Pathogenic organisms are transmitted to the host organism through all possible connected pathways, and cause a myriad of diseases states. Commonly occurring curable infectious diseases still impose the greatest health impacts on a worldwide perspective. The Bill & Melinda Gates Foundation partnered with RAND Corporation to form the Global Health Diagnostics Forum, with the goal of establishing and interpreting mathematical models for what effects a newly introduced point-of-care pathogen diagnostic would have in developing countries. The results were astonishing, with potentially millions of lives to be saved on an annual basis. Golden standard for diagnostics of pathogenic bacteria has long been cultureable medias. Environmental biologists have estimated that less than 1% of all bacteria are cultureable. Genomic-based approaches offer the potential to identify all microbes from all the biological kingdoms. Nucleic acid based pathogen diagnostics has evolved significantly over the past decades. Novel technologies offer increased potential in sensitivity, specificity, decreased costs and parallel sample management. However, most methods are confined to core laboratory facilities. To construct an ultimate nucleic acid based diagnostic for use in areas of need, potential frontline techniques need to be identified and combined. The research focus of this doctoral thesis work has been to develop and apply nucleic acid based methods for pathogen diagnostics. Methods and assays were applied to the two distinct systems i) screening for antibiotic resistance mutations in the bacterial pathogen Neisseria gonorrhoeae, and ii) genotype determination of the cancer causative Human Papillomavirus (HPV). The first part of the study included development of rapid, direct and multiplex Pyrosequencing nucleic acid screenings. With improved methodology in the sample preparation process, we could detect an existence of multiple co-infecting HPV genotypes at greater sensitivities than previously described, when using the same type of methodology. The second part of the study focused on multiplex nucleic acid amplification strategies using Molecular Inversion Probes with end-step Pyrosequencing screening. The PathogenMip assay presents a complete detection schematic for virtually any known pathogenic organism. We also introduce the novel Connector Inversion Probe, a padlock probe capable of complete gap-fill reactions for multiplex nucleic acid amplifications. / Patogena organismer smittas till värd organismen genom alla möjliga kontaktnätverk och skapar en mångfald olika sjukdomstillstånd. Dock är det fortfarande vanligt förekommande behandlingsbara infektiösa sjukdomar som orsakar den största hälsoförlusten, sett från ett globalt perspektiv. Bill och Melinda Gates Stiftelsen samarbetade med RAND kooperation för att forma “The Global Health Diagnostics Forum”. Deras mål var att etablera och analysera matematiska modeller för vilka effekter en ny diagnostisk metod utrustat för fältarbete skulle ha i utvecklingsländer. Resultaten var häpnadsveckande, med potentiellt miljoner av liv som skulle kunna räddas på en årlig basis. Den etablerade standarden för diagnostik av patogena bakterier har länge varit kultiveringsmedia baserad. Miljö specialiserade biologer har estimerat att mindre än 1 % av alla bakterie arter går att kultivera. Dock erbjuder genetiska analyser potentialen att kunna identifiera alla mikrober från alla de biologiska rikena. Nukleinsyrebaserade diagnostiska metoder har märkbart förbättrats över de senaste årtionden. Nya tekniker erbjuder utökad sensitivitet, selektivitet, sänkta kostnader och parallella analyser av patient prover. Dock är de flesta metoderna begränsade till standardiserade laboratoriemiljöer. För att konstruera en väl fungerande diagnostisk fältutrustning för användning i problem områden, behöver världsledande tekniker identifieras och kombineras. Fokuseringsområdet för denna doktorsavhandling har varit att utveckla och utföra nukleinsyrebaserade metoder för patogen diagnostik. Metoder och experimentella utförande applicerades på två distinkta system i) sökning av antibiotika resistens relaterade mutationer i den patogena bakterien Neisseria gonorrhoeae och ii) genotypning av det cancer orsakande Humana Papillomaviruset (HPV). Den första delen av studien inriktade sig mot utveckling av snabba, direkta och multiplexa Pyrosekvenserings baserade nukleinsyreanalyser. Med förbättrad provprepareringsmetodologi kunde vi detektera multipla HPV infektioner med högre sensitivitet än vad tidigare beskrivits med liknande metodologi. Den andra delen av studien fokuserades på multiplexa nukleinsyre amplifikationer med “Molecular Inversion Probe” tekniken med sista steg Pyrosekvenserings analys. “PathogenMip assay” erbjuder ett komplett detektionsprotokoll för alla kända patogena organismer. Vi introducerar även den nya “Connector Inversion Probe”, en “Padlock Probe” kapabel att genomföra kompletta gap fyllningar för multiplex nukleinsyre amplifiering. / QC 20100624

In situ sekvensering är en metod som kan användas för att lokalisera differentiellt uttryck av mRNA direkt i vävnadssnitt, vilket kan ge viktiga ledtrådar om många sjukdomstillstånd. Idag förloras många av sekvenserna från in situ sekvensering på grund av det kvalitetsmått man använder för att säkerställa att sekvenser är korrekta. Det finns troligtvis möjlighet att förbättra prestandan av den nuvarande base calling-metoden eftersom att metoden är i ett tidigt utvecklingsskede. Vi har genomfört explorativ dataanalys för att undersöka förekomst av systematiska fel och korrigerat för dessa med hjälp av statistiska metoder. Vi har framförallt undersökt tre metoder för att korrigera för systematiska fel: I) Korrektion av överblödning som sker på grund avöverlappande emissionsspektra mellan fluorescenta prober. II) En sannolikhetsbaserad tolkningav intensitetsdata som resulterar i ett nytt kvalitetsmått och en alternativ klassificerare baseradpå övervakad inlärning. III) En utredning om förekomst av cykelberoende effekter, exempelvisofullständig dehybridisering av fluorescenta prober. Vi föreslår att man gör följande saker: Implementerar och utvärderar det sannolikhetsbaserade kvalitetsmåttet Utvecklar och implementerar den föreslagna klassificeraren Genomför ytterligare experiment för att påvisa eller bestrida förekomst av ofullständigdehybridisering / In situ sequencing is a method that can be used to localize differential expression of mRNA directly in tissue sections, something that can give valuable insights to many statest of disease. Today, many of the registered sequences from in situ sequencing are lost due to a conservative quality measure used to filter out incorrect sequencing reads. There is room for improvement in the performance of the current method for base calling since the technology is in an early stage of development. We have performed exploratory data analysis to investigate occurrence of systematic errors, and corrected for these by using various statistical methods. The primary methods that have been investigated are the following: I) Correction of emission spectra overlap resulting in spillover between channels. II) A probability-based interpretation of intensity data, resulting in a novel quality measure and an alternative classifier based on supervised learning. III) Analysis of occurrence of cycle dependent effects, e.g. incomplete dehybridization of fluorescent probes. We suggest the following: Implementation and evaluation of the probability-based quality measure Development and implementation of the proposed classifier Additional experiments to investigate the possible occurrence of incomplete dehybridization