IDENTIFICAZIONE DEI MICOBATTERI Enrico Tortoli L’approccio tradizionale • Test biochimici • Test colturali Test biochimici • Accumulo di niacina • Riduzione dei nitrati • Catalasi • a 68°C • semiquantitativa • • • • • Idrolisi del Tween 80 Ureasi Riduzione del tellurito Arilsolfatasi β-glucosidasi Niacina • Prodotto del metabolismo micobatterico accumulato nel terreno • • • • requisiti della coltura l’estrazione la rivelazione 24 ore • Distingue M. tuberculosis dalle altre specie • Irregolarmente positiva in M. simiae • Raramente positiva in altri micobatteri Nitrati • Molte specie micobatteriche sono in grado di ridurre i nitrati a nitriti • 4 ore Catalasi a 68°C • Praticamente tutti i micobatteri producono catalasi • In quasi tutte le specie, ad eccezione di quelle del M. tuberculosis complex la catalasi è termoresistente • incubazione a 68°C per 20 min • rivelazione con H2O2 • 20 min Idrolisi del Tween 80 • Alcuni micobatteri possiedono una esterasi, grazie ad essa sono in grado di idrolizzare il Tween 80 • Utilizzando Tween legato a rosso neutro, l’idrolisi è evidenziata dal viraggio al rosso • 10 giorni Test colturali • Velocità di crescita • Temperature di crescita • Pigmento • Morfologia delle colonie • Test di inibizione selettiva Velocità di crescita • I micobatteri a crescita rapida formano colonie visibili ad occhio nudo in meno di una settimana • I micobatteri a crescita lenta possono richiedere anche 6 settimane • Il test deve essere eseguito utilizzando un inoculo standardizzato Il tempo richiesto per la crescita nella coltura primaria non è indicativo • Il tempo richiesto per la crescita in coltura liquida non è indicativo Temperature di crescita • Il range delle temperatura che permettono lo sviluppo delle varie specie batteriche è ampio • Oltre all’incubazione a 37°C è necessario testare almeno altre due temperature, 25-30°C e 42-45°C Pigmento • I micobatteri si distinguono in: • non cromogeni • scotocromogeni • fotocromogeni Morfologia delle colonie • Aspetto macroscopico • Aspetto microscopico (10x) Morfologia delle colonie M. tuberculosis Morfologia delle colonie M. xenopi Morfologia delle colonie M. avium Test di inibizione selettiva • L’aggiunta al terreno di particolari sostanze permette di distinguere le specie che ne tollerano la presenza, da quelle che ne risultano inibite • • • • • TCH NaCl Tiacetazone Idrossilamina (MacConkey) Identificazione • Confronto dei risultati dei test con i dati presenti in letteratura (tabelle) Isoniazide Idrossilamina Tiacetazone TCH NaCl MacConkey Ureasi Colonie rugose Arilsolfatasi Riduzione del tellurito Crescita a 45°C Crescita a 25°C Crescita lenta Idrolisi del Tween 80 -glucosidasi Pigmento al buio Catalasi >45 mm Catalasi a 68°C Riduzione dei nitrati Niacina Pigmento alla luce Crescita in presenza di: Specie M. africanum 10 10 0 0 0 0 50 10 100 0 0 0 0 100 90 0 0 10 0 0 0 M. asiaticum 0 0 100 100 0 100 10 100 90 100 0 0 0 10 0 50 0 100 100 82 91 M. avium/intracellululare 0 0 70 19 4 4 10 0 90 100 47 76 0 10 0 24 5 100 98 71 98 M. bovis/M. bovis BCG 0 8 0 0 0 0 0 0 100 0 0 0 0 100 100 0 0 0 0 0 0 M. chelonae 3 8 50 97 0 0 10 20 0 96 0 51 90 50 90 90 59 90 90 96 50 50 M. fallax 10 90 10 50 10 10 50 50 0 90 50 50 10 50 10 10 10 90 90 50 M. flavescens 0 100 100 100 100 100 10 100 50 100 17 32 0 50 100 0 100 100 100 0 0 M. fortuitum 7 100 100 98 0 0 85 33 0 90 0 43 100 50 100 100 100 100 100 96 50 M. gastri 0 0 0 0 0 0 90 100 90 100 0 0 0 50 100 16 0 100 9 0 8 M. gordonae 0 0 100 96 100 100 10 91 90 100 0 0 0 0 8 0 0 100 100 35 87 M. haemophilum 0 0 0 0 0 0 50 0 90 90 0 0 0 90 0 0 0 90 50 50 90 M. kansasii 0 97 100 100 0 97 30 100 100 100 0 0 0 50 100 0 0 100 9 11 15 M. malmoense 0 13 25 0 0 0 10 100 90 100 0 50 0 0 71 10 0 100 100 63 100 M. marinum 0 0 100 33 0 90 50 100 50 100 0 0 6 50 100 0 17 100 67 100 83 M. nonchromogenicum 0 11 100 100 0 0 50 100 90 100 0 0 10 50 0 0 0 100 100 100 100 Conclusioni • • • • Non esistono kit commerciali I tempi sono estremamente lunghi Non tutti i test sono perfettamente riproducibili L’affidabilità delle identificazioni è buona solo per le specie più comuni • Non permettono di riconoscere i micobatteri rari o “nuovi” • Alcuni test possono essere utilizzati, in maniera mirata, per dirimere ambiguità emergenti da altri sistemi di identificazione • Permettono di differenziare M. tuberculosis dalle altre specie del M. tuberculosis complex L’analisi dei lipidi • La parete dei micobatteri è caratterizzata da un contenuto lipidico elevatissimo • Acidi micolici • Acidi grassi saturi ed insaturi • Alcol Gli acidi micolici • Acidi grassi, ramificati in posizione β • Presenti nella parete batterica dei generi: • • • • • • Corynebacterium: 22-38 atomi di C Rhodococcus: 34-52 atomi di C Nocardia: 44-60 atomi di C Gordonia: 48-66 atomi di C Tsukamurella: 64-78 atomi di C Mycobacterium: 60-90 atomi di C • Presenza di numerosi gruppi funzionali che differenziano 7 tipi di acidi micolici micobatterici • alfa-, alfa'-, metoxi-, keto-, epoxi-, wax ester-, omega' metoxi-mycolati La parete dei micobatteri altri lipidi complessi acidi micolici arabino-galattano peptidoglicano membrana cellulare Cromatografia su strato sottile • Separazione, mediante opportuni solventi, dei vari acidi micolici presenti nell’estratto depositato su una piastra di gel di silice • Evidenziamento degli stessi dopo idonea colorazione • Identificazione delle “macchie” in base alla loro posizione rispetto al fronte di avanzamento del solvente (fase mobile) • Identificazione del microorganismo in base al pattern di acidi micolici Cromatografia su strato sottile Gas-cromatografia • Pirolisi degli acidi micolici in esteri metilici saturi di 22, 24 e 26 atomi di C • Separazione gas-cromatografica dei prodotti di clivaggio nonché degli acidi grassi saturi ed insaturi (fra i quali l’acido tuberculostearico) e degli alcol • Identificazione delle catene di C preferibilmente usando la spettrometria di massa • Identificazione del microorganismo in base al pattern di acidi grassi 2 4 6 2-OH 16:0 8 10 22:0 20:0 17:0 20:0 14:0 2-OH 20:0 24:0 TBS 18:1 16:1 16:0 Gas-cromatografia 12 14 16 min Il principio della HPLC • La fase mobile è spinta ad elevata pressione attraverso la fase stazionaria (particelle paccate) contenuta nella colonna • Il campione viene iniettato direttamente all'interno del flusso della fase mobile • La separazione delle varie frazioni del campione è determinata dalla diversa polarità delle due fasi • Le frazioni eluite vengono quantificate in base alla loro assorbanza Le componenti del sistema colonna iniettore pompe detector solventi cromatogramma recorder Preparazione del campione • Saponificazione • un’ansata di colonie in potassa alcolica per 1h a 121°C • Estrazione • • • • aggiunta di cloroformio dopo acidificazione evaporazione dello strato non acquoso aggiunta di bicarbonato ed ulteriore evaporazione solubilizzazione del residuo secco in cloroformio • Derivatizzazione • esterificazione con bromofenacil bromuro, in presenza di catalizzatore, per 40 min a 80°C • evaporazione e aggiunta al residuo secco di cloroformio, ac. cloridrico e metanolo • recupero ed evaporazione dello strato di cloroformio Identificazione dei picchi 1 TRR=5,3/9,6 SI 5,3 9,6 Identificazione dei picchi 2 SI1 SI2 Esempi di profili HPLC M. tuberculosis M. simiae Conclusioni • TLC: il numero di specie con pattern sovrapponibili è molto elevato • GLC: difficile standardizzazione della metodica; le differenze quantitative sono difficilmente interpretabili • HPLC: elevato potere discriminante, ma il numero delle specie non differenziabili è in continua crescita PCR Restriction Analysis • hsp65: gene altamente conservato • Digestione con un enzima di restrizione specifico per un sito di restrizione non molto frequente • Determinazione del pattern di restrizione in base al numero ed alle dimensioni dei frammenti ottenuti • Confronto con pattern di restrizione appartenenti a specie note Il metodo • Amplificazione di una porzione di 439 bp all’interno del hsp65 • Digestione di 2 aliquote di amplificato usando, su ciascuna, un diverso enzima di restrizione • Separazione elettroforetica dei prodotti di digestione presenti in ciascuna aliquota di amplificato • Determinazione, per confronto con pesi molecolari noti, delle dimensioni dei frammenti (quelli inferiori a 40 pb vengono ignorati) • Uso di un algoritmo per raggiungere l’identificazione di specie Gli enzimi di restrizione • BstEII • nessuna digestione (440 bp) • produzione di 2-3 frammenti (320-80 bp) • HaeIII • produzione di 2-5 frammenti (265-40 bp) hsp65 PRA: l’algoritmo • Differenziazione delle specie, all’interno del pattern di restrizione prodotto da BstEII, in base al pattern prodotto da HaeIII BstEII 130 bp 320 bp 120 bp HaeIII 200/60/50 bp 150/105 bp M. chelonae M. haemophilum 185/130 bp M. terrae 145/130/50 bp M. simiae 130/115/60 bp M. gordonae 130/95/75/60 bp M. kansasii ...... Sviluppi • Determinazione delle dimensioni esatte dei frammenti mediante sequenziamento • Presenza di un sito Internet (PRA-Site) contenente tutti i pattern di restrizione delle specie batteriche note Conclusioni • Di facile esecuzione ed economico • Svariate specie sono caratterizzate da più di un pattern (fino a 9) • Alcune specie hanno pattern indistinguibili DNA-probe • Enorme risparmio di tempo rispetto all’identificazione tradizionale • Specificità elevata • Disponibili per un numero limitato di specie • Costose DNA-probe commerciali • AccuProbe (GenProbe) • INNO LiPA Mycobacterium (Innogenetic) • GenoType Mycobacteria (Hain) AccuProbe • Bersaglio: rRNA 16S • Reazione: ibridizzazione in fase liquida, direttamente dalle colonie • Rivelazione: in chemioluminescenza (HPA) • Specificità: • • • • M. tuberculosis complex MAC o, in alternativa, M. avium e M. intracellulare separatamente M. kansasii M. gordonae • Limiti: • test a cascata • non disponibili per specie comuni in Europa ma rare negli USA Ibridizzazione inversa INNO LiPA Mycobacterium • • • • Bersaglio: regione spaziatrice fra i geni codificanti per rRNA 16S e 23S Reazione: ibridizzazione inversa, con 21 sonde immobilizzate su una striscia di cellulosa, del bersaglio amplificato mediante PCR (primer biotinilati) Rivelazione: colorimetrica (avidina-perossidasi) Specificità: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Mycobacterium genere M. tuberculosis complex M. kansasii (differenziazione dei tipi I, II, III-IV-V-M. gastri) M. xenopi M. gordonae M. avium M. intracellulare M. chimaera MAC M. scrofulaceum M. fortuitum M. marinum-M. ulcerans M. genavense M. haemophilum M. chelonae (differenziazione dei tipi I, III, II-IV) M. smegmatis M. malmoense M. celatum M. simiae Limiti: • alcune reattività crociate con specie rare GenoType Mycobacteria • • • • Bersaglio: gene codificante per rRNA 23S Reazione: ibridizzazione inversa del bersaglio amplificato mediante PCR (primer biotinilati) con varie sonde immobilizzate su una striscia di cellulosa Rivelazione: colorimetrica (avidina-perossidasi) Specificità: • • • • • • • • • • • • • • • Mycobacterium genere M. tuberculosis complex M. kansasii-M. gastri M. xenopi M. gordonae M. avium M. intracellulare M. scrofulaceum-M. parascrofulaceum-M. paraffinicum M. malmoense-M. haemophilum-M.palustre-M. nebraskense M. peregrinum-M. alvei-M. septicum M. chelonae-M. immunogenum M. fortuitum-M. mageritense M. abscessus-M. immunogenum M. interjectum M. marinum-M. ulcerans • • • • • • • • • • • • • • • Mycobacterium genere M. simiae M. mucogenicum-M. ratisbonense M. celatum I, III M. phlei M. szulgai-M. intermedium M. immunogenum M. haemophilum-M. nebraskense M. ulcerans M. gastri M. lentiflavum M. heckeshornense M. shimoidei M. genavense-M. triplex Limiti: • • • incorretta identificazione dei MAC non-M. avium, non-M. intracellulare alcune reattività crociate con specie rare numerose identificazioni non univoche GenoType Mycobacteria MTBC • Bersaglio • gene codificante per rRNA 23S • gene girB • regione RD1 • Reazione: ibridizzazione inversa, con 9 sonde immobilizzate su una striscia di cellulosa, del bersaglio amplificato mediante PCR (primer biotinilati) • Rivelazione: colorimetrica (avidina-perossidasi) • Specificità: • • • • • • • M. tuberculosis complex M. tuberculosis M. africanum tipo I M. microti M. bovis M. bovis BCG M. caprae • Limiti: • mancato riconoscimento di M. africanum tipo II, di M. canettii e di M. pinnipedii Identificazione mediante sequenziamento genico Prima del sequenziamento • Scelta del bersaglio • Presente in tutti gli organismi • Conservato ma contenente regioni variabili • Disponibilità di un database contenente le sequenze con cui si vuol confrontare il bersaglio • Scelta dei primer • Estrazione del DNA dalle cellule Le fasi del sequenziamento • Amplificazione del bersaglio • Verifica dell’amplificato • Purificazione • PCR di sequenziamento • Purificazione dell’amplificato Miscela di sequenziamento • Primer • Due amplificazioni parallele usando in ciascuna un solo primer (per il filamento forward o reverse) • • • • Tampone Polimerasi Nucleotidi Nucleotidi terminator Nucleotidi terminator • Nucleotide (A) che blocca l’allungamento del filamento di ac. nucleico poiché la mancanza del gruppo ossidrile in 3’ impedisce l’attacco all’ac. fosforico del nucleotide successivo PCR di sequenziamento (metodo manuale) • Si esegue in quattro provette diverse • Tutte e quattro le provette contengono: polimerasi, nucleotidi normali e primer • Ciascuna delle quattro provette contiene inoltre un diverso tipo di nucleotide terminator (adenina-terminator, guanina-terminator, . . .) • Annealing del primer • Allungamento del primer: • Legame di un nucleotide normale: l’allungamento prosegue • Legame di un nucleotide terminator: l’allungamento si blocca • In ciascuna delle 4 provette contenente nucleotidi terminator con una diversa base azotata si formano soltanto filamenti che terminano con tale base. Tali filamenti avranno tutte le lunghezze possibili a seconda che il nucleotide terminator si sia legato alla 1°, 2°, . . , ennesima, posizione possibile Separazione dell’amplificato (metodo manuale) • Si esegue una elettroforesi disponendo i prodotti di amplificazione delle 4 provette in 4 corsie parallele così che in ognuna di esse siano presenti filamenti che terminano con una diversa base • Si usa un gel ad altissima risoluzione, capace di separare frammenti di DNA che differiscono fra loro per un solo nucleotide. Il gel (0,3-0,4 mm di spessore) è interposto fra due lastre di vetro di notevole lunghezza (40 cm circa ). Il principio del sequenziamento (metodo manuale) • La migrazione è inversamente proporzionale alla lunghezza del filamento • La posizione della banda indica la posizione occupata all’interno della sequenza, mentre il tipo di base è indicato dalla corsia in cui tale banda si trova A TAC A G C T G T T . . . . . . Nucleotidi terminator marcati (metodo automatico) • I nucleotidi terminator sono marcati con un fluorocromo • Si usa un fluorocromo diverso per ciascuno dei quattro tipi di terminator PCR di sequenziamento (metodo automatico) • Si esegue in una singola provetta • Tutte le provette contengono: polimerasi, nucleotidi normali, nucleotidi terminator e primer • Annealing ed allungamento del primer: • Legame di un nucleotide normale: l’allungamento prosegue • Legame di un nucleotide terminator: l’allungamento si blocca • Si formano, nella stessa provetta, filamenti che avranno tutte le lunghezze possibili a seconda che il nucleotide terminator si sia legato alla 1°, 2°, . . , ennesima, posizione della sequenza. Si avranno quindi filamenti terminanti con ciascuna delle quattro basi Il prodotto della PCR (sequenziamento automatico) • Se il bersaglio è composto da n nucleotidi si avranno filamenti di tutte le lunghezze possibili, da 1 ad n • Indipendentemente dalla lunghezza, tutti i filamenti terminanti con adenina emetteranno fluorescenza di tipo A ; quelli terminanti con citosina, di tipo B; quelli terminanti con guanina, di tipo C, e quelli terminanti con timina, di tipo D L’elettroferogramma • • • • • • Il sequenziatore automatico è un apparecchio che, dopo aver prelevato il prodotto della PCR di sequenziamento, lo sottopone ad elettroforesi all’interno di un capillare Durante l’attraversamento del capillare i vari spezzoni di DNA vengono colpiti da un raggio laser Il raggio laser eccita i vari fluorocromi che marcano i singoli spezzoni Ciascuno dei quattro fluorocromi emette una diversa lunghezza d’onda Una cellula fotoelettrica rileva sequenza, tipo ed intensità delle varie emissioni luminose ed il tutto viene registrato in forma grafica La sequenza dei picchi corrisponde alla sequenza dei nucleotidi; il tipo (colore del picco) corrisponde al tipo di base azotata mentre l’intensità (altezza del picco) è irrilevante L’elettroferogramma • Normalmente il sistema interpreta automaticamente l’elettroferogramma • Quando l’interpretazione non è ovvia, il sistema inserisce una N al posto della base azotata mancante, questa può essere corretta manualmente, dopo lettura visiva dell’elettroferogramma, anche alla luce della sequenza del filamento complementare G Il sequenziamento in microbiologia • Identificazione • Sequenziamento di regioni specie-specifiche • Antibiogramma • Sequenziamento di regioni in cui possono aversi mutazioni associate alla resistenza ai farmaci • Filogenesi • Confronto della sequenza della medesima regione in specie diverse, per ricostruirne la storia evolutiva Identificazione mediante sequenziamento • Scelta della regione da sequenziare • • • • • 16S rDNA Internal transcribed spacer 23S rDNA hsp65 rpoB • Sequenziamento • Confronto della sequenza con quelle presenti in un database GenBank • Banca dati pubblica (in Internet) contenente circa 50 milioni di sequenze geniche delle più varie regioni di praticamente tutti gli organismi viventi • Chiunque può depositare sequenze in GenBank • Chiunque può confrontare la propria sequenza con tutte quelle presenti in GenBank • Un motore di ricerca individua e restituisce le sequenze presenti in GenBank che hanno il più elevato grado di somiglianza con la sequenza in esame GenBank BLAST GenBank BLAST GenBank, risultati GenBank, risultati GenBank, risultati Le varie possibilità • Identità 100% con una specie nota (ceppo di riferimento) • Identità 100% con un ceppo (non di riferimento) appartenente ad una specie nota • Identità 100% con una sequenza non appartenente a specie conosciute • Identità <100% • Verifica delle discordanze ed eventuale correzione della sequenza e, se confermate: • Nuovo sequevar • Nuova specie Conclusioni • Sequenziamento: • Metodo di riferimento • Sistema aperto • Problematiche legate ai database • La scelta fra le identificazioni proposte