Rapid detection of gastrointestinal pathogens in water using the FilmArray® system

Abstract

We investigated the capabilities of the FilmArray gastrointestinal panel to detect bacterial and parasitical agents in contaminated river water. The FilmArray system is based upon molecular methods using a nested multiplex PCR to detect a predefined range of pathogens (virus, bacteria, parasites, yeasts, biotoxins) depending on the detection panel selected. The FDA has currently approved five of the panels for use in clinical diagnostics: respiratory – EZ and RP2; blood culture identification; meningitis encephalitis; and gastrointestinal. In addition to these panels FilmArray also has a Biothreat panel that FFI uses as part of the screening process at our CBRE laboratory. FilmArray uses a simple short sample preparation step prior to the pouch being inserted into the analytical instrument. Analysis time per sample is just 1 hour. We wanted to compare FilmArray’s gastrointestinal panel against standard methods for detecting waterborne pathogens causing gastroenteritis. We carried out all the experiments using Campylobacter jejuni, Yersinia enterocolitica, Giardia duodenalis and Cryptosporidium parvum. These agents were chosen because they are zoonotic (can infect animals and people) as well as being known causes of waterborne disease outbreaks in the Nordic region and further afield. Standard culture-based detection and identification methods for these agents require laboratory personnel with considerable experience and knowledge of the different methods used for each pathogen given that these methods are not straightforward and have long turnaround times (more than 24 hours in some cases). We contaminated autoclaved surface water, obtained from a local river, with low and high levels of the four biological agents. We then compared detection sensitivity between the different methods. Moreover, FilmArray was able to detect the pathogens at the concentrations used in this study when samples were subject to filtration prior to analysis. However, the sample size investigated needs to be increased. FilmArray has the benefit of simpler sample preparation and shorter analysis times compared to the conventional methods tested. The next step would be to carry out further work on a wider range of sample concentrations using a sufficiently large sample size to ensure that statistically significant limits of detection could be ascertained. Another question to be addressed is whether FilmArray will work as well in the field under less ideal conditions compared to its performance on a laboratory bench. This will establish whether this analytical tool would be appropriate for use in a deployable laboratory unit to support food safety controls as well as epidemiological investigations of disease outbreaks. FilmArray is a simple-to-use analysis system capable of simultaneously detecting multiple pathogens in complex samples. This makes it ideal for rapid screening in cases where time and or resources are limited with regard to sample preparation and analysis.

Vi har gjort innledende undersøkelser av ytelsen til multiplex PCR-systemet FilmArray med tanke på hurtig påvisning av gastrointestinale («mage-tarm») parasitter og bakterier i forurenset elvevann. FilmArray-systemet baserer seg på gjenkjennelse av nukleinsyrer (nestet multiplex PCR) som er spesifikke for et forhåndsdefinert sett med 15–25 utvalgte patogener (bakterier, virus, parasitter). Ulike testreagenser (paneler) er utviklet for ulike diagnostiske formål og med ulike typer klinisk prøvemateriale, herunder luftveispanelet (respiratory panel), blodpanelet (blood culture identification panel), hjernepanelet (meningitis encephalitis panel) og mage-tarm-panelet (gastrointestinal panel). Videre finnes det et eget panel for påvisning av høypatogene biotrussel-agens i miljøprøver (biothreat panel) som benyttes rutinemessig ved FFIs CBRElaboratorium. I vår studie ble mage-tarm-panelet til FilmArray sammenliknet med konvensjonelle standardmetoder. Alle testene i studien ble utført med to bakteriearter (Yersinia enterocolitica og Campylobacter jejuni) og to parasittarter (Giardia lamblia og Cryptosporidium parvum). Agensene har flere fellestrekk: De smitter mellom dyr og mennesker (zoonotiske), de er krevende å påvise med standard metodikk og de er hyppig årsak til utbrudd av næringsmiddelbåren mage-tarm-sykdom hos mennesker. Vi gjennomførte tester på forurenset overflatevann fra Nitelva. Vannet ble kontaminert med to ulike (høy/lav) konsentrasjoner av de fire utvalgte agensene. Deretter utførte vi sammenliknende eksperimenter med ulike metoder for prøvepreparering og analyse. Resultatene viste at FilmArray overveiende hadde like god påvisningsevne sammenliknet med de konvensjonelle metodene og ved de aktuelle konsentrasjonene som ble benyttet. En utvidet studie med bruk av flere paralleller og konsentrasjoner vil være nødvendig for å fastsette statistisk gyldige deteksjonsgrenser. Videre vil det være relevant å undersøke hvor egnet instrumentet er under mer primitive feltforhold og som del av flyttbare laboratorier i forbindelse med næringsmiddelkontroll, diagnostikk og utbruddsoppklaring. FilmArray er et enkelt analysesystem for direkte påvisning av multiple biologiske agens i komplekse prøver ved at den integrerer prøvepreparering, DNA/RNA-ekstraksjon, amplifisering og analyse i et enkelt og lukket system. Dette har klare fordeler dersom en har behov for hurtig screening av en prøve for multiple agens og har begrenset med infrastruktur til prøvepreparering.