Published September 15, 2021 | Version v1
Publication Open

A comparison of PCR and ELISA methods to detect different stages of Plasmodium vivax in Anopheles arabiensis

Creators

  • 1. University of Notre Dame
  • 2. Armauer Hansen Research Institute
  • 3. Division of Parasitic Diseases and Malaria
  • 4. Centers for Disease Control and Prevention

Description

Abstract Background In characterizing malaria epidemiology, measuring mosquito infectiousness informs the entomological inoculation rate, an important metric of malaria transmission. PCR-based methods have been touted as more sensitive than the current "gold-standard" circumsporozoite (CSP) ELISA. Wider application of PCR-based methods has been limited by lack of specificity for the infectious sporozoite stage. We compared a PCR method for detecting the parasite's mitochondrial (mt) cytochrome oxidase I ( COX-I ) gene with ELISA for detecting circumsporozoite protein for identification of different life stages of the parasite during development within a mosquito. Methods A PCR-based method targeting the Plasmodium mt COX-I gene was compared with the CSP ELISA method to assess infectivity in Anopheles arabiensis colony mosquitoes fed on blood from patients infected with Plasmodium vivax. Mosquitoes were tested at six post-infection time points (days 0.5, 1, 6, 9, 12, 15). The head and thorax and the abdomen for each specimen were tested separately with each method. Agreement between methods at each infection stage was measured using Cohen's kappa measure of test association. Results Infection status of mosquitoes was assessed in approximately 90 head/thorax and 90 abdomen segments at each time point; in total, 538 head/thorax and 534 abdomen segments were tested. In mosquitoes bisected after 0.5, 1, and 6 days post-infection (dpi), the mt COX-I PCR detected Plasmodium DNA in both the abdomen (88, 78, and 67%, respectively) and head/thorax segments (69, 60, and 44%, respectively), whilst CSP ELISA detected sporozoites in only one abdomen on day 6 post-infection. PCR was also more sensitive than ELISA for detection of Plasmodium in mosquitoes bisected after 9, 12, and 15 dpi in both the head and thorax and abdomen. There was fair agreement between methods for time points 9–15 dpi (κ = 0.312, 95% CI: 0.230–0.394). Conclusions The mt COX-I PCR is a highly sensitive, robust method for detecting Plasmodium DNA in mosquitoes, but its limited Plasmodium life-stage specificity cannot be overcome by bisection of the head and thorax from the abdomen prior to PCR. Thus, the mt COX-I PCR is a poor candidate for identifying infectious mosquitoes. Graphical Abstract

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

نبذة مختصرة في توصيف وبائيات الملاريا، يقوم قياس عدوى البعوض بإبلاغ معدل التلقيح الحشري، وهو مقياس مهم لانتقال الملاريا. وُصفت الطرق القائمة على تفاعل البوليميراز المتسلسل بأنها أكثر حساسية من معيار ELISA "المعيار الذهبي" الحالي. كان التطبيق الأوسع للطرق القائمة على تفاعل البوليميراز المتسلسل محدودًا بسبب عدم وجود خصوصية لمرحلة الحيوانات البوغية المعدية. قارنا طريقة تفاعل البوليميراز المتسلسل للكشف عن جين ميتوكوندريا الطفيلي (MT) سيتوكروم أوكسيديز I (COX - I) مع ELISA للكشف عن بروتين المحيطة لتحديد مراحل الحياة المختلفة للطفيلي أثناء التطور داخل البعوض. الطرق تمت مقارنة طريقة قائمة على تفاعل البوليميراز المتسلسل تستهدف جين بلازموديوم mt COX - I مع طريقة CSP ELISA لتقييم العدوى في بعوض مستعمرة الأنوفيلة العربية التي تتغذى على دم المرضى المصابين بالبلازموديوم فيفاكس. تم اختبار البعوض في ست نقاط زمنية بعد الإصابة (الأيام 0.5، 1، 6، 9، 12، 15). تم اختبار الرأس والصدر والبطن لكل عينة بشكل منفصل مع كل طريقة. تم قياس التوافق بين الطرق في كل مرحلة من مراحل العدوى باستخدام مقياس كابا الخاص بكوهين لارتباط الاختبار. تم تقييم حالة إصابة البعوض بالعدوى في حوالي 90 قطعة من الرأس/الصدر و 90 قطعة من البطن في كل نقطة زمنية ؛ في المجموع، تم اختبار 538 قطعة من الرأس/الصدر و 534 قطعة من البطن. في البعوض المنقسم بعد 0.5 و 1 و 6 أيام من العدوى، اكتشف تفاعل البوليميراز المتسلسل المتسلسل COX - I في كل من البطن (88 و 78 و 67 ٪ على التوالي) وقطاعات الرأس/الصدر (69 و 60 و 44 ٪ على التوالي)، في حين اكتشف CSP ELISA الكائنات الحية البوغية في بطن واحد فقط في اليوم السادس بعد العدوى. كان تفاعل البوليميراز المتسلسل أيضًا أكثر حساسية من ELISA للكشف عن المتصورة في البعوض المنقسم بعد 9 و 12 و 15 نقطة في البوصة في كل من الرأس والصدر والبطن. كان هناك اتفاق عادل بين طرق النقاط الزمنية 9–15 نقطة في البوصة (κ = 0.312، 95 ٪ CI: 0.230–0.394). الاستنتاجات إن تفاعل البوليميراز المتسلسل COX - I هو طريقة حساسة للغاية وقوية للكشف عن الحمض النووي المتصورة في البعوض، ولكن لا يمكن التغلب على خصوصية مرحلة حياة المتصورة المحدودة عن طريق تشريح الرأس والصدر من البطن قبل تفاعل البوليميراز المتسلسل. وبالتالي، فإن تفاعل البوليميراز المتسلسل COX - I هو مرشح ضعيف لتحديد البعوض المعدي. الملخص الرسومي

Translated Description (French)

Résumé Contexte En caractérisant l'épidémiologie du paludisme, la mesure de l'infectiosité des moustiques informe le taux d'inoculation entomologique, une mesure importante de la transmission du paludisme. Les méthodes basées sur la PCR ont été présentées comme plus sensibles que l'ELISA « standard » actuel de circumsporozoïte (CSP). L'application plus large des méthodes basées sur la PCR a été limitée par le manque de spécificité pour le stade sporozoïte infectieux. Nous avons comparé une méthode PCR pour détecter le gène mitochondrial (mt) cytochrome oxydase I ( COX-I ) du parasite avec ELISA pour détecter la protéine circumsporozoïte pour l'identification des différents stades de vie du parasite au cours du développement chez un moustique. Méthodes Une méthode basée sur la PCR ciblant le gène Plasmodium mt COX-I a été comparée à la méthode CSP ELISA pour évaluer l'infectivité chez les moustiques des colonies d'Anopheles arabiensis nourris avec du sang de patients infectés par Plasmodium vivax. Les moustiques ont été testés à six moments post-infection (jours 0,5, 1, 6, 9, 12, 15). La tête, le thorax et l'abdomen de chaque échantillon ont été testés séparément avec chaque méthode. La concordance entre les méthodes à chaque stade de l'infection a été mesurée à l'aide de la mesure kappa de Cohen de l'association du test. Résultats L'état infectieux des moustiques a été évalué dans environ 90 segments de la tête/du thorax et 90 segments de l'abdomen à chaque point temporel ; au total, 538 segments de la tête/du thorax et 534 segments de l'abdomen ont été testés. Chez les moustiques coupés en deux après 0,5, 1 et 6 jours après l'infection (DPI), la PCR mt COX-I a détecté de l'ADN de Plasmodium à la fois dans l'abdomen (88, 78 et 67 %, respectivement) et dans les segments de la tête/du thorax (69, 60 et 44 %, respectivement), tandis que l'ELISA CSP a détecté des sporozoïtes dans un seul abdomen au jour 6 après l'infection. La PCR était également plus sensible que l'ELISA pour la détection de Plasmodium chez les moustiques coupés en deux après 9, 12 et 15 dpi à la fois dans la tête, le thorax et l'abdomen. Il y avait un accord équitable entre les méthodes pour les points temporels 9–15 dpi (κ = 0,312, IC à 95 % : 0,230-0,394). Conclusions La PCR mt COX-I est une méthode très sensible et robuste pour détecter l'ADN de Plasmodium chez les moustiques, mais sa spécificité limitée au stade de vie de Plasmodium ne peut être surmontée par une bissection de la tête et du thorax de l'abdomen avant la PCR. Ainsi, la PCR mt COX-I est un mauvais candidat pour identifier les moustiques infectieux. Résumé graphique

Translated Description (Spanish)

Resumen Antecedentes En la caracterización de la epidemiología de la malaria, la medición de la infecciosidad de los mosquitos informa la tasa de inoculación entomológica, una métrica importante de la transmisión de la malaria. Los métodos basados en PCR se han promocionado como más sensibles que el actual ELISA de circumsporozoitos (CSP) "estándar de oro". La aplicación más amplia de los métodos basados en PCR se ha visto limitada por la falta de especificidad para la etapa de esporozoitos infecciosos. Comparamos un método de PCR para detectar el gen de la citocromo oxidasa I (COX-I) mitocondrial (mt) del parásito con ELISA para detectar la proteína del circumsporozoito para identificar diferentes etapas de la vida del parásito durante el desarrollo dentro de un mosquito. Métodos Se comparó un método basado en PCR dirigido al gen COX-I de Plasmodium mt con el método CSP ELISA para evaluar la infectividad en mosquitos de la colonia Anopheles arabiensis alimentados con sangre de pacientes infectados con Plasmodium vivax. Los mosquitos se probaron en seis puntos de tiempo posteriores a la infección (días 0.5, 1, 6, 9, 12, 15). La cabeza y el tórax y el abdomen para cada muestra se probaron por separado con cada método. La concordancia entre los métodos en cada etapa de infección se midió utilizando la medida kappa de Cohen de la asociación de la prueba. Resultados El estado de infección de los mosquitos se evaluó en aproximadamente 90 segmentos de cabeza/tórax y 90 segmentos de abdomen en cada punto de tiempo; en total, se probaron 538 segmentos de cabeza/tórax y 534 segmentos de abdomen. En los mosquitos bisecados después de 0,5, 1 y 6 días después de la infección (DPI), la PCR mt COX-I detectó ADN de Plasmodium tanto en el abdomen (88, 78 y 67%, respectivamente) como en los segmentos de cabeza/tórax (69, 60 y 44%, respectivamente), mientras que CSP ELISA detectó esporozoitos en solo un abdomen el día 6 después de la infección. La PCR también fue más sensible que el ELISA para la detección de Plasmodium en mosquitos bisecados después de 9, 12 y 15 DPI tanto en la cabeza como en el tórax y el abdomen. Hubo un acuerdo justo entre los métodos para los puntos de tiempo 9–15 dpi (κ = 0.312, IC del 95%: 0.230–0.394). Conclusiones La PCR de mt COX-I es un método robusto y altamente sensible para detectar ADN de Plasmodium en mosquitos, pero su limitada especificidad de etapa de vida de Plasmodium no puede superarse mediante la bisección de la cabeza y el tórax del abdomen antes de la PCR. Por lo tanto, la PCR COX-I mt es un mal candidato para la identificación de mosquitos infecciosos.

Files

s13071-021-04976-z.pdf

Files (920.3 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:cd60a402775cddb9445eab0cb8b65398
920.3 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
مقارنة بين طرق تفاعل البوليميراز المتسلسل وطرق إليسا للكشف عن المراحل المختلفة من المتصورة النشيطة في الأنوفيلة العربية
Translated title (French)
Une comparaison des méthodes PCR et ELISA pour détecter différents stades de Plasmodium vivax chez Anopheles arabiensis
Translated title (Spanish)
Una comparación de los métodos PCR y ELISA para detectar diferentes etapas de Plasmodium vivax en Anopheles arabiensis

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3170971507
DOI
10.1186/s13071-021-04976-z

Is supplement to
https://openalex.org/W4308255883 (Other)
https://openalex.org/W4293155588 (Other)
https://openalex.org/W4285727745 (Other)
https://openalex.org/W4221136125 (Other)
https://openalex.org/W4200019730 (Other)
https://openalex.org/W3164071919 (Other)
https://openalex.org/W2793447842 (Other)
https://openalex.org/W2173175176 (Other)
https://openalex.org/W2149980996 (Other)
https://openalex.org/W1994851513 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ethiopia

References

  • https://openalex.org/W1977784023
  • https://openalex.org/W1984158928
  • https://openalex.org/W2009542156
  • https://openalex.org/W2038776617
  • https://openalex.org/W2040383488
  • https://openalex.org/W2046889872
  • https://openalex.org/W2047803846
  • https://openalex.org/W2101811652
  • https://openalex.org/W2111357786
  • https://openalex.org/W2113264314
  • https://openalex.org/W2127249471
  • https://openalex.org/W2134718855
  • https://openalex.org/W2135734379
  • https://openalex.org/W2144029515
  • https://openalex.org/W2146499682
  • https://openalex.org/W2154582509
  • https://openalex.org/W2170277594
  • https://openalex.org/W2254914524
  • https://openalex.org/W2294544759
  • https://openalex.org/W2297481663
  • https://openalex.org/W2299537845
  • https://openalex.org/W2564201384
  • https://openalex.org/W2577409880
  • https://openalex.org/W2611340700
  • https://openalex.org/W2617030473
  • https://openalex.org/W2805378465
  • https://openalex.org/W2900060701
  • https://openalex.org/W2903042030
  • https://openalex.org/W2949348729
  • https://openalex.org/W3011166453
  • https://openalex.org/W4294214983