Utility and Impact of Detecting Clinically Important Bacteria with Small-Scale and Automated Nucleic-Acid Amplification Assays

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-3878-1
Title: Utility and Impact of Detecting Clinically Important Bacteria with Small-Scale and Automated Nucleic-Acid Amplification Assays
Author: Hirvonen, Jari
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Food and Environmental Sciences, Doctoral Programme in Microbiology and Biotechnology
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: During the last decade, nucleic acid-based amplification techniques (NAATs) have revolutionized the way clinical microbiology laboratories diagnose human pathogens. Modern automated NAATs require considerably less hands-on time and testing is much simpler than with conventional detection methods. The combination of ease of performance and speed, has made real-time NAATs appealing alternatives to conventional culture-based or immunoassay-based testing methods for diagnosing various infectious diseases. However, in this era of implementing new technologies, it is crucial to focus not only upon the possibilities but also upon the pitfalls of the technology. Failure to do so may increase the cost of implementation, and put the new technology at risk of losing reputation in the eyes of the clinicians. This thesis deals with the basic principles behind modern NAATs and the implementation and utility of some of these modern assays in clinical diagnostics. The thesis consists of six studies on three new fully automated NAAT platforms, the BD Max, the GenomEra CDX, and the GenRead system. All platforms were used for the screening of toxigenic Clostridium difficile in faecal specimens in comparison with the routine laboratory methods. In addition, the GenomEra CDX system was used for the detection of Staphylococcus aureus and the marker of methicillin resistance from various sample matrixes, and the detection of Streptococcus pneumoniae from blood cultures. All assays showed excellent sensitivity and specificity for the target microbes. Moreover, all platforms decreased the analysis time significantly as compared to conventional laboratory methods, although variation between the NAAT test systems were seen. As its best, the total turnaround-time was less than 30 minutes with the GenRead, 55 minutes with the GenomEra, and 90 minutes with the BD Max system. The platforms had different sample throughput capacity and space requirement, as well. The lightweight and battery-powered GenRead instrument with isothermal NAAT based assay proved to be most flexible system for clinical diagnostics, enabling mobile analytics in both laboratory and near patient. Molecular techniques such as real-time PCR and isothermal amplification combined with modern robotics can provide significant advantage in laboratory diagnostics for detection of pathogenic bacteria. In this study, the three NAAT platforms proved to be suitable for rapid testing of C. difficile, methicillin-susceptible and -resistant S. aureus, and S. pneumoniae from various sample types.Viime vuosikymmenen aikana nukleiinihappopohjaiset monistustekniikat ovat mullistaneet kliinisesti merkittävien patogeenien mikrobiologista laboratoriodiagnostiikkaa. Modernit automatisoidut nukleiinihaponosoituslaitteistot vaativat huomattavasti vähemmän käsityöaikaa ja testaus on yksinkertaisempaa kuin tavanomaisilla laboratoriomenetelmillä. Helppokäyttöisyys ja nopeus on tehnyt reaaliaikaisista nukleiinihappotekniikoista houkuttelevia vaihtoehtoja perinteisille viljely- tai antigeenipohjaisille analyysimenetelmille erilaisten tartuntatautien diagnostiikkaan. Uusien tekniikoiden ilmaantuessa on kuitenkin tärkeää keskittyä paitsi niiden tuomiin mahdollisuuksiin myös niissä piileviin haasteisiin. Mikäli näin ei tehdä, saattaa huolimaton käyttöönotto lisätä laboratorion kustannuksia ja asettaa uuden tekniikan vaaraan menettää arvoaan asiantuntijoiden silmissä. Tämä väitöskirjatyö käsittelee modernien nukleiinihaponosoitusmenetelmien perusperiaatteita sekä joidenkin näiden tekniikoiden hyödyntämistä kliinisen mikrobiologian diagnostiikassa. Väitöskirjatyö koostuu kuudesta osatutkimuksesta, jotka käsittelevät kolmea automatisoitua nukleiinihaponosoituslaitteistoa; BD Max:ia, GenomEra CDX:ää ja GenRead:iä. Kaikkia kolmea laitetta käytettiin toksigeenisen Clostridium difficilen seulonnassa ulostenäytteistä ja saatuja tuloksia verrattiin kliinisten laboratorioiden käytössä oleviin rutiinimenetelmiin. Tämän lisäksi GenomEra CDX -laitteistoa hyödynnettiin Staphylococcus aureuksen ja metisilliiniresistenssigeenin havaitsemiseen erilaisista näytemateriaaleista sekä Streptococcus pneumoniaen havaitsemiseen veriviljelynäytteistä. Kaikki testisysteemit osoittivat erinomaista herkkyyttä ja tarkkuutta kohdemikrobien suhteen. Lisäksi testatut laitteistot pienensivät analyysiaikaa merkittävästi tavanomaisiin laboratoriomenetelmiin verrattuna, joskin tässä testijärjestelmien välillä haivatiin selvää vaihtelua. Parhaimmillaan kokonaistestiaika oli alle 30 minuuttia GenRead-laitteella, 55 minuuttia GenomEra-laitteella ja 90 minuuttia BD Max -laitteella. Myös laitteistojen näyteanalyysikapasiteetissä ja tilavaatimuksessa havaittiin eroavuuksia. Kevyt ja akkukäyttöinen GenRead-laite, jossa hyödynnettiin isotermistä nukleiinihaponosoitusmääritystä, osoittautui joustavimmaksi kliiniseen diagnostiikkaan mahdollistaen mukana kuljetettavan analyysiyksikön, joka soveltuu sekä laboratorioon että lähellä potilasta tehtävään analytiikkaan. Molekyylitekniikat, kuten reaaliaikainen PCR ja isoterminen nukleiinihaponosoitus yhdistettynä nykyaikaiseen robotiikkaan, voivat mahdollistaa merkittävän diagnostisen hyödyn patogeenisten bakteerien analytiikkaan. Tässä väitöskirjatyössä tutkitut kolme nukleiinihappopohjaista testisysteemiä osoittautuivat erittäin soveltuviksi C. difficilen, metisilliiniherkkien ja -resistenttien S. aureus sekä S. pneumoniae -bakteerien nopeaan tunnistukseen useista eri näytetyypeistä.
URI: URN:ISBN:978-951-51-3878-1
http://hdl.handle.net/10138/228439
Date: 2017-12-02
Subject:
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record