DE102005002672A1 - Differentiation of microorganisms in a sample, comprises extracting single cultures of microorganisms, receiving mass spectra on the cultures, and analyzing and comparing spectral details with reference spectra by mathematical similarity - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Differenzierung von Mikroorganismen auf Subspeziesebene mittels MALDI (matrix assisted laser desorption ionization)-TOF (time of flight)-Massenspektrometrie.The The invention relates to a method for the rapid differentiation of Microorganisms at subspecies level using MALDI (matrix assisted laser desorption ionization) -TOF (time of flight) mass spectrometry.
Die Erfindung ist dort anwendbar, wo eine schnelle Identifizierung und Differenzierung von Mikroorganismen erforderlich ist, z. B. in der Mikrobiologie, Human- und Zahnmedizin, Veterinärmedizin oder Biotechnologie.The Invention is applicable where rapid identification and Differentiation of microorganisms is required, for. B. in the Microbiology, human and dental medicine, veterinary medicine or biotechnology.
Verfahren zur Identifizierung von Mikroorganismen mittels Matrix Assisted Laser Desorption/Ionization Time-of-Flight Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS) sind publiziert. Diese beruhen entweder auf dem gezielten Nachweis einer für den jeweiligen Mikroorganismus charakteristischen, bekannten Substanz über deren Massenpeak im Spektrum (Allmaier et al., 1995) oder auf der vergleichenden Analyse von reduzierten (Kallow et al., 2002) oder gesamten Massenspektren (Bright et al., 2002)method to identify microorganisms using Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) are published. These are based either on targeted detection one for the respective microorganism characteristic, known substance on their Mass peak in the spectrum (Allmaier et al., 1995) or on the comparative Analysis of reduced (Kallow et al., 2002) or entire mass spectra (Bright et al., 2002)
Die bisher bekannten Verfahren zur Charakterisierung von Mikroorganismen mittels MALDI-TOF MS funktionieren bis zur Speziesebene, weil die Massenspektren verschiedener Spezies in der Regel deutlich voneinander verschieden sind und durch das Auftreten relativ weniger, typischer Peaks charakterisiert werden können.The previously known methods for the characterization of microorganisms using MALDI-TOF MS work up to the species level because the mass spectra of different Species are usually distinct and different from each other the occurrence of relatively fewer, typical peaks can be characterized.
Eine Differenzierung auf Subspeziesebene über bekannte, charakteristische Substanzen über deren Massenpeak im Spektrum setzt voraus, daß für jede Subspezies mindestens eine solche Substanz bekannt ist. Solche Substanzen sind allerdings nur für äußerst wenige Mikroorganismensubspezies bekannt (Hathout et al., 1999; Elhahnany et al., 2001; Hatout et al., 2003; McNall et al., 2003; Whiteaker et al., 2004). Derartige Verfahren sind somit nicht allgemein anwendbar.A Differentiation at subspecies level over known, characteristic Substances over their mass peak in the spectrum implies that for each subspecies at least such a substance is known. Such substances are however only for very few Microorganism subspecies known (Hathout et al., 1999; Elhahnany et al., 2001; Hatout et al., 2003; McNall et al., 2003; Whiteaker et al., 2004). Such methods are thus not generally applicable.
Die vergleichende Analyse der gesamten Massenspektren verschiedener Mikroorganismen ist sehr komplex, da die Spektren viele Informationen enthalten, die mittels geeigneter Verfahren extrahiert werden müssen. Welche Peaks bzw. Peakgruppen für welche taxonomische Ebene charakteristisch sind, lässt sich a priori nicht erkennen bzw. vorhersagen. Auf der Subspeziesebene wurden zwar unterscheidbare Spektren für verschiedene bekannte Bakteriensubspezies beobachtet und diese konnten den jeweiligen Subspezies zugeordnet werden (Bright et al., 2002), aber eine systematische Differenzierung unbekannter Kulturen auf Subspeziesebene wurde bisher nicht beschrieben und ist mit den bisher beschriebenen Verfahren nicht möglich.The comparative analysis of the total mass spectra of various Microorganisms is very complex because the spectra have a lot of information contained, which must be extracted by suitable methods. Which Peaks or groups of peaks for which taxonomic level are characteristic can be do not recognize or predict a priori. At the subspecies level Although distinguishable spectra for various known bacterial subspecies observed and these could be assigned to the respective subspecies (Bright et al., 2002), but a systematic differentiation unknown cultures at subspecies level has not previously been described and is not possible with the methods described so far.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das eine schnelle Differenzierung von Mikroorganismen auf Subspeziesebene ermöglicht. Eine Spezies umfasst alle Organismen, die den gleichen Gattungs- und Artnamen tragen. Verschiedene Spezies differieren typischerweise hinsichtlich ihrer 16S rDNA um mehr als 3%. Umgekehrt sind Subspezies (oder Stämme) Organismen, die den gleichen Gattungs- und Artnamen tragen und sich in ihrer 16S rDNA nur sehr geringfügig, d.h. weniger als 3%, unterscheiden.task The invention is to provide a method which is fast Differentiation of microorganisms at subspecie level allows. A species includes all organisms that belong to the same genus and bear species names. Different species typically differ in terms of its 16S rDNA by more than 3%. Conversely, subspecies (or tribes) Organisms that carry the same genus and species name and themselves in their 16S rDNA only very slightly, i. less than 3%, different.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe gelöst
durch ein Verfahren zur Differenzierung von Mikroorganismen in einer
Probe auf Subspezies-Ebene mittels Matrix Assisted Laser-Desorption/Ionization
Time-of-Flight Massenspektrometrie (MALDI-TOF MS),
wobei
- a. aus der Probe durch Kultivierung auf speziesselektivem Medium Einzelkulturen von Mikroorganismen gewonnen werden, die zur gleichen Spezies gehören,
- b. MALDI-MS-Spektren der aus der Probe gewonnenen Einzelkulturen aufgenommen werden,
- c. durch eine mathematische Ähnlichkeitsanalyse aus MALDI-MS-Referenzspektren von verschiedenen Mikroorganismensubspezies, die zur gleichen Spezies wie die aus der Probe gewonnen Einzelkulturen gehören, die Werte σ1 (Homogenitätsgrenze) und σ2 (Heterogenitätsgrenze) ermittelt werden,
- d. die MALDI-MS-Spektren der aus der Probe gewonnenen Einzelkulturen paarweise miteinander und mit den Referenzspektren durch eine mathematische Ähnlichkeitsanalyse verglichen werden.
in which
- a. obtained from the sample by culturing on species-selective medium individual cultures of microorganisms belonging to the same species,
- b. MALDI-MS spectra of the individual cultures obtained from the sample are recorded,
- c. by means of a mathematical similarity analysis from MALDI-MS reference spectra of different microorganism subspecies belonging to the same species as the individual cultures obtained from the sample, the values σ 1 (homogeneity limit) and σ 2 (heterogeneity limit) are determined,
- d. the MALDI-MS spectra of the individual cultures obtained from the sample are compared in pairs with each other and with the reference spectra by a mathematical similarity analysis.
Wenn die Distanz der Spektren kleiner als σ1 ist, ist die Einzelkultur identisch mit einer Referenzssubspezies bzw. einer anderen aus der Probe gewonnenen Einzelkultur.If the distance of the spectra is smaller than σ 1 , the single culture is identical to a reference subspecies or another single culture obtained from the sample.
Wenn die Distanz zu allen Referenzspektren und zu allen Spektren der anderen aus der Probe gewonnenen Einzelkulturen größer als σ2 ist, ist die Einzelkultur eine neue Subspezies.If the distance to all reference spectra and to all spectra of the other individual cultures obtained from the sample is greater than σ 2 , the single culture is a new subspecies.
Wenn die Distanz der Spektren größer als σ1 und kleiner als σ2 ist, ist die Einzelkultur nahe verwandt mit einer Referenzssubspezies bzw. einer anderen aus der Probe gewonnenen Einzelkultur.If the distance of the spectra is greater than σ 1 and less than σ 2 , the single culture is closely related to a reference subspecies or other single culture derived from the sample.
Die Homogenitätsgrenze σ1 entspricht der maximalen Distanz verschiedener Spektren der gleichen Referenzsubspezies bei Mehrfachmessungen der Referenzsubspezies.The homogeneity limit σ 1 corresponds to the maximum distance of different spectra of the same reference subspecies in multiple measurements of the reference subspecies.
Die Heterogenitätsgrenze σ2 entspricht der kleinsten beobachteten Distanz zwischen Spektren von zwei verschiedenen Referenzsubspezies.The heterogeneity limit σ 2 corresponds to the smallest observed distance between spectra of two different reference subspecies.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Kombination von Anzucht der in der Probe enthaltenen Mikroorganismen auf einem spezies-selektiven Medium, MALDI-TOF MS-Analyse der erhaltenen Einzelkulturen sowie Differenzierung der in der Regel sehr ähnlichen MALDI TOF-MS Spektren mit Hilfe multivariater statistischer Analyse unter Verwendung unterschiedlicher Clustering-Verfahren aus.The inventive method characterized by the combination of cultivation of those contained in the sample Microorganisms on a species-selective medium, MALDI-TOF MS analysis the obtained individual cultures as well as differentiation of the usually very similar MALDI TOF-MS spectra using multivariate statistical analysis using different clustering methods.
Durch geeignete Kultivierungsmethoden wird zunächst erreicht, dass alle aus einer biologischen Probe isolierten Einzelkulturen zur gleichen Spezies bzw. Speziesgruppe gehören. Durch die Kombination von MALDI-TOF MS und geeigneten Verfahren des mathematischen Spektrenvergleiches wird anschließend erreicht, dass die Massenspektren dieser Einzelkulturen trotz ihrer hohen Ähnlichkeiten reproduzierbar und mit angebbarer Trennschärfe auf Subspeziesebene differenziert werden können.By appropriate cultivation methods is first achieved that all off of a biological sample isolated individual cultures at the same time Species or species group. By combining MALDI-TOF MS and suitable procedures the mathematical spectral comparison is then achieved that the mass spectra of these individual cultures, despite their high similarities reproducible and differentiated with specifiable selectivity on subspecies level can be.
Bei der biologische Probe handelt es sich beispielsweise eine menschliche Speichelprobe, eine Plaqueprobe oder eine durch eine Abstrich aus der Mundhöhle gewonnene Probe.at the biological sample is, for example, a human one Saliva sample, a plaque sample or a smear through a swab the oral cavity won sample.
Die in der Probe enthaltenen Mikroorganismen werden zunächst kultiviert. Die Kultivierung erfolgt auf einem Selektivmedium, das das Wachstum einer bestimmten Mikroorganismus-Spezies oder einer Speziesgruppe fördert und das Wachstum möglichst vieler anderer Mikroorganismen hemmt. Ein solches Spezies-selektives Medium ist beispielsweise Mitis- Salivarius Agar mit Bacitrazin. Dieses Kulturmedium ist ein Selektivmedium für humanpathogene Mutans-Streptokokken.The microorganisms contained in the sample are first cultured. The cultivation is carried out on a selective medium that growth of a particular microorganism species or a species group and growth as possible many other microorganisms inhibits. Such a species-selective Medium is for example Mitis Salivarius Agar with bacitrazine. This culture medium is a selective medium for human pathogens Mutans streptococci.
Um zu gewährleisten, dass beispielsweise nur Mikroorganismen massenspektroskopisch untersucht werden, die zur Spezies Streptococccus mutans gehören, werden die durch selektive Kulturbedingungen gewonnenen Einzelkulturen vorzugsweise zusätzlich mittels biochemischer Tests (z.B. die sog. „Bunte Reihe", eine Reihe von Flüssigkulturen zur Ermittlung physiologischer Eigenschaften, z.B. der Bildung von Säuren aus verschiedenen Zuckern, wobei ein positiver Testausfall eine pH-Verschiebung und den Farbumschlag eines zugesetzten Indikators bewirkt) und/oder über ihr Membranfettsäurespektrum (Kato, 1989; Stößer et al., 2000) auf Speziesebene identifiziert.Around to ensure, that, for example, only microorganisms are examined by mass spectroscopy, which belong to the species Streptococcus mutans, which are by selective Culture conditions obtained individual cultures preferably additionally by means of biochemical tests (e.g., the so-called "Colorful Series", a series of liquid cultures for determining physiological properties, e.g. the formation of acids from different sugars, with a positive test failure a pH shift and the color change of an added indicator causes) and / or over their Membranfettsäurespektrum (Kato, 1989; Stößer et al., 2000) at species level.
Zur Aufnahme der MALDI-TOF-MS-Spektren werden geeigneterweise 105 bis 106 Zellen einer Einzelkultur eingesetzt. Liegen nicht genügend Zellen je Einzelkultur vor, ist ein weiterer Kultivierungsschritt in einem selektiven oder auch nicht-selektiven Medium nötig.To accommodate the MALDI-TOF MS spectra, suitably 10 5 to 10 6 cells of a single culture are used. If there are not enough cells per individual culture, a further cultivation step in a selective or non-selective medium is necessary.
Die Zellen werden durch Zentrifugation gesammelt. Die Zellen werden bei Bedarf beispielsweise mit Wasser gereinigt und entweder direkt auf einen MALDI-MS-Probenträger aufgetragen und mit einer geeigneten Matrix-Lösung versetzt oder sie werden erst mit einer Matrix-Lösung versetzt und danach auf einen geeigneten MALDI-MS-Probenträger aufgetragen.The Cells are collected by centrifugation. The cells will be if necessary, for example, cleaned with water and either directly on a MALDI-MS sample carrier applied and mixed with a suitable matrix solution or they are first with a matrix solution and then applied to a suitable MALDI-MS sample carrier.
Als MALDI-Matrix-Lösung wird beispielsweise α-Cyano-4-Hydroxy-Zimtsäure (HCCA) in Acetonitril/0,1 % Trifluor-Essigsäure (TFA) (2:1) eingesetzt. Bevorzugt wird dieselbe Einzelkultur mehrmals auf verschiedenen Positionen auf dem Probenträger aufgetragen.When MALDI-matrix solution For example, α-cyano-4-hydroxy-cinnamic acid (HCCA) in acetonitrile / 0.1% trifluoroacetic acid (TFA) (2: 1). Preferably, the same single culture is repeated several times Positions on the sample carrier applied.
Der MALDI-Probenträger wird in ein geeignetes MALDI-TOF Massenspektrometer (z. B. Bruker Biflex III, N2-laser (Wellenlänge 337 nm, Puls 5 ns, Flugstrecke 1200 mm) eingeführt. Die Messungen werden geeigneterweise im linear positiven Modus (Verzögerung 400ns, Spannung 20 kV) durchgeführt. Die Spektren werden bevorzugt intern kalibriert. Zur Eichung wird z.B. der Peptide Mix (Sigma, Taufkirchen) verwendet.The MALDI sample carrier is inserted into a suitable MALDI-TOF mass spectrometer (eg Bruker Biflex III, N 2 laser (wavelength 337 nm, pulse 5 ns, flight distance 1200 mm).) The measurements are suitably performed in linear positive mode (delay 400ns, voltage 20 kV) The spectra are preferably calibrated internally, eg the Peptide Mix (Sigma, Taufkirchen) is used for the calibration.
Die MALDI-TOF-MS-Spektren werden bevorzugt in einem Massebereich von 2000 bis 20000 Dalton aufgenommen.The MALDI-TOF MS spectra are preferably in a mass range of 2000 to 20,000 daltons recorded.
Von jeder Einzelkultur auf dem Probenträger werden bevorzugt mehrere Einzelspektren aufgenommen, aus denen durch Überlagerung ein MALDI-TOF-MS-Summenspektrum gebildet wird. Besonders vorteilhaft ist es, mindestens sechs MALDI-TOF-MS-Summenspektren, die von derselben Einzelkultur stammen, aber auf unterschiedlichen Positionen auf dem Probenträger aufgetragen wurden, zu einem Superspektrum zu überlagern. Auf diese Weise wird für jede Einzelkolonie ein Superspektrum mit höherer Reproduzierbarkeit erhalten.From each individual culture on the sample carrier are preferably several Single spectra recorded from which by overlay a MALDI-TOF-MS sum spectrum is formed. It is particularly advantageous to have at least six MALDI-TOF-MS sum spectra, the come from the same single culture, but in different positions on the sample carrier were superimposed to superimpose to a super spectrum. In this way is for Each single colony received a superspektrum with higher reproducibility.
Unter den gleichen Bedingungen werden auch MALDI-TOF-MS-Superspektren von mehreren bekannten Subspezies der betreffenden Mikroorganismen als Referenz aufgenommen. Die Referenzmikroorganismen gehören zur gleichen Spezies wie die aus der biologischen Probe isolierten Einzelkulturen. Zur Differenzierung von Subspezies von S. mutans in einer biologischen Probe eigen sich beispielsweise die Subspezies von S. mutans wie Ingbritt, JB 1600, NCTC 10449, OMZ 125, GS 5, SE 11, OMZ 175, LM 7 oder QP 50-1 als Referenz.Under the same conditions are also used for MALDI-TOF-MS super spectra of several known subspecies of the microorganisms in question added as a reference. The reference microorganisms belong to the same species as isolated from the biological sample individual cultures. Differentiation of subspecies of S. mutans in a biological Sample, for example, the subspecies of S. mutans like Ingbritt, JB 1600, NCTC 10449, OMZ 125, GS 5, SE 11, OMZ 175, LM 7 or QP 50-1 for reference.
Vorzugsweise werden für jede Referenzsubspezies mehrere, besonders bevorzugt mindestens zwei unabhängige Superspektren ermittelt.Preferably be for each reference subspecies more, more preferably at least two independent Superspektren determined.
Aus
den erhaltenen Superspektren werden Peaklisten erstellt. Die Peaklisten
werden auf geeignete Weise transformiert, z.B. log-transformiert.
Peaks gleicher Masse/Ladung innerhalb der unterschiedlichen Superspektren
werden ermittelt, indem vorzugsweise ein Masse-Fenster entlang der
x-Achse (m/z) der Superspektren geführt. Das Zentrum dieses Massen-Fensters
repräsentiert
die mittlere Position der vergleichbaren Peaks in allen untersuchten
Spektren. Die Fenster-Breite wird durch die Präzision der experimentellen
m/z-Bestimmung bestimmt. Ein linearer Zusammenhang zu m/z wird angenommen.
Somit resultiert:
Das Masse-Fenster wird jedem Masse-Peak zugeordnet. Fenster, die in unterschiedlichen Superspektren dieselben Peaks enthalten, werden zusammengefasst. Diese Peaks werden durch ihr mittleres m/z und ihre mittlere Intensität repräsentiert. Überlappende Fenster werden mit der halben Fenster-Weite aufgelöst.The Mass window is assigned to each mass peak. Windows in different superspectra containing the same peaks summarized. These peaks are indicated by their mean m / z and their medium intensity represents. overlapping Windows are resolved with half the window width.
Durch das beschriebene Verfahren wird beispielsweise eine Matrix ηij konstruiert. Ihre Zeilen i werden durch die mittleren Peak-Massen, ihre Spalten j durch das jeweilige Superspektrum bestimmt. Bei Abwesenheit eines Peaks in einem Superspektrum wird ηij = 0 angenommen.By the method described, for example, a matrix η ij is constructed. Their lines i are determined by the middle peak masses, their columns j by the respective superspec spectrum. In the absence of a peak in a superspec spectrum, η ij = 0 is assumed.
Die Ähnlichkeit der Superspektren wird vorzugsweise durch eine Euklidische Distanzmatrix dargestellt.The similarity the superspectral spectrum is preferably given by a Euclidean distance matrix shown.
Der Euklidische Distanzkoeffizient dmn vergleicht zwei Superspektren m und n, und wird definiert als: ηkj stellt die Intensität des idealisierten Peak k im Spektrum j dar, wkmn ist ein Maß dafür, ob die k-te Peak Masse in einem Spektrum einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Unter Berücksichtigung einer variablen Anzahl Peaks je Superspektrum wird der Distanzkoeffizient dmn korrigiert: wobei nm und nn die Anzahl der Peaks in den normalisierten Superspektren m und n darstellen, die einen vorgegebenen Grenzwert überschreiten. Diese Korrektur ist entscheidend, um den Einfluss der unterschiedlichen Anzahl Peaks je Superspektrum auszugleichen.The Euclidean distance coefficient d mn compares two super spectra m and n, and is defined as: η kj represents the intensity of the idealized peak k in the spectrum j, w kmn is a measure of whether the k-th peak mass in a spectrum exceeds a predetermined limit. Taking into account a variable number of peaks per super spectrum, the distance coefficient d mn is corrected: where n m and n n represent the number of peaks in the normalized super spectra m and n that exceed a predetermined threshold. This correction is crucial to compensate for the influence of the different number of peaks per superspace.
Aus der Distanzmatrix der mehrfach bestimmten Referenzsupersspektren der Subspezies einer Spezies werden zwei Distanzmaße, σ1 und σ2 ermittelt: σ1 entspricht der maximalen Distanz zwischen Mehrfachmessungen der Referenzsubspezies und ist ein Maß für die minimale auflösbare Distanz zweier Subspezies (Homogenitätsgrenze). Das bedeutet, Isolate, deren Superspektren zueinander eine Distanz kleiner σ1 aufweisen, können nicht differenziert werden und müssen folglich als identisch angesehen werden.Two distance measures, σ 1 and σ 2, are determined from the distance matrix of the multiply determined reference super spectra of the subspecies of a species: σ 1 corresponds to the maximum distance between multiple measurements of the reference subspecies and is a measure of the minimum resolvable distance of two subspecies (Homogeneity limit). This means that isolates whose super-spectra have a distance smaller than σ 1 to one another can not be differentiated and must therefore be regarded as identical.
σ2 entspricht der kleinsten beobachteten Distanz zwischen Superspektren von zwei als verschieden bekannten Subspezies einer Spezies (Heterogenitätsgrenze). Dann werden σ2 und σ1 miteinander verglichen. Die Methode ist nur valide, wenn σ2 größer oder gleich σ1 ist.σ 2 corresponds to the smallest observed distance between superspec- tive spectra of two differently known subspecies of a species (heterogeneity limit). Then, σ 2 and σ 1 are compared with each other. The method is only valid if σ 2 is greater than or equal to σ 1 .
Ein Vergleich der Distanzen der Superspektren der Einzelkulturen mit den Superspektren von Referenzsubspezies, die zu anderen Spezies gehören, erlaubt vorteilhaft eine Überprüfung der korrekten Zuordnung der Einzelkultur zu der zu untersuchenden Spezies.One Comparison of the distances of the super spectra of the individual cultures with the superspectral spectra of reference subspecies to other species belong, allows a favorable review of the correct assignment of the individual culture to the species to be examined.
Zur Subspezies-Populationsanalyse biologischer Proben, aus denen Einzelkulturen einer Spezies gewonnen wurden, werden die Superspektren der Einzelkulturen zunächst einem paarweisen Vergleich miteinander und mit den Superspektren der bereits bekannten Referenz-Subspezies unterzogen. Im Anschluss wird bevorzugt eine globale Ähnlichkeitsanalyse durchgeführt.to Subspecies population analysis of biological samples from which single cultures of a species are obtained, the superspectrics of the individual cultures first a pairwise comparison with each other and with the super spectra the already known reference subspecies subjected. Following is preferred a global similarity analysis carried out.
Für jede Einzelkultur wird dabei geprüft, ob ihr Superspektrum zu dem eines der Referenzsubspezies eine Distanz kleiner σ1 aufweist. Ist die Distanz kleiner als σ1, ist die Einzelkultur mit der jeweiligen Referenzsubspezies identisch.For each individual culture, it is checked whether their superspec spectrum has a distance smaller than σ 1 to that of one of the reference subspecies. If the distance is smaller than σ 1 , the individual culture is identical to the respective reference subspecies.
Trifft dies nicht zu, wird geprüft, ob die Superspektren jeweils zweier Einzelkulturen zueinander eine Distanz kleiner σ1 aufweisen. Dann sind sie miteinander identisch und werden in der weiteren Analyse durch ihr Zentroid ersetzt. Das Zentroid ist der Mittelpunkt des durch die Massenpeaks der beiden Spektren definierten vieldimensionalen Raums. Das Zentroid ist ein idealisiertes Spektrum, das alle Massen enthält, die in beiden Spektren auftreten. Jeder dieser Massen wird eine Intensität zugeordnet, die sich als Mittelwert der Intensitäten für diese Masse errechnet.If this is not true, it is checked whether the superspectra of each of two individual cultures to each other have a distance smaller σ 1 . Then they are identical to each other and will be replaced by their centroid in further analysis. The centroid is the midpoint of the multidimensional space defined by the mass peaks of the two spectra. The centroid is an idealized spectrum that contains all the masses that occur in both spectra. Each of these masses is assigned an intensity that is calculated as the average of the intensities for that mass.
S1 S2 seien 2 Spektren, die ein Cluster bilden.Let S 1 S 2 be 2 spectra forming a cluster.
m1.....mn seien die Massen aller Peaks, die in S1 und S2 auftreten.Let m 1 ..... m n be the masses of all peaks occurring in S 1 and S 2 .
ξξi,j (i=1..n,j=1:2) ist die Matrix der Intensitäten.ξξ i, j (i = 1..n, j = 1: 2) is the matrix of intensities.
Die Intensität zur Masse i für das Zentroid erhält man entsprechend als Mittelwert der Intensitäten in den Spalten 1 bis 2.The intensity to earth i for the centroid gets one accordingly as the average of the intensities in columns 1 to 2.
Für Superspektren und Zentroide von Isolaten, die weder mit einem der Referenzstämme noch mit einem weiteren Isolat identisch sind, wird geprüft, ob ihre Distanz zu allen vorhandenen Superspektren und Zentroiden größer als σ2 is. Ist dies der Fall, wird das Isolat als neue Subspezies erfaßt.For superspectrums and centroids of isolates that are not identical to one of the reference strains or to another isolate, it is checked whether their distance to all available super spectra and centroids is greater than σ 2 . If this is the case, the isolate is detected as new subspecies.
Ist die Distanz des Superspektrums eine Einzelkultur zu einem Superspektrum einer anderen Einzelkultur bzw. dem einer Referenzsubspezies zwischen σ1 und σ2, wird die Einzelkultur als mit der anderen Einzelkultur bzw. der Referenzsubspezies „nahe verwandt, möglicherweise identisch" erfaßt.If the distance of the superspectral spectrum is a single culture to a superspec spectrum of another single culture or of a reference subspecies between σ 1 and σ 2 , the single culture is considered to be "closely related, possibly identical" to the other single culture or reference subspecies.
Die Distanzmatrix erlaubt einerseits einen paarweisen Vergleich der Spektren von Referenzsubspezies oder Einzelkulturen unter Angabe eines quantitativen Ähnlichkeitsmaßes und bildet andererseits die Basis zur Anwendung unterschiedlicher Clustering-Verfahren, bevorzugt hierarchisches Clustering, K-means Clustering, Fuzzy Clustering und Quantum Clustering (Hoppner et al., 1999; Hastie et al., 2003, Horn & Axel, 2003). Diese Verfahren dienen dazu, die Ähnlichkeitsbeziehungen aller untersuchten Subspezies zueinander gleichzeitig zu erfassen.The Distance matrix allows on the one hand a pairwise comparison of the Spectra of reference subspecies or single cultures with indication a quantitative similarity measure and on the other hand forms the basis for the application of different clustering methods, prefers hierarchical clustering, K-means clustering, fuzzy clustering and quantum clustering (Hoppner et al., 1999; Hastie et al., 2003, Horn & Axel, 2003). These procedures serve the similarity relationships of all investigated subspecies to capture each other simultaneously.
Vorzugsweise werden die nach dem paarweisen Vergleich verbliebenen Superspektren bzw. Zentroide der Einzelkulturen nun gemeinsam mit denen der Referenzsubspezies mittels unterschiedlicher Verfahren der Clusteranalyse hinsichtlich ihrer phänotypischen Ähnlichkeiten charakterisiert. Mittels hierarchischem Clustering, K-means clustering oder Quantum Clustering wird das Superspektrum jeder Einzelkultur bzw. jedes Zentroid eindeutig einem Cluster zugeordnet.Preferably, the superspeciences or centroids of the individual cultures remaining after the pairwise comparison are now characterized together with those of the reference subspecies by means of different methods of cluster analysis with regard to their phenotypic similarities. By means of hierarchical Clustering, K-means clustering or quantum clustering, the super-spectrum of each individual culture or centroid is clearly assigned to a cluster.
Die Distanzmatrix wird beispielsweise durch agglomeratives hierarchisches Clustering mittels der "farthest neighbor"-Methode, die auf der maximalen Distanz zwischen den Superspektren basiert, analysiert (Hastie et al., 2003). Um die Qualität des Clusterings zu bewerten werden Cophenetic-Korrelationskoeffizienten zwischen den einzelnen Clustern berechnet. Die Ergebnisse werden als korrekt betrachtet, wenn die Distanzen zwischen den Superspektren innerhalb der Cluster mit den Distanzen, die in der Distanzmatrix dmn errechnet wurden, korrelieren. Niedrige Werte des Cophenetic-Korrelationskoeffizienten werden als Artefakte ausgeschlossen. Die Ergebnisse werden in Dendrogrammen dargestellt.For example, the distance matrix is analyzed by agglomerative hierarchical clustering using the farthest neighbor method, which is based on the maximum distance between the superspectrons (Hastie et al., 2003). To assess the quality of clustering, Cophenetic correlation coefficients are calculated between the individual clusters. The results are considered correct if the distances between the super spectra within the clusters correlate with the distances calculated in the distance matrix d mn . Low values of the cophenetic correlation coefficient are excluded as artifacts. The results are displayed in dendrograms.
Beim Quantum clustering z.B. wird die Matrix in einem ersten Schritt in Eigenvektoren und Eigenwerte umgewandelt. Danach wird vorzugsweise die „Singular Value Decomposition" Methode angewendet. Für die Reduktion der Matrix werden lediglich die bestimmenden Eigenwerte verwendet. Durch dieses Verfahren können die Superspektren durch Vektoren in einem Raum geringerer Dimensionalität ersetzt werden. Der Parameter σ welcher die relative Cluster Größe charakterisiert, wird auf empirischer Basis angepasst. Die Methode ermittelt eine variable Anzahl Cluster und ordnet jedes Superspektrum zu genau einem von ihnen hinzu. Die Zuverlässigkeit der Methode wird durch Kreuzvalidierung mittels "jack-knife testing" (Auslassen eines Wertes) überprüft.At the Quantum clustering e.g. becomes the matrix in a first step converted into eigenvectors and eigenvalues. Thereafter, preferably the "singular Value Decomposition "method applied. For the reduction of the matrix only becomes the determining eigenvalues used. Through this method, the superspectrons can pass through Vectors in a space of lesser dimensionality are replaced. The parameter σ which characterizes the relative cluster size, is adjusted on an empirical basis. The method determines a variable number of clusters and assigns each superspectrum to exactly to one of them. The reliability of the method is through Cross-validation by means of "jack-knife testing "(omitting of a value).
Zusätzlich durchgeführtes Fuzzy Clustering erlaubt für jede Einzelkultur die Wahrscheinlichkeit der korrekten Zuordnung zu ermitteln. In allen Fällen dient die Stabilität der Zusammenhänge zwischen den Referenzsubspezies als interne Kontrolle. Die Verteilung der Superspektren der Einzelkulturen auf verschiedene Cluster, deren Distanz und innere Struktur bilden die Basis der Differenzierung der Subspezies sowohl hinsichtlich der individuellen Eigenschaften jeder einzelnen Einzelkultur als auch hinsichtlich der Populationsstruktur aller Einzelkulturen aus einer biologischen Probe.Additionally performed fuzzy Clustering allowed for each individual culture the probability of correct assignment to investigate. In all cases serves stability the connections between the reference subspecies as an internal control. The distribution the superspectrons of the individual cultures on different clusters, whose Distance and inner structure form the basis of differentiation Subspecies both in terms of individual properties each individual culture as well as the population structure of all individual cultures from a biological sample.
Bevorzugt wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Differenzierung auf Subspezieseben bei pathogenen Bakterien, beispielsweise oralen Bakterien wie Streptokokken, angewendet. Besonders bevorzugt ist die Verwendung des Verfahrens zur Differenzierung von Mutans-Streptokokken, insbesondere zur Differenzierung von Subspezies der Spezies Streptococcus mutans oder Streptococcus sobrinus.Prefers becomes the method according to the invention for differentiation to subspecies subsidence in pathogenic bacteria, For example, oral bacteria such as streptococci, applied. Especially preferred is the use of the method of differentiation of mutans streptococci, in particular for the differentiation of subspecies of the species Streptococcus mutans or Streptococcus sobrinus.
Das Verfahren eignet sich ebenfalls zur Differenzierung von einzelligen Pilzen, wie oralen Pilzen. Beispielsweise kann das Verfahren zur Differenzierung von Subspezies von Candida albicans eingesetzt. Dabei kann als Selektivmedium „Chromagar Candida" (Mast Diagnostica GmbH, Reinfeld) eingesetzt werden.The Method is also suitable for the differentiation of unicellular Mushrooms, like oral mushrooms. For example, the method can be used for Differentiation of subspecies of Candida albicans used. It can be used as a selective medium "Chromagar Candida "(Mast Diagnostica GmbH, Reinfeld).
Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.Based an embodiment the invention will be closer explained.
Ausführungsbeispiel 1Embodiment 1
Differenzierung von aus menschlichem Speichel gewonnenen Subspezies-Isolaten von Streptococcus mutansDifferentiation from subspice isolates of Streptococcus recovered from human saliva mutans
Zur Differenzierung von Subspezies-Isolaten von Streptococcus mutans aus menschlichem Speichel werden folgende Schritte durchgeführt:to Differentiation of subspecies isolates of Streptococcus mutans from human saliva following steps are performed:
1. Kultivierung der Referenz-Subspezies von Streptococcus mutans1. Cultivation of the reference subspecies of Streptococcus mutans
Die Referenzstämme Ingbritt, JB 1600, NCTC 10449, OMZ 125, GS 5, SE 11, OMZ 175, LM 7, QP 50-1 von S. mutans werden auf Mitis-Salivarius Agar mit Bacitrazin (MSB, Difco) einem Selektivmedium für humanpathogene Mutans-Streptokokken, bei 37 °C kultiviert.The reference strains Ingbritt, JB 1600, NCTC 10449, OMZ 125, GS 5, SE 11, OMZ 175, LM 7, QP 50-1 from S. mutans are on Mitis-Salivarius agar with Bacitrazin (MSB, Difco) a selective medium for human pathogenic mutans streptococci, at 37 ° C cultured.
2. Kultivierung der in der biologischen Probe enthaltenen Mikroorganismen2. Cultivation of in the biological sample contained microorganisms
Jede der 10 Testpersonen kaut ca. 1 Minute auf einem handelsüblichen Paraffinblock für Speicheltests und sammelt den entstehenden Speichel. Eine Menge von 0,1-1 ml Speichel wird auf Mitis-Salivarius Agar mit Bacitrazin, einem Selektivmedium für humanpathogene Mutans-Streptokokken, ausgestrichen und bei 37° C für 24-48 Stunden inkubiert.each The 10 test persons chew about 1 minute on a commercial Paraffin block for Saliva tests and collects the resulting saliva. A lot 0.1-1 ml of saliva is added to Mitis-Salivarius Agar with Bacitrazin, a selective medium for human pathogenic mutans streptococci, streaked and incubated at 37 ° C for 24-48 Incubated for hours.
Die Isolate werden mittels biochemischer Tests (bunte Reihe) und über ihr Membranfettsäurespektrum untersucht. Isolate, die zur Spezies S. mutans gehören, werden massenspektrometrisch untersucht.The Isolates are determined by means of biochemical tests (colorful series) and above it Membrane fatty acid spectrum examined. Isolates belonging to the species S. mutans become mass spectrometric examined.
3. Probenvorbereitung für MALDI-TOF-MS3. Sample preparation for MALDI-TOF-MS
Einzelne Zellkolonien der S. mutans Referenzstämme und der Isolate aus der Mundhöhle werden vorsichtig ein bis zwei mal in gereinigtem Wasser gewaschen. Die Kolonien werden in frisch präparierte MALDI-Matrix-Lösung (α-Cyano-4-Hydroxy-Zimtsäure, (HCCA) in Acetonitril/0,1 % Trifluor-Essigsäure (TFA) (2: 1)) gegeben. 1 μl dieser Suspension wird auf einen MALDI-Probenträger gegeben und getrocknet. Die Probe wird mit 5 μl 0,1 % TFA gewaschen, um Salz und eventuell vorhandene Reste des Kulturmediums herauszulösen. Die Probe wird unter Verwendung von Acetonitril/0,1 % TFA (2:1) rekristallisiert.Separate Cell colonies of S. mutans reference strains and isolates from oral cavity are carefully washed one to two times in purified water. The colonies are freshly prepared MALDI-matrix solution (α-cyano-4-hydroxy-cinnamic acid, (HCCA) in acetonitrile / 0.1% trifluoroacetic acid (TFA) (2: 1)). 1 μl of this Suspension is placed on a MALDI sample carrier and dried. The sample is filled with 5 μl 0.1% TFA washed to salt and any residues of the Culture medium dissolve. The Sample is recrystallized using acetonitrile / 0.1% TFA (2: 1).
Alternativ können die Zellen auch direkt auf einen Probenträger gebracht werden und auf diesem mit MALDI-Matrix-Lösung versetzt werden. Das weitere Vorgehen erfolgt wie bereits beschrieben.alternative can The cells are also placed directly on a slide and on this with MALDI matrix solution be offset. The further procedure is carried out as already described.
Es werden mehrere Proben von ein und derselben Kolonie aufgetragen (mehrere Spots).It several samples are applied from one and the same colony (several spots).
4. Aufnahme der MALDI-TOF-Massenspektren4. Recording the MALDI-TOF mass spectra
Der MALDI-Probenträger wird in ein MALDI-TOF Massenspektrometer (Bruker Biflex III, N2-laser (Wellenlänge 337 nm, Puls 5 ns, Flugstrecke 1200 mm) eingeführt. Die Messungen werden im linear positiven Modus (Verzögerung 400 ns, Spannung 20 kV, Massenbereich: 2000 bis 20000 Dalton) durchgeführt. Je Probenspot werden insgesamt 120 Schüsse (4 Aufnahmezyklen zu je 30 Schüssen) appliziert.The MALDI sample carrier is introduced into a MALDI-TOF mass spectrometer (Bruker Biflex III, N 2 laser (wavelength 337 nm, pulse 5 ns, flight distance 1200 mm).) The measurements are in linear positive mode (deceleration 400 ns, voltage 20 kV , Mass range: 2000 to 20,000 daltons) For each sample spot, a total of 120 shots (4 picking cycles of 30 shots each) are applied.
Zur Eichung wird je ein Peptid-Mix (Sigma, Taufkirchen) benutzt (Somatostatin 28 (synthetisch, M+H+ = 3148.0 Dalton), Insulin (Rinderpankreas, M+H+ = 5733.5 Dalton), Cytochrom C (Pferdeherz, M+H+ = 12360.0 Dalton) und Myoglobin (Pferdeherz, M+H+ 16951.0 Dalton). Die Spektren werden intern kalibriert.For calibration, a peptide mix (Sigma, Taufkirchen) is used (somatostatin 28 (synthetic, M + H + = 3148.0 daltons), insulin (bovine pancreas, M + H + = 5733.5 daltons), cytochrome C (horse heart, M + H + = 12360.0 daltons) and myoglobin (equine heart, M + H + 16951.0 daltons) The spectra are calibrated internally.
Es werden mehrere Summenspektren von unterschiedlichen Spots der gleichen Probe aufgenommen. Sechs der Summenspektren werden übereinandergelagert, um Superspektren höherer Reproduzierbarkeit zu erhalten.It become multiple sum spectra of different spots of the same Sample taken. Six of the sum spectra are superimposed, higher spectra To obtain reproducibility.
Von diesen Superspektren werden 120 Masse/Ladungspeaks erfasst. Listen, welche die Masse/Ladungspeaks und ihre Intensitäten enthalten, werden als ASCII Dateien in das Programm MatLab 6.5 (The MathWorks Inc., Natick, U.S.A.) exportiert. Alle weiteren Verfahrensschritte werden unter Nutzung der entsprechenden MATLAB-Funktionen computergestützt ausgeführt.From 120 mass / charge peaks are detected in these superspectrons. lists which contain the mass / charge peaks and their intensities are called ASCII Files into the MatLab 6.5 program (The MathWorks Inc., Natick, U.S.A.). All further steps are under Using the corresponding MATLAB functions computer-aided execution.
5. Klassifizierung und Identifizierung von Peaks in Superspektren5. Classification and Identification of peaks in super spectra
Die Peak-Intensitäten jedes Superspektrums werden log-transformiert, mittels eines „Loess smoothers" wird die Basislinie festgelegt.The Peak intensities every superspeed is log-transformed by means of a "Loess smoothers " set the baseline.
Zum
Vergleich unterschiedlicher Superspektren wird ein Masse-Fenster
entlang der x-Achse (m/z) geführt.
Das Zentrum dieses Massen-Fensters repräsentiert die mittlere Position
der vergleichbaren Peaks in allen untersuchten Spektren. Die Fenster-Breite
wird durch die Präzision
der experimentellen m/z-Bestimmung bestimmt. Ein linearer Zusammenhang
zu m/z wird angenommen. Somit resultiert:
Für die Fenster-Breite wurden 3 Da, für die relative Breite 2 e-4 ermittelt. Das Masse-Fenster wird jedem Masse-Peak zugeordnet. Fenster, die in unterschiedlichen Superspektren dieselben Peaks enthalten, werden zusammengefasst. Diese Peaks werden durch ihr mittleres m/z und ihre mittlere Intensität repräsentiert. Überlappende Fenster werden mit der halben Fenster-Weite aufgelöst.For the window width 3 Da, for the relative width 2 e -4 were determined. The mass window is assigned to each mass peak. Windows containing the same peaks in different super spectra are combined. These peaks are represented by their mean m / z and their mean intensity. Overlapping windows are resolved with half the window width.
Durch das beschriebene Verfahren wird eine Matrix ηij konstruiert. Ihre Zeilen werden durch die mittleren Peak-Massen, ihre Spalten durch das jeweilige Superspektrum bestimmt. Bei Abwesenheit eines Peaks in einem Superspektrum wurde ηij = 0 angenommen. Eine typische Matrix enthält also 100-200 Zeilen. Die Anzahl der Spalten ist gleich der Anzahl der analysierten Superspektren.The described method constructs a matrix η ij . Their lines are determined by the middle peak masses, their columns by the respective superspec spectrum. In the absence of a peak in a superspec spectrum, η ij = 0 was assumed. A typical matrix contains 100-200 lines. The number of columns is equal to the number of superspectrons analyzed.
6. Erstellen der Distanzmatrix und Analyse der Distanzmatrix unter Verwendung verschiedener Clustering-Verfahren6. Create the distance matrix and analysis of the distance matrix using various clustering methods
Die Ähnlichkeit
der Superspektren der Referenzsubspezies wird durch eine Euklidische
Distanzmatrix dargestellt. Die Distanzmatrix wird unter Verwendung
verschiedener Clustering-Verfahren (Hierarchisches Clustering und
Qantum Clustering) analysiert. Die Ergebnisse für das Clustering der Superspektren
der Referenzstämme
sind in
Von
jeder Referenzsubspezies wurden zwei unabhängige Superspektren ermittelt:
untere horizontale Linie: σ1, maximale Distanz der Doppelbestimmung einer Subspezies obere horizontale Linie: σ2, minimale Distanz zweier verschiedener Subspezieslower horizontal line: σ 1 , maximum distance of the double determination of a subspecies upper horizontal line: σ 2 , minimum distance of two different subspecies
Die Subspezies der Spezies S. mutans zeigen unterschiedliche Ähnlichkeiten, die jedoch geringer sind (höhere Differenzen) als die größten Differenzen, die zwischen Doppelbestimmungen eines Stammes beobachtet wurden.The Subspecies of the species S. mutans show different similarities, however, they are lower (higher Differences) than the largest differences, observed between duplicate determinations of a strain.
7. Subspeziesdifferenzierung von Isolaten7. Subspecies differentiation of isolates
Die
Analyse der Superspektren der S. mutans Isolate auf Subspezies-Ebene
basiert auf der Reproduzierbarkeit der Messungen an den S. mutans
Referenzstämmen.
In einem ersten Schritt wurden zunächst alle S. mutans Isolate jedes Probanden separat analysiert. Unter Verwendung von σ1 als Schranke konnte die maximale Zahl verschiedener Subspezies je Proband bestimmt werden. Mit σ2 als Schranke konnten je Proband zwischen einem und 4 sicher verschiedene Subspezies ermittelt werden (siehe Tabelle 1).In a first step, all S. mutans isolates of each subject were analyzed separately. Using σ 1 as a barrier, the maximum number of different subspecies per subject could be determined. With σ 2 as a barrier between 1 and 4 different subspecies could be determined for each subject (see Table 1).
Tabelle 1: Ergebnis der Populationsanalyse der klinischen S. mutans Isolate aller 10 Probanden auf Subspezies-Ebene. Table 1: Result of the population analysis of clinical S. mutans isolates of all 10 subjects at subspecies level.
Mit σ1 als Schranke konnten Isolate verschiedener Probanden als phänotypisch ununterscheidbar, und damit im Rahmen der verwendeten Methode als „phänotypisch identisch", erkannt werden (hier sind Subspezies a aus Proband 3 (P 3-a) und Subspezies a aus Proband 6 (P 6-a) identisch sowie Subspezies a aus Proband 6 (P 6-a) und Subspezies a aus Proband 5 (P 5-a)).With σ 1 as a barrier isolates of different subjects could be identified as phenotypically indistinguishable, and thus within the scope of the method used as "phenotypically identical" (here are subspecies a from subject 3 (P 3-a) and subspecies a from subject 6 (P 6-a) identical as well as subspecies a from subject 6 (P 6-a) and subspecies a from subject 5 (P 5-a)).
Mit σ2 als Schranke konnten mindestens 14 sicher verschiedene Subspezies in den 10 Probanden unterschieden werden.With σ 2 as a barrier it was possible to distinguish at least 14 distinct subspecies in the 10 subjects.
Distanzen
zwischen σ1 und σ2 wurden für drei Gruppen von Isolaten
gefunden (P 3-a/P 6-a, P 1-a/P 5-a, P 9-a; P 4-a, P 6-b; P 1-b,
P 8-a, P 7-a, P 2-a, P 3-c; siehe
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