Chips de diagnóstico

O chips de diagnóstico, são um caso particular desta tecnologia de hibridação de ácidos nucleicos porque, ao contrário dos estudos da expressão de genes, não há necessidade de se recorrer a duas amostras marcadas (condição e controlo) para a obtenção dos resultados, mas apenas a uma. Esta variante permite determinar a presença de uma dada espécie microbiana ou de um vírus numa amostra, unicamente pela detecção de sondas específicas para cada espécie ou tipo de vírus. Deste modo, a análise do chip é realizada num modo binário, tendo em conta a presença ou ausência de sinal nos pontos identificativos de uma espécie. A presença de sinal indica que ocorreu hibridação entre a sonda e a amostra marcada, logo a espécie encontra-se presente (Figura 11).

Figura 11 – Exemplo esquemático do funcionamento de um chip de diagnóstico capaz de identificar as espécies Candida albicans e Aspergillus fumigatus em amostras clínicas. O chip é desenhado com um conjunto de sondas específicas para cada espécie e um conjunto de sondas de controlo. Após a incubação do

chip com uma amostra, é possível verificar quais as espécies contaminantes nela presentes através do sinal

dos pontos de hibridação correspondentes.

A selecção do tipo de sondas a colocar em cada ponto de hibridação é um dos factores fundamentais na capacidade de diagnóstico de um chip de DNA. Na maioria dos estudos, as sequências escolhidas têm necessariamente que ser específicas, ou seja, a ordem exacta de nucleótidos apenas pode ser encontrada no genoma de uma única espécie. Este factor pode ser considerado em absoluto (para todas as espécies existentes e com sequências nucleotídicas conhecidas) ou de forma relativa (considerando apenas as espécies em estudo, ou um grupo taxonómico particular). Se a sonda não for específica, pode ocorrer hibridação cruzada com sequências de outras espécies levando à observação de falsos positivos. Outros factores condicionantes são igualmente tidos em conta no desenho das sondas, como a sua extensão e composição, a temperatura de fusão de cada sequência ou a possibilidade de formação de estrutura secundária. Estes e outros aspectos do desenho de chips de diagnóstico serão aprofundados e discutidos posteriormente.

A aplicação de chips de DNA na identificação e genotipagem de microrganismos é uma área de investigação que tem sofrido grandes avanços nos últimos anos. É um método

rápido e fiável de diagnóstico, em amostras clínicas, ambientais, alimentares ou outras. Vários estudos tem sido realizados com o intuito de aperfeiçoar a tecnologia e os protocolos laboratoriais, a nível do número de espécies abrangidas, do grau de especificidade e sensibilidade da hibridação e da objectividade, fiabilidade e reproducibilidade dos resultados.

Nas metodologias de diagnóstico são preferencialmente utilizados os chips de oligonucleótidos porque são capazes de distinguir pequenas diferenças, como mutações de um único nucleótido, entre sequências idênticas, ao contrário dos chips de cDNA [68]. Esta vantagem das sondas de oligonucleótidos é essencial na identificação diferenciada de espécies semelhantes ou na distinção entre estirpes ou genótipos da mesma espécie (genotipagem).

Um grupo taxonómico sobre o qual tem incidido um grande número de análises é o dos vírus. Foi desenvolvido um método baseado em chips que faz a detecção e genotipagem dos rotavírus humanos do grupo A. Estes vírus com genoma de RNA apresentam uma grande taxa de mutações, logo um alto nível de polimorfismo entre si. No entanto, com este método foi possível definir o genótipo correcto das 40 estirpes em análise [83]. Outro estudo permitiu a identificação inequívoca de 20 amostras contendo vários genótipos do mesmo vírus. Os resultados foram corroborados pelos métodos tradicionais de genotipagem [84]. Wang e colaboradores (2002) desenvolveram uma metodologia capaz de identificar, num único microarray de oligonucleótidos, vírus muito diversos. Para testar o modelo, foi desenhado um chip com sondas para centenas de vírus, incluindo praticamente a totalidade dos vírus do tracto respiratório humano como os rinovírus e enterovírus. A incubação de várias amostras contaminadas com vírus de identidade conhecida permitiu observar a grande exactidão do chip desenhado e levou a concluir que qualquer vírus com genoma conhecido pode ser detectado por esta aproximação [85]. Outro estudo com chips de DNA incidiu sobre vírus do tipo influenza. Este vírus apresenta grande diversidade a nível dos hospedeiros infectados e da sua sequência genética. Os chips desenhados mostraram-se capazes de distinguir, de modo preciso, as várias espécies e subtipos (de hemaglutinina) do vírus influenza [86].

Da mesma forma que os vírus, também a identificação de bactérias em amostras clínicas tem sido alvo de inúmeros estudos baseados em chips de DNA com sondas oligonucleotídicas. Um estudo teórico incidiu na identificação de estirpes de Escherichia

coli e outras bactérias entéricas patogénicas em amostras de identidade anteriormente conhecida [87]. Outra análise permitiu a identificação com sucesso de Escherichia coli, três espécies de Shigella e sete estirpes de Salmonella enterica [88]. Foi igualmente desenvolvido um método baseado num chip de oligonucleótidos para a detecção de 20 espécies bacterianas da microflora intestinal humana. Foram recolhidas amostras fecais de indivíduos saudáveis, aos quais foram detectadas populações equilibradas das várias bactérias, e de um indivíduo com diarreia crónica, ao qual foi detectada uma microflora anormal, com predominância de uma única espécie sobre as outras [89]. A tecnologia de chips de DNA também se revelou útil na rápida detecção e distinção de seis espécies semelhantes de Listeria em culturas laboratoriais [90]. Outro estudo demonstrou a importância da aplicação de microarrays no diagnóstico, através da identificação diferenciada das bactérias termofílicas Campylobacter jejuni, C. coli, C. lari e C. upsaliensis de elevada incidência epidemiológica [91]. Um array de oligonucleótidos específicos imobilizados sobre uma membrana de nylon foi utilizado para identificar várias espécies de bactérias em culturas de sangue, tendo os resultados sido satisfatórios, com a identificação incorrecta de apenas 8 em 158 amostras [92].

A identificação de microrganismos em amostras ambientais com recurso a chips de DNA também assume grande importância, devido à fiabilidade e rapidez desta tecnologia. Análises ao conteúdo bacteriano de alimentos vegetais [93], amostras de ar [94], solo [95] e sedimentos de aquíferos [96-99] que incluíam metanotrófos [95], procariótas redutores de sulfato [96] e populações microbianas mais complexas, foram estudadas com sucesso usando chips de DNA.

A metodologia empregue nas análises ecológicas assemelha-se em vasta medida à utilizada sobre amostras clínicas. Em ambos os casos, faz-se a preparação da amostra de DNA, purificação e marcação do DNA e em paralelo desenha-se e constrói-se o chip. Os dois componentes são de seguida incubados, ocorrendo hibridação entre ácidos nucleicos complementares. Uma imagem do chip é obtida usando um scanner laser e os resultados são analisados com o menor grau possível de subjectividade. Caso seja necessário, recorre- se ao refinamento da técnica, como, por exemplo, a selecção de sondas mais específicas para melhorar a resolução da experiência.

A escolha das genes a utilizar como marcadores específicos é crucial no desempenho dos chips de diagnóstico. Os genes do rRNA, em particular a cadeia da SSU,

têm sido consistentemente utilizados em muitos destes estudos [89, 92-94, 96, 97], devido à sua elevada conservação e presença de regiões variáveis entre espécies (conforme foi descrito na secção 2.5). Outra vantagem destes genes é a grande quantidade de sequências disponíveis nas bases de dados [100, 101]. No entanto, em determinados casos, a diferenciação entre subespécies da mesma espécie ou entre espécies muito semelhantes não é conseguida através deste gene. Nos organismos eucariótas, uma alternativa será a utilização das regiões ITS1 e ITS2, que apresentam um grau mais elevado de variabilidade, ou a conjugação de todos os genes do rRNA (SSU, ITS1, 5.8S, ITS2 e LSU).

Outra estratégia utilizada em alguns estudos foi a utilização de genes funcionais como marcadores da identificação de espécies. Estes incluem o gene codificador da monooxigenase de metano (pmoA) [95], os genes codificadores de enzimas envolvidas no ciclo do azoto (incluindo reductase de nitrito, monooxigenase de amónia ou nitrogenease) [99] e o gene gyrB (codificador de uma subunidade proteica da enzima “DNA gyrase”) [88]. Estes estudos permitem limitar o estudo ao grupo de espécies que contêm esses genes. Outros estudos incidiram sobre genes relacionados com a virulência e codificadores de determinantes antigénicos dos organismos patogénicos a identificar [87, 90]. Esta aproximação, permite ao mesmo a identificação das espécies e dos seus factores de virulência.

A extensão da sequência das sondas é uma característica que influencia em grande medida a especificidade e a sensibilidade da hibridação. Oligonucleótidos pequenos (menos de 25 nucleótidos) tem mais capacidade de fazer a distinção entre duas sequências alvo semelhantes do que oligos grandes (superior a 50 nucleótidos). Por outro lado, estes são mais sensíveis e permitem a detecção de baixas concentrações de sequências complementares numa mistura complexa de ácidos nucleicos. Outros parâmetros da selecção de sondas para um chip de diagnóstico serão debatidos mais à frente na discussão dos resultados.

Um problema comum nos estudos clínicos e ambientais de diagnóstico é a baixa densidade de células do microrganismo infeccioso nas amostras. Isto implica que o DNA é extraído em pequenas quantidades. A incubação directa desse extracto com o chip iria originar níveis mínimos de hibridação, logo sinais fluorescentes muito ténues nos pontos de hibridação. Outro inconveniente é a presença inevitável de grandes quantidades de

DNA do hospedeiro (amostras clínicas) ou de outros microrganismos (amostras ambientais) que iriam introduzir ruído na hibridação, por perturbações espaciais ou hibridação cruzada. Por este motivo, um passo comum na maioria destes estudos envolve a amplificação, por multiplex-PCR, dos genes marcadores das espécies a identificar. Nesta etapa, sintetiza-se DNA marcado com fluoróforos a partir do DNA [87-96, 98, 99] (ou cDNA a partir do RNA, por RT-PCR [83-86]) das espécies presentes. A selecção do(s) par(es) de primers para a amplificação é, tal como a das sondas, um procedimento que requer extremo cuidado. Pretende-se amplificar unicamente os genes das espécies em estudo e com o número mínimo possível de pares de primers para evitar formação de produtos de PCR indesejáveis [102] (tema mais aprofundado na secção de resultados e discussão).