References

nbsprot

Вестник войск РХБ защиты

Journal of NBC Protection Corps

2587-57283034-2791

27 Научный центр

10.35825/2587-5728-2018-2-4-22-35

yoqcsl

nbsprot-216

Research Article

Биологическая безопасность и защита от биологических угроз

Biological Security and Protection against Biological Threats

Методы идентификации возбудителей опасных и особо опасных инфекционных заболеваний, основанные на анализе нуклеиновых кислот

Methods for identification of causative agents of dangerous and particularly dangerous infections based on the analysis of nucleic acids

Кибирев

Я. А.

Kibirev

Y. A.

Кибирев Ярослав Александрович. Начальник научно-исследовательского отдела, канд. биол. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Kibirev Yaroslav Aleksandrovich. Chief of the Scientific and Research Department. Candidate of Biological Sciences

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

23527@mil.ru

Бурлачук

С. Е.

Burlachuk

S. E.

Бурлачук Сергей Геннадьевич. Научный сотрудник научно-исследовательского отдела

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Burlachuk Sergey Gennadyevich. Researcher of the Scientific and Research Department

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

Грудцына

А. С.

Grudcina

A. S.

Грудцына Анна Станиславовна. Научный сотрудник научно-исследовательского отдела, канд. биол. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Grudcina Anna Stanislavovna. Researcher of the Scientific and Research Department. Candidate of Biological Sciences

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

Ситяков

Д. О.

Sityakov

D. O.

Ситяков Дмитрий Олегович. Младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Sityakov Dmitry Olegovich. Junior researcher of the Scientific and Research Department

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

Исупов

С. Г.

Isupov

S. G.

Исупов Сергей Геннадьевич. Заместитель начальника научно-исследовательского отдела – начальник группы, канд. мед. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Isupov Sergey Gennadyevich. Deputy Chief of the Scientific and Research Department. Candidate of Medical Sciences

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

Дробков

В. И.

Drobkov

V. I.

Дробков Владимир Иванович. Научный сотрудник научно-исследовательского отдела, канд. мед. наук

610000, г. Киров, Октябрьский проспект, д. 119

Drobkov Vladimir Ivanovich. Researcher of the Scientific and Research Department. Candidate of Medical Sciences

Oktyabrsky Avenue 119, Kirov 610000

Филиал федерального государственного бюджетного учреждения «48 Центральный научно-исследовательский институт» Министерства обороны Российской Федерации (г. Киров)РоссияBranch Office of the Federal State Budgetary Establishment «48 Central Scientific Research Institute» of the Ministry of Defence of the Russian Federation (Kirov)Russian Federation

2018

04072023

242235

2023

Кибирев Я.А., Бурлачук С.Е., Грудцына А.С., Ситяков Д.О., Исупов С.Г., Дробков В.И.

Kibirev Y.A., Burlachuk S.E., Grudcina A.S., Sityakov D.O., Isupov S.G., Drobkov V.I.

Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

https://www.nbsprot.ru/jour/article/view/216

Одной из основных задач войск радиационной, химической и биологической защиты при установлении факта биологического заражения является точная и быстрая идентификация вызвавшего заражение возбудителя инфекционной болезни. Среди современных способов идентификации опасных и особо опасных патогенных микроорганизмов этим требованиям наиболее полно удовлетворяют способы, основанные на анализе нуклеиновых кислот. Наиболее пригодным из них для индикации с начальной идентификацией считается метод амплификации ДНК посредством полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для регистрации результатов ПЦР используют электрофоретическое разделение продуктов амплификации, а также детекцию флуоресцентного сигнала по конечной точке (вариант FLASH) или в режиме реального времени (ПЦР-РВ). Рассмотрены другие варианты амплификации фрагментов ДНК, включая лигазную цепную реакцию (ЛЦР) и изотермическую амплификацию. В статье также описаны способы идентификации микроорганизмов, основанные на секвенировании нуклеиновых кислот, такие как метод мультилокусного сиквенс-типирования (МЛСТ), секвенирование отдельных генов, полногеномное секвенирование. Сделан вывод о том, что выбор методов идентификации микроорганизмов необходимо осуществлять, исходя из целей и задач, материальной базы лаборатории, наличия обученного персонала и объемов финансирования. Несмотря на то, что наиболее информативными являются методы, основанные на секвенировании нуклеотидных последовательностей, в силу своих технологических требований пока их реализация в полевых условиях затруднена.

One of the main tasks of the NBC Protection Troops is accurate and rapid identification of infectious disease causative agents in case of establishing the fact of biological contamination. Different methods based on the analysis of nucleic acids are most preferred for this purpose. Most of them are based on DNA amplification by polymerase chain reaction (PCR). The result is detected by electrophoretic separation of amplification products, as well as by registration of endpoint fluorescent signal (FLASH modification) or in real time (PCR-RT). Other methods of DNA amplification, such as ligase chain reaction (LCR) and isothermal amplification, are also applicable in practice. The article also describes some identification methods based on nucleic acid sequencing: multilocus sequence typing (MLST) method, sequencing of individual genes and complete genome sequencing. It is concluded that the choice of identification method should be based on the goals and objectives, laboratory facilities, availability of trained personnel and funding levels. Despite the fact that the most informative are methods based on sequencing nucleotide sequences, their implementation in the field is difficult so far due to technological requirements.

изотермическая амплификациялигазная цепная реакцияметоды идентификации микроорганизмовмультилокусное сиквенс-типированиемультилокусный анализ вариабельных тандемных повторовполимеразная цепная реакцияполногеномное секвенированиесеквенирование отдельных геновтермостат-амплификаторфлуоресцентные зонды

isothermal amplificationligase chain reactionmethods of indication of microorganismsmultilocus sequence typingmultilocus variable-number tandem repeat (VNTR) analysis (MLVA)polymerase chain reactionwhole-genome sequencingsequencing of individual genesthermostat amplificatorfluorescent probes

References1

Павлов Д.Л., Онучина Н.В., Кузнецовский А.В. и др. Результаты исследования биологических свойств сибиреязвенных изолятов эпизоотии 2016 года в Ямало-Ненецком автономном округе // Вестник войск РХБ защиты. 2017. Т. 1. № 1. С. 23–32.

Pavlov D.L., Onuchina N.V., Kuznetsovskiy A.V., Fomenkov O.O., Tumanov A.S. The results of the research of biological and genetic properties of the anthrax strains isolates during the epizootic 2016 in Yamal-Nenets autonomous district // Journal of NBC Protection Corps. 2017. V 1. № 1. P. 23–32 (in Russian).

Глухов А.И., Гордеев С.А., Альтшулер М.Л. и др. Применение гнездовой ПЦР в детекции возбудителя чумы // Клиническая лабораторная диагностика. 2003. № 7. С. 47–50.

Gluhov A.I., Gordeyev S.A., Altshuler M.L., Zikov I.E. et al. Using of nest PCR for plague causative agent detection // Clinical laboratory diagnostic. 2003. № 7. P. 47–50 (in Russian).

Arnold T., Neubauer H., Nikolaou K. et al. Identification of Yersinia enterocolitica in minced meat: a comparative analysis of API 20E, Yersinia identification kit and a 16S rRNA-based PCR method // J. Vet. Med. B. Infect. Dis. Vet. Public Health. 2004. V. 51. №. 1. P. 23–27.

Higuchi R., Dollinger G., Walsh P.S., Griffith R. Simultaneous amplification and detection of specific DNA sequences // Biotechnology. 1992. V. 10. № 4. P. 413–417.

Higuchi R., Fockler C., Dollinger G., Watson R. Kinetic PCR analysis: real time monitoring of DNA amplification reactions // Biotechnology. 1993. V. 11. № 9. P. 1026–1030.

Dang C, Jayasena S.D. Oligonucleotide inhibitors of Taq DNA polymerase facilitate detection of low copy number targets by PСR // J. Mol. Biol. 1996. V. 264. P. 268–278.

Dang C, Jayasena S.D. Oligonucleotide inhibitors of Taq DNA polymerase facilitate detection of low copy number targets by PСR // J. Mol. Biol. 1996. V. 264. P. 268– 278.

Horton R.M., Hoppe B.L., Conti-Tronconi B.M. AmpliGrease: «hot start» PCR using petroleum jelly // Biotechniques. 1994. V. 16. P. 42–43.

Kleppe K., Ohtsuka E., Kleppe R. et al. Studies on polynucleotides. XCVI. Repair replications of short synthetic DNA’s as catalyzed by DNA polymerases // J. Mol. Biol. 1971. V. 56. № 2. P. 341–361.

Her M., Kang S.I., Kim J.W. et al. A genetic comparison of Brucella abortus isolates from animals and humans by using an MLVA assay // J. Microbiol. Biotechnol. 2010. V. 20. № 12. P. 1750–1755.

Kingston J.J., Tuteja U., Kapil M. et al. Genotyping of Indian Yersinia pestis strains by MLVA and repetitive DNA sequence based PCRs // Antonie van Leeuwenhoek. 2009. V. 96. № 3. P. 303–313.

Ребриков Д.В., Саматов Г.А., Трофимов Д.Ю. и др. ПЦР в реальном времени / Под ред. Ребрикова Д.В. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 223 с.

Rebrikov D.V., Samatov G.A., Trofimov D.U. et al. Real-time PCR. Moscow: BINOM. Knowledge Lab, 2011. 223 p. (in Russian).

Khatami F., Heidari M., Khatami M. Rapid detection of Escherihia coli O157: H7 by fluorescent amplification-based specific hybridization (Flash) PCR // Iranian Red Crescent Med. J. 2012. V. 14. № 9. P. 594–598.

Gibriel A.A., Adel O. Advances in ligase chain reaction and ligation-based amplifications for genotyping assay: detection and applications // Mutation Research/ Reviews in Mutation Research. 2017. V. 773. P. 66–90.

Vincent M., Xu Y., Kong H. Helicase-dependent isothermal DNA amplification // EMBO Reports. 2004. V. 5. № 8. P. 795–800.

Walker G.T., Fraiser M.S., Schram J.L. et al. Strand displacement amplification – an isothermal, in vitro DNA amplification technique // Nucleic Acids Res. 1992. V. 20, № 7. P. 1691–1696.

Dean F.B., Hosono S., Fang L. et al. Comprehensive human genome amplification using multiple displacement amplification // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 2002. V. 99. № 8. P. 5261–5266.

Schweitzer B., Kingsmore S. Combining nucleic acid amplification and detection // Curr. Opin. Biotechnol. 2001. V. 12. № 1. P. 21–27.

Wu L., Liu Q., Wu Z., Lu Z. Detection of HIV cDNA point mutations with rolling-circle amplification arrays // Molecules. 2010. V. 15. № 2. P. 619–626. doi: 10.3390/molecules15020619.

Maciejewska A., Jakubowska J., Pawlowski R. Whole genome amplification of degraded and nondegraded DNA for forensic purposes // International Journal of Legal Medicine. 2013. V. 127. № 2. P. 309–319.

Zong C., Lu S., Chapman A.R., Xie X.S. Genomewide detection of single-nucleotide and copy-number variations of a single human cell // Science. 2012. V. 338. № 6114. P. 1622–1626. doi: 10.1126/science.1229164.

Fang R., Li X., Hu L. et al. Cross-priming amplification for rapid detection of Mycobacterium tuberculosis in sputum specimens // J. Clin. Microbiol. 2009. V. 47. № 3. P. 845–847. doi: 10.1128/JCM.01528-08.

Liu W., Dong D., Yang Z. et al. Polymerase Spiral Reaction (PSR). A novel isothermal nucleic acid amplification method // Sci. Rep. 2015. V. 29. № 5. P. 12723. doi: 10.1038/srep12723.

Fischbach J., Frohme M., Glokler J. Hingeinitiated Primer-dependent Amplification of nucleic acids (HIP) – a new versatile isothermal amplification method // Sci. Rep. 2017 V. 7. № 1. P. 7683.

Aonuma H., Badolo A., Okado K., Kanuka H. Detection of mutation by allele-specific loop-mediated isothermal amplification (AS-LAMP) // Methods Mol. Biol. 2013. V. 1039. P. 121–127. doi: 10.1007/978-1-62703-535-4_10.

Fukuta S., Mizukami Y., Ishida A., Kanbe M. Development of loop-mediated isothermal amplification (LAMP)-based SNP markers for shelf-life in melon (Cucumis melo L.) // J. Appl. Genet. 2006. V. 47. № 4. P. 303–308.

Itonaga M., Matsuzaki I., Warigaya K. Novel methodology for rapid detection of KRAS mutation using PNA-LNA mediated loop-mediated isothermal amplification // PLоS One. 2016. V. 11. № 3. P. e0151654. doi: 10.1371/journal.pone.0151654.

Itonaga M., Matsuzaki I., Warigaya K. Novel methodology for rapid detection of KRAS mutation using PNA-LNA mediated loop-mediated isothermal amplification / et al. // PLоS One. 2016. V. 11. № 3. P. e0151654. doi: 10.1371/journal.pone.0151654.

Zhu Q., Gao Y., Yu B. et al. Self-priming compartmentalization digital LAMP for point-of-care // Lab Chip. 2012. V. 12. № 22. P. 4755–4763.

Blainey P.C., Quake S.R. Digital MDA for enumeration of total nucleic acid contamination // Nucleic Acids Res. 2011. V. 39. № 4. P. e19.

Sidore A.M., Lan F., Lim S.W., Abate A.R. Enhanced sequencing coverage with digital droplet multiple displacement amplification // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44. № 7. P. e66. doi: 10.1093/nar/gkv1493.

Khorosheva E.M., Karymov M.A., Selck D.A., Ismagilov R.F. Lack of correlation between reaction speed and analytical sensitivity in isothermal amplification reveals the value of digital methods for optimization: validation using digital real-time RT-LAMP // Nucleic Acids Res. 2016. V. 44, № 2. P. e10. doi: 10.1093/nar/gkv877.

Player A.N., Shen L.P., Kenny D. et al. Singlecopy gene detection using branched DNA (bDNA) in situ hybridization // J. Histochem. Cytochem. 2001. V. 49. № 5. P. 603–612.

Hendricks D.A., Stowe B.J., Hoo B.S. et al. Quantitation of HBV DNA in human serum using a branched DNA (bDNA) signal amplification assay // Am. J. Clin. Pathol. 1995. V. 104. № 5. P. 537–546.

Collins M.L., Irvine B., Tyner D. et al. A branched DNA signal amplification assay for quantification of nucleic acid targets below 100 molecules/ml // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. № 15. P. 2979–2984.

Horn T., Chang C., Urdea M.S. Chemical synthesis and characterization of branched oligodeoxyribonucleotides (bDNA) for use as signal amplifiers in nucleic acid quantification assays // Nucleic Acids Res. 1997. V. 25. P. 4842–4849.

Tsongalis G.J. Branched DNA technology in molecular diagnostics // Am. Soc. Clin. Pathol. 2006. V. 126. P. 448–453.

Jünemann S., Prior K., Szczepanowski R. et al. Bacterial community shift in treated periodontitis patients revealed by ion torrent 16S rRNA gene amplicon sequencing // PLoS One. 2012. V. 7. № 8. P. е41606.

Kunin V., Engelbrektson A., Ochman H., Hugenholtz P. Wrinkles in the rare biosphere: pyrosequencing errors can lead to artificial inflation of diversity estimates // Environ. Microbiol. 2010. V. 12. № 1. P. 118–123. doi: 10.1111/j.1462-2920.2009.02051.x.

Пудова Е.А., Чеканова Т.А., Маркелов М.Л. и др. Разработка и апробация ДНК-чипа для индикации возбудителей особо опасных инфекций // Эпидемиология и инфекционные болезни. Актуальные вопросы. 2014. № 3. С. 13–19.

Pudova Е.А., Chekanova Т.А., Markelov М.L., Dedkov V.G. et al. Development and testing of a DNA microarray for identification of particularly dangerous infectious pathogens // Epidemiology and infectious diseases. Actual issues. 2014. № 3. P. 13–19 (in Russian).

Ребриков Д.В., Коростин Д.О., Шубина Е.С., Ильинский В.В. NGS: высокопроизводительное секвенирование / Под ред. Ребрикова Д.В. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2015. 232 с.

Rebrikov D.V., Korostin D.O., Shubina E.S., Ilyinsky V.V. NGS: high-throughput sequencing. Moscow: BINOM. Knowledge Lab, 2015. 232 p. (in Russian).

Sanger F., Nicklen S., Coulson A. DNA sequencing with chain-terminating inhibitors // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1977. V. 74. № 12. P. 5463–5467.

Nossa C.W. Design of 16S rRNA gene primers for 454 pyrosequencing of the human foregut microbiome // World J. Gastroenterol. 2010. V. 16. № 33. P. 4135–4144.

Maiden M.C., Bygraves J.A., Feil E. et al. Multilocus sequence typing: a portable approach to the identification of clones within populations of pathogenic microorganisms // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1998. V. 95. № 6. P. 3140–3145.

Abbai N.S., Govender A., Shaik R., Pillay B. Pyrosequence analysis of unamplified and whole genome amplified DNA from hydrocarbon-contaminated groundwater // Mol. Biotechnol. 2012. V. 50. № 1. P. 39–40. doi: 10.1007/s12033-011-9412-8.

Zhou D., Rao M.S., Walker R. et al. Massively parallel signature sequencing // Methods Mol. Biol. 2006. № 331. P. 285–311.

Benthley D.R., Balasubramanian S., Swerdlow H.P. et al. Accurate whole human genome sequencing using reversible terminator chemistry // Nature. 2008. V. 456. № 7218. P. 53–59. doi: 10.1038/nature07517.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.