che materialmente può disturbare e rendere difficile l’interpretazione dello spettro ottenuto mediante analisi MALDI-TOF MS. Infine in questo studio è stata valutata l’applicabilità della tecnologia MALDI-TOF MS come saggio fenotipico rapido per la determinazione di ceppi produttori di carbapenemasi, verificando l'avvenuta idrolisi del meropenem (carbapeneme di riferimento utilizzato in questo studio) a contatto con i ceppi di riferimento e ceppi di isolamento clinico potenzialmente produttori di carbapenemasi dopo la messa a punto di un protocollo analitico dedicato. Il saggio di idrolisi del meropenem mediante MALDI-TOF MS ha dimostrato la presenza o l’assenza indiretta di carbapenemasi nei 3 ceppi di riferimento e nei 1219 (1185 Enterobacteriaceae e 34 non-Enterobacteriaceae) ceppi di isolamento clinico inclusi nello studio. Nessuna interferenza è stata riscontrata per i ceppi di Enterobacteriaceae variamente resistenti ai tre carbapenemi ma risultati non produttori di carbapenemasi mediante i saggi fenotipici comunemente impiegati nella diagnostica routinaria di laboratorio: nessuna idrolisi del farmaco è stata infatti osservata al saggio di idrolisi mediante MALDI-TOF MS. In un solo caso (ceppo di K. pneumoniae N°1135) è stato ottenuto un profilo anomalo in quanto presenti sia i picchi del farmaco intatto che quelli del farmaco idrolizzato. Per questo ceppo resistente ai tre carbapenemi saggiati, negativo ai saggi fenotipici per la presenza di carbapenemasi, è stata dimostrata la presenza del gene blaKPC mediante Real-Time PCR. Per questo ceppo si può ipotizzare la presenza di mutazioni a carico del gene blaKPC che sebbene non interferiscano con il suo rilevamento mediante PCR (Real-Time PCR positiva), potrebbero condizionare l’attività della proteina prodotta (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia negativi) riducendone la funzionalità come dimostrato, mediante analisi MALDI-TOF MS, dalla presenza dei picchi relativi sia all’idrolisi del farmaco sia dei picchi relativi al farmaco intatto. Questa ipotesi dovrebbe essere confermata mediante sequenziamento del gene blaKPC e successiva analisi strutturale della sequenza amminoacidica deducibile. L’utilizzo della tecnologia MALDI-TOF MS per la verifica dell’avvenuta idrolisi del maropenem è risultato un saggio fenotipico indiretto in grado di distinguere, al pari del test di Hodge modificato impiegato comunemente nella routine diagnostica in microbiologia, un ceppo produttore di carbapenemasi da un ceppo non produttore sia per scopi diagnostici che per la sorveglianza epidemiologica. L’impiego del MALDI-TOF MS ha mostrato, infatti, diversi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali (Saggio di Hodge modificato e Test di Sinergia) impiegati nella routine diagnostica di laboratorio i quali richiedono personale esperto per l’interpretazione del risultato e lunghi tempi di esecuzione e di conseguenza di refertazione. La semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questa tecnica un metodo accurato e rapido. Inoltre, il metodo risulta conveniente dal punto di vista economico, con un costo totale stimato di 1,00 euro per ceppo analizzato. Tutte queste considerazioni pongono questa metodologia in posizione centrale in ambito microbiologico anche nel caso del rilevamento di ceppi produttori di carbapenemasi. Indipendentemente dall’approccio identificativo utilizzato, comparato con i metodi convenzionali il MALDI-TOF MS conferisce in molti casi un guadagno in termini di tempo di lavoro tecnico (procedura pre-analititca per la preparazione dei campioni) e di tempo di ottenimento dei risultati (procedura analitica automatizzata). Questo risparmio di tempo si accentua quando sono analizzati in contemporanea un maggior numero di isolati. Inoltre, la semplicità e la facilità richieste per la preparazione dei campioni e l’immediata acquisizione dei dati rendono questo un metodo di identificazione accurato e rapido risultando più conveniente anche dal punto di vista economico, con un costo totale di 0,50 euro (materiale consumabile) per ceppo analizzato. I risultati ottenuti dimostrano che la spettrometria di massa MALDI-TOF sta diventando uno strumento importante in microbiologia clinica e sperimentale, data l’elevata efficacia identificativa, grazie alla disponibilità sia di nuove banche dati commerciali sia di aggiornamenti delle stesse da parte di diversi utenti, e la possibilità di rilevare con successo anche se in modo indiretto le antibiotico-resistenze.

Salmonella in companion animals

In an increasingly hygiene concerned society, a major barrier to pet ownership is the perceived role of companion animals in contributing to the risk of exposure to zoonotic bacterial pathogens, such as Salmonella. Manifestations of Salmonella can range from acute gastroenteritis to perfuse enteric fever, in both humans and dogs. Dogs are heavily associated with asymptomatic carriage of Salmonella as the microorganism can persist in the lower intestines of this host which can be then excreted into the environment. Studies in to the asymptomatic carriage of Salmonella in dogs are somewhat dated and there is limited UK data. The current UK carriage rate in dogs was investigated in a randomised dog population and it was revealed that the carriage rate in this population was very low with only one household dog positive for the carriage of Salmonella enterica arizonae (0.2%), out of 490 dogs sampled. Salmonella serotypes share phenotypic and genotypic similarities which are captured in epidemiological typing methods. Therefore, in parallel to the epidemiological investigations, a panel of clinical canine (VLA, UK) and human (Aston University, UK) Salmonella isolates were profiled based on their phenotypic and genotypic characteristics; using API 20E, Biolog Microbial ID System, antibiotic sensitivity testing and PFGE, respectively. Antibiotic sensitivity testing revealed a significant difference between the canine and human isolates with the canine group demonstrating a higher resistance to the panel of antibiotics tested. Further metabolic capabilities of the strains were tested using the Biolog Microbial ID System, which reveal no clear association between the two host groups. However, coupled with Principle Component Analysis two canine isolates were discriminated from the entire population on the basis of a high up-regulation of two carbohydrates. API 20E testing revealed no association between the two host groups. A PFGE harmonised protocol was used to genotypically profile the strains. A dendrogram depicting PFGE profiles of the panel of Salmonella isolates was performed where similarities were calculated by Dice coefficient and represented by UPGMA clustering. Clustering of the profiles from canine isolates and human isolates (HPA, UK) was diverse representing a natural heterogeneity of the genus, additionally, no clear clustering of the isolates was observed between host groups. Clustering was observed with isolates from the same serotype, independent of host origin. Host adaption is a common phenomenon in certain Salmonella serotypes, for example S. Typhi in humans and S. Dublin in cattle. It was of interest to investigate potential host adaptive or restricted strains for canine host by performing adhesion and invasion assays on Dog Intestinal Epithelial Cells (DIECs) (WALTHAM®, UK) and human CaCo-2 (HPA, UK) cell lines. Salmonella arizonae and Enteritidis from an asymptomatic dog and clinical isolate, respectively, demonstrated a significantly high proportion of invasion in DIEC in comparison to human CaCo-2 cells and other tested Salmonella serotypes. This may be suggestive of a potential host restrictive strain as their ability to invade the CaCo-2 cell line was significantly lower than the other serotypes. In conclusion to this thesis the investigations carried out suggest that asymptomatic carriage of Salmonella in UK dogs is low however the microorganism remains as a zoonotic and anthroponotic pathogen based on phenotypic and genotypic characterisation however there may be potential for particular serotype to become host restricted as observed in invasion assays

Genotypic and antimicrobial characterisation of Propionibacterium acnes isolates from surgically excised lumbar disc herniations

The anaerobic skin commensal Propionibacterium acnes is an underestimated cause of human infections and clinical conditions. Previous studies have suggested a role for the bacterium in lumbar disc herniation and infection. To further investigate this, five biopsy samples were surgically excised from each of 64 patients with lumbar disc herniation. P. acnes and other bacteria were detected by anaerobic culture, followed by biochemical and PCR-based identification. In total, 24/64 (38%) patients had evidence of P. acnes in their excised herniated disc tissue. Using recA and mAb typing methods, 52% of the isolates were type II (50% of culture-positive patients), while type IA strains accounted for 28% of isolates (42% patients). Type III (11% isolates; 21% patients) and type IB strains (9% isolates; 17% patients) were detected less frequently. The MIC values for all isolates were lowest for amoxicillin, ciprofloxacin, erythromycin, rifampicin, tetracycline, and vancomycin (≤1mg/L). The MIC for fusidic acid was 1-2 mg/L. The MIC for trimethoprim and gentamicin was 2 to ≥4 mg/L. The demonstration that type II and III strains, which are not frequently recovered from skin, predominated within our isolate collection (63%) suggests that the role of P. acnes in lumbar disc herniation should not be readily dismissed. © 2013 Jess Rollason et al.

Relatedness and HLA-DRB1 typing may discriminate the magnitude of the genetic susceptibility to tuberculosis using a household contact model

Background Tuberculosis clusters in families may be due to increased household exposure, shared genetic factors, or both. Household contact studies are useful to control exposure because socioeconomic and environmental conditions are similar to all subjects, allowing the evaluation of the contribution of relatedness to disease development. Methods In this study, the familial aggregation of tuberculosis using relatedness and a specific inherited marker (HLA-DRB1) was evaluated. Fifty families, which had at least two cases of tuberculosis diagnosed within the past 5 years, were selected from a cohort of tuberculosis carried out in Recife, Brazil. The first case diagnosed was considered to be a primary case. The secondary attack rate of tuberculosis in household contacts was estimated according to the degree of relatedness. The relative risk of having tuberculosis based on the degree of relatedness household and the population attributable fraction to relatedness were also estimated. HLA-DRB1 typing and attributable etiologic/preventive fractions were calculated among sick and healthy household contacts. Results Compared to unrelated contacts, the relative risk for tuberculosis adjusted for age was 1.38 (95% CI 0.86 to 2.21). Relatedness contributed 23% to the development of tuberculosis at the population levels. The HLA-DRB1*04 allele group (OR = 2.44; p =0.0324; etiologic fraction =0.15) was overrepresented and the DRB1*15 allele group (OR=0.48; p=0.0488; protective fraction=0.19) was underrepresented among household contacts exhibiting tuberculosis. The presence of DRB1 shared alleles between primary cases and their contacts was a risk factor for tuberculosis (p=0.0281). Conclusion This household contact model together with the utilisation of two genetic variables permitted the evaluation of genetic factors contributing towards tuberculosis development.

Evaluation of computational methods for the reconstruction of HLA haplotypes

Human leukocyte antigen (HLA) haplotypes are frequently evaluated for population history inferences and association studies. However, the available typing techniques for the main HLA loci usually do not allow the determination of the allele phase and the constitution of a haplotype, which may be obtained by a very time-consuming and expensive family-based segregation study. Without the family-based study, computational inference by probabilistic models is necessary to obtain haplotypes. Several authors have used the expectation-maximization (EM) algorithm to determine HLA haplotypes, but high levels of erroneous inferences are expected because of the genetic distance among the main HLA loci and the presence of several recombination hotspots. In order to evaluate the efficiency of computational inference methods, 763 unrelated individuals stratified into three different datasets had their haplotypes manually defined in a family-based study of HLA-A, -B, -DRB1 and -DQB1 segregation, and these haplotypes were compared with the data obtained by the following three methods: the Expectation-Maximization (EM) and Excoffier-Laval-Balding (ELB) algorithms using the arlequin 3.11 software, and the PHASE method. When comparing the methods, we observed that all algorithms showed a poor performance for haplotype reconstruction with distant loci, estimating incorrect haplotypes for 38%-57% of the samples considering all algorithms and datasets. We suggest that computational haplotype inferences involving low-resolution HLA-A, HLA-B, HLA-DRB1 and HLA-DQB1 haplotypes should be considered with caution.

Genetic organization of Pasteurella multocida cap Loci and development of a multiplex capsular PCR typing system

Current serotyping methods classify Pasteurella multocida into five capsular serogroups (serogroups A, B, D, E, and F) and 16 somatic serotypes (serotypes 1 to 16). In the present study, we have developed a multiplex PCR assay as a rapid alternative to the conventional capsular serotyping system. The serogroup-specific primers used in this assay were designed following identification, sequence determination, and analysis of the capsular biosynthetic loci of each capsular serogroup. The entire capsular biosynthetic loci of P. multocida A:1 (X-73) and B:2 (M1404) have been cloned and sequenced previously (J. Y. Chung, Y. M. Zhang, and B. Adler, FEMS Microbiol. Lett. 166:289-296, 1998; J. D. Boyce, J. Y. Chung, and B. Adler, Vet. Microbiol. 72:121-134, 2000). Nucleotide sequence analysis of the biosynthetic region (region 2) from each of the remaining three serogroups, serogroups D, E, and F, identified serogroup-specific regions and gave an indication of the capsular polysaccharide composition. The multiplex capsular PCR assay was highly specific, and its results, with the exception of those for some serogroup F strains, correlated well with conventional serotyping results. Sequence analysis of the strains that gave conflicting results confirmed the validity of the multiplex PCR and indicated that these strains were in fact capsular serogroup A. The multiplex PCR will clarify the distinction between closely related serogroups A and F and constitutes a rapid assay for the definitive classification of P. multocida capsular types

Domestic Rhodnius ecuadoriensis (Hemiptera, Reduviidae) infestation in Northern Peru: a comparative trial of detection methods during a six-month follow-up

Two passive methods in the assessment of intradomiciliary infestation by Rhodnius ecuadoriensis were tested: (i) the Gomes Nuñez sensor box (GN), (ii) sheets of white typing paper and (iii) one active timed manual method. The study was carried out in the Alto Chicama River Valley, Province of Gran Chimú, Department of La Libertad. The study design consisted of an initial searching of triatomines inside of the domestic environment by the manual capture active procedure (man/hour) covering all the studied houses. Then, matched pairs of GN boxes and paper sheets were simultaneously installed in the bedrooms of 207 households distributed in 19 localities. A comparative prospective trial of these passive detection devices were monitored at 2, 4 and, finally 6 months follow-up. Parasitological Trypanosoma rangeli and/or T. cruzi infections were investigated in two houses with high level of infestation by R. ecuadoriensis. 16.9% of the 207 households investigated by an initial active manual method were infested with R. ecuadoriensis. The proportion of infested houses fluctuated from 6.2 to 55.5% amongst the 19 localities investigated. T. rangeli natural infection was detected in R. ecuadoriensis specimens collected in two households. Parasite rates in the bugs ranged from 16.6 to 21.7% respectively. The most striking fact was an average rate of salivary gland infection ranging from 7.4 to 8.3%. At the end of the sixth month period, a cumulative incidence of 31.4% of positive GN boxes against 15.9% for paper sheets was recorded. All three methods combined detected domestic infestation in 129 (62.3%) of the 207 houses studied in the 19 localities. The range of houses infested varies from 6.7% to 92.9%. In areas with low bug density infestation rates, the methodology experienced in our studies, seems to be the best choice for investigations on domestic R. ecuadoriensis populations.

MOLECULAR TYPING OF Giardia duodenalisISOLATES FROM NONHUMAN PRIMATES HOUSED IN A BRAZILIAN ZOO

Giardia infections in captive nonhuman primates (NHP) housed at a Brazilian zoo were investigated in order to address their zoonotic potential. Fresh fecal samples were collected from the floors of 22 enclosures where 47 primates of 18 different species were housed. The diagnosis of intestinal parasites after concentration by sedimentation and flotation methods revealed the following parasites and their frequencies: Giardia (18%); Entamoebaspp. (18%); Endolimax nana(4.5%); Iodamoeba spp. (4.5%); Oxyurid (4.5%) and Strongylid (4.5%). Genomic DNA extracted from all samples was processed by PCR methods in order to amplify fragments of gdh and tpi genes of Giardia. Amplicons were obtained from samples of Ateles belzebuth, Alouatta caraya, Alouatta fusca and Alouatta seniculus. Clear sequences were only obtained for the isolates from Ateles belzebuth (BA1), Alouatta fusca(BA2) and Alouatta caraya (BA3). According to the phenetic analyses of these sequences, all were classified as assemblage A. For the tpi gene, all three isolates were grouped into sub-assemblage AII (BA1, BA2 and BA3) whereas for the gdh gene, only BA3 was sub-assemblage AII, and the BA1 and BA2 were sub-assemblage AI. Considering the zoonotic potential of the assemblage A, and that the animals of the present study show no clinical signs of infection, the data obtained here stresses that regular coproparasitological surveys are necessary to implement preventive measures and safeguard the health of the captive animals, of their caretakers and of people visiting the zoological gardens.