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等温扩增技术在蚊媒传染性疾病检测方面的研究进展
作者:杨森 刘迪 李桂梅 滕新栋
杨森 刘迪 李桂梅 滕新栋
摘 要 蚊媒传染病是一类由蚊虫叮咬而进行病原体传播的自然疫源性疾病,预防和控制蚊媒传染病是极为困难的。等温扩增技术是一种可以在恒定温度下进行核酸扩增的技术,具有仪器依赖性低、检测效率高、灵敏性好、特异性强等特点,十分适合在野外环境或者疫病现场进行快速检测。本文就等温扩增技术中的环介导等温扩增(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)、重组酶聚合酶扩增(recombinase-polymerase amplification,RPA)、重组酶介导等温扩增(recombinase-aid amplification ation,RAA)、依赖核酸序列的等温扩增(nucleic-acid sequence-based amplification,NASBA)、依赖解旋酶的等温扩增(helicase-dependent amplification,HDA)、交叉引物等温扩增(crossing-priming amplification,CPA)的原理、特点,以及其在寨卡病毒(ZIKV)、登革热病毒(DENV)、黄热病毒(YEV)、基孔肯雅病毒(CHIKV)、乙型脑炎病毒(JEV)等蚊媒传染病检测方面的应用进行了综合阐述。
关键词 等温扩增技术;蚊媒传染病;检测
Research Progress in Isothermal Amplification Technology for Detecting Mosquito-borne Infectious Diseases
YANG Sen 1,2 LIU Di 2 LI Gui-Mei 1 TENG Xin-Dong 2*
Abstract Mosquito-borne diseases (AEDs) are natural pathogenic diseases transmitted by pathogens through mosquito bites, which are extremely difficult to prevent and control. Isothermal amplification is a technology that can amplify nucleic acids at a constant temperature. It has the characteristics of low instrument dependence, high detection efficiency, good sensitivity, and strong specificity, and is very suitable for rapid detection in outdoor environments or epidemic sites. The paper elaborates on the principles and characteristics of loop-mediated isothermal amplification (LAMP), recombinase-polymerase amplification (RPA), recombinase-aid amplification (RAA), nucleic-acid sequence-based amplification (NASBA), helicase-dependent amplification (HDA) and crossing-priming amplification (CPA), and their application in the detection of mosquito-borne infectious diseases such as Zika virus (ZIKV), dengue virus (DENV), yellow fever virus (YEV), chikungunya virus (CHIKV), and Japanese encephalitis virus (JEV).
Keywords isothermal amplification technology; mosquito-borne infectious diseases; detection
基金项目:山东省重点研发计划(2021CXGC011306)
第一作者:杨森(1999—),男,汉族,河北石家庄人,硕士,主要从事预防兽医学研究工作,E-mail: 1549787281@qq.com
通信作者:滕新栋(1987—),男,汉族,山东青岛人,博士,副主任技师,主要从事病原生物学研究工作,E-mail: tengxindeng@163.com
1. 青岛农业大学 青岛 266109
2. 青岛国际旅行卫生保健中心(青岛海关口岸门诊部) 青岛 266073
1. Qingdao Agricultural University, Qingdao 266109
2. Qingdao International Travel Health Care Center (Port Outpatient Department of Qingdao Customs), Qingdao 266073
蚊媒传染性疾病作为一种自然疫源性疾病,其病原体的传播主要通过蚊子进行,因此该类疾病的防控难度很大。蚊子可以作为日本乙型脑炎病毒(Japanese encephalitis virus,JEV)、登革热病毒(Dengue virus,DENV)、黄热病毒(Yellow fever virus,YFV)、基孔肯雅病毒(Chikungunya virus,CHIKV)、裂谷热病毒(Rift Valley fever virus,RVFV)、寨卡病毒(Zika virus,ZIKV)等多种蚊媒病毒的传播媒介[1-2]。蚊媒传染病对于全球公共卫生来说是一个巨大的挑战,威胁着全球40%以上的人口,给人类健康带来了巨大的危害,因此迫切需要一种快速、简便、准确的检测技术用以防控蚊媒传染性疾病的传播。
等温扩增技术具有简便、快捷和高效等特点,大致可以分为以下几类:环介导等温扩增(loop-mediated isothermal amplification,LAMP)、重组酶聚合酶等温扩增(recombinase-polymerase amplification,RPA)、重组酶介导等温扩增(recombinase-aid amplifification,RAA)、依赖核酸序列的等温扩增(nucleic acid sequence-based amplification,NASBA)、依赖解旋酶的等温扩增(helicase-dependent amplification,HDA)、交叉引物等温扩增(crossing-priming amplification,CPA)等。与传统的聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction,PCR)相比,等温扩增技术不需要模拟体外扩增所需的高温变性、退火和延伸,同时由于该技术不需要特殊设备,使得它能够在环境较为简陋或条件较差的基层推广应用。
1 等温扩增技术概述
1.1 环介导等温扩增
LAMP是Notomi等在21世纪初研发的一种核酸恒温扩增技术,其原理主要是利用DNA聚合酶和一组专门设计的4个引物识别目标DNA上的6个不同的序列。在60℃的温度下进行链置换反应,从而对目标DNA进行大量扩增。LAMP的主要特点包括:检测所需时间少、效率高;仪器依赖性小,只需要一个恒温水浴锅就能够进行反应;具有特异性好、灵敏度高、扩增产物检测方便等特点。
1.2 重组酶聚合酶等温扩增
RPA的原理主要是利用T4类噬菌体的重组酶蛋白UvsX,在ATP和聚乙二醇存在下与引物结合,形成重组酶-引物复合体。发现DNA模板上的同源序列,然后将其插入到模板中,从而形成D型环状结构,之后开始链置换反应。最后,重组酶从复合体中分离,在dNTPs存在的情况下,DNA聚合酶同结合引物3'端结合,形成新的互补链。循环以上步骤,实现指数扩增,RPA反应条件温和、扩增效率高,非常适用于快速诊断、食品药品检测、疫情防控、现场检测等。
1.3 重组酶介导等温扩增
RAA是我国自行研发的核酸扩增技术,它主要采用重组酶,单链结合蛋白和DNA聚合酶恒温扩增核酸。其原理是将单链结合蛋白和重组酶以及引物组成复合体,之后扫描双链DNA,在引物同源序列处打开DNA双链,在单链结合蛋白(SSB)作用下阻止单链DNA复性,在能量和dNTP存在的情况下,通过DNA聚合酶在有能量及dNTP条件下完成链伸展,5~20 min即可达到扩增目的。它以冻干粉的形式存在,具有运输方便、灵敏性和特异性好、反应速度快、操作简便等特点。
1.4 依赖核酸序列的等温扩增
NASBA反应主要利用3种酶来进行扩增反应,分别是禽源成髓细胞瘤逆转录酶(AMV)、RNA酶H和T7RNA聚合酶。其反应原理是模板链进入反应体系后引物Ⅰ与模板链的3'端结合,在AMV作用下合成互补链,核糖核酸酶H降解RNA链,引物Ⅱ与单链DNA 3'端结合并开始延伸,T7RNA聚合酶识别双链DNA上的T7启动子并合成补偿链,反应循环进行[11-12]。NASBA使用单一温度进行扩增,不再需要特殊的热循环设备,降低了对设备的依赖性,同时也减少了反应时间。此外,NASBA引物具有T7启动子序列,即使存在DNA污染的情况下,NASBA也能够拥有高度的特异性和灵敏度。
1.5 依赖解旋酶的等温扩增
HDA是较为简单的恒温核酸扩增方法之一,主要是模拟体内DNA的复制,使用解旋酶将DNA双链打开,产生单链模板,用于体外扩增目标核酸,之后特异性引物与模板杂交,由DNA聚合酶延伸以扩增目标序列。HDA具有简便、快捷、高效等优点,且引物设计较为简单,适合基层实验室对疾病的快速检测和诊断。
1.6 交叉引物等温扩增
CPA是优思达公司自主开发的一项具有自主知识产权的新型核酸等温扩增技术,它针对目的基因设计4或5条特异性引物,利用Bst DNA聚合酶和甜菜碱,在63℃条件下实现目的基因的高效、快速以及特异性的扩增。CPA操作简单,操作要求相对较低,通过简单培训均可掌握,检测所需成本低,无需昂贵的仪器和特殊的试剂,反应迅速,在63℃反应1 h就能完成扩增,同时具有良好的特异性和灵敏性。
2 等温扩增在蚊媒传染病检测方面的应用
2.1 在寨卡病毒检测方面的应用
ZIKV是黄病毒科中的一种阳性单链RNA病毒,在全球范围内对人类健康造成极大的威胁。该病毒的主要传播媒介是埃及伊蚊。ZIKV感染大多是无症状的,但有时也会表现为轻微的流感样症状,如发热、肌肉酸痛、头晕、咳嗽等。目前尚无特效抗病毒药物来治疗ZIKV感染,并且病毒传播速度非常快,危害极其严重,特别是在缺乏对病毒特定免疫力的地区,因此,快速检测ZIKV对于防控该病毒至关重要。
张阳等利用RPA与侧流层析试纸条(LFD)结合建立了快速检测ZIKV的方法,其灵敏度为102 copies/μL,具有良好的特异性,与常见病原无交叉反应。钟响等针对ZIKV的NS5基因开发了LAMP快速检测方法,能够在64℃条件下特异性地扩增NS5基因,与CHIKV、DENV、YFV、甲型H1N1流感病毒均没有交叉反应,灵敏度为10 copies/μL,是PCR方法的100倍。Estrela等利用逆转录(RT)LAMP建立了ZIKV的快速检测方法,无需提取RNA,可直接从血清样本中检测ZIKV,大大降低了检测时间。滕新栋等利用NASBA建立了一种快速检测ZIKV的方法,具有良好的特异性,最低检测限为1.2 pg/μL,能够应用于海关口岸ZIKV的检测。
2.2 在登革病毒检测方面的应用
DENV属于黄病毒科,黄病毒属,埃及伊蚊是其传播媒介。DENV具有4种血清(DENV-1、DENV-2、DENV-3和DENV-4),DENV感染后会引起发热、头痛、恶心、呕吐以及白细胞减少等症状。DENV感染是热带和亚热带地区疾病的主要原因,每年大约发生5000万例感染,近25亿人面临着被感染的风险,对全球人类健康和社会经济发展构成了威胁,因此,非常需要一种快速诊断DENV感染的检测方法。Teoh等研发了一种RT-RPA检测方法,在20 min内可检测到DENV的RNA,不需要热循环扩增,可以检测低至10个copies的DENV RNA,并且不会与其他蚊媒病毒发生交叉反应,是检测DENV的最快速的分子诊断工具。此外,Xiong等利用RT-RAA并与LFD相结合建立了一种快速目视检测DENV的检测方法,在37℃条件下20 min即可完成扩增,建立的RT-RAA-LFD方法,检测下限为10 copies/μL,对DENV具有较高的特异性,适合在实验室能力有限和较为简陋的环境中可靠地检测DENV。
为了快速检测和区分DENV不同亚型,张菊蓉等利用RT-LAMP建立快速分型检测DENV 1~3型的检测方法,扩增结果可以通过肉眼、电泳进行鉴定,该方法灵敏度为45 pg/反应管,同时具有较好的特异性。夏利芳等基于微流控芯片技术与LAMP技术相结合建立了一种适用于现场快速检测DENV的方法,结果显示该方法对登革病毒的检测灵敏性可达61.2 pg/μL,与其他病毒无交叉反应,特异性良好,利于在现场开展快速检测。
2.3 在黄热病毒检测方面的应用
黄热病(YF)是由黄热病毒(YFV)感染引起的,主要在热带地区流行。黄热病主要危害灵长类动物,由受感染蚊子的叮咬传播。如今,在非洲及美洲,每年仍有多达20万人被感染,黄热病起初表现为病毒性出血热(VHF),是一种全身性病毒败血症,伴有病毒血症、高热、虚弱,肝、肾和心肌损伤、出血、休克和高致死率。黄热病毒对人类有着非常大的危害,因此,快速检测黄热病毒对于预防和控制该病的流行和传播有着十分重要的意义。
郑夔等研发了一种依据颜色变化进行结果判断的YFV可视化RT-LAMP快速核酸检测方法,该方法有较高的特异性,与DENV、RVFV、WNV、JEV及CHIKV无交叉反应;用体外转录的RNA模板进行灵敏度试验,灵敏度为102 copies/μL。郑伟等采用RAA技术,通过应用逆转录酶建立YEV等温扩增检测方法,检测时间短,在20 min内即可完成检测,灵敏度高,检测下限为100 copies,并且具有较好的特异性,适应于口岸YEV的快速检测。张阳等建立了一种DENV的RT-RPA-LFD检测方法,可同时对DENV的4种血清型进行检测。该方法重复性好,特异性好,同时具有较好的检测灵敏度,对4种血清型的DENV检测限都低至10 copies,是一种非常有应用前景的DENV检测技术。
2.4 在基孔肯雅病毒检测方面的应用
CHIKV是一种由蚊子传播的病毒,于1952年在坦桑尼亚被首次分离。CHIKV感染通常会导致感染者出现轻度自限性疾病,其特征为发热、皮疹、肌痛和关节痛,可持续数周至数月,症状通常在接触CHIKV后4~7 d出现。由于基孔肯雅热和其他蚊媒病毒疾病症状相似,使得仅依据临床症状进行诊断具有挑战性,特别是当CHIKV在DENV和ZIKV流行地区共同传播时。因此,建立一种针对CHIKV的特异性检测方法就显得尤为重要。RT-LAMP是一种快速、实时检测和定量检测工具,不需要任何复杂的设备,在发展中国家的临床诊断和监测中具有潜在的实用价值。Parida等利用此技术建立了一种单管、一步、快速、定量的RT-LAMP检测方法,用于CHIKV的快速和实时检测,检测下限为20 copies,具有很高的灵敏性。应用DENV、JEV、西尼罗河病毒(West Nile Virus,WNV)和圣路易斯脑炎病毒(St. Louis encephalitis virus,SLEV)以及健康人血清样本进行特异性试验,仅CHIKV出现扩增,证明该方法具有高度的特异性。Pranav等应用RT-RPA技术建立了CHIKV的快速检测方法,15 min内可检测到80个基因组copies的病毒,与其他病毒没有交叉反应,具有良好特异性。
2.5 在乙型脑炎病毒检测方面的应用
JEV是世界上最常见的蚊媒病毒性传染病,特别是在东南亚国家,JEV主要是通过三带喙库蚊进行传播。每年约有3.5万~5万人罹患此病,造成约1万~1.5万病例死亡,因此JEV已成为全球关注的重要公共卫生问题,有必要对JEV进行早期快速检测。Zhou等建立了一种实时RT-NASBA,用于快速检测JEV,在10 min内可观察到较强的信号,具有较高的特异性,RT-NASBA的检测下限为每次反应6个copies,灵敏度是RT-PCR的100~1000倍。Deng等建立了一种基于RT-LAMP和LFD相结合的JEV检测方法。整个检测过程可在70 min内完成,在该研究中,检测其他病原体时未观察到假阳性结果,证明该方法具有高度特异性,其检测灵敏度为50 pg的RNA。此外,对14份血清样品进行了检测,未发现假阳性结果,结果表明,该研究建立的方法具有快捷、特异性好和灵敏度高的特点,在JEV检测中具有重要的应用价值。刘建礼等建立了一种检测JEV的RT-RAA方法。该方法依据JEV NS1基因片段设计引物探针,对其灵敏度和特异性进行试验,灵敏度可达10 copies,检测时间在20 min之内,与DENV、YEV、ZIKV、CHIKV及正常血液样本无交叉反应,展现了良好的特异性。
2.6 在疟疾检测方面的应用
由疟原虫引起的疟疾(malaria)在全球每年造成约100万~300万人死亡,并导致3亿~5亿人感染此病,对人类的生命健康产生了严重危害,及时、准确地诊断对于预防疟疾感染、控制其流行传播、给予患者尽早治疗都有着重要意义。Hong等利用RAA技术结合LFD建立了疟疾的快速检测方法,反应条件为37℃ 15 min,检测下限为1 copies/μL,对恶性疟原虫、间日疟原虫、卵形疟原虫和疟疾感染者全血基因组DNA的灵敏度分别为0.1 pg/μL、10 pg/μL、10~100 pg/μL和100 pg/μL,与其他输血传播寄生虫无交叉反应,表明该方法具有良好的特异性。食蟹疟原虫是一种非人灵长类寄生虫,可引起人类疟疾,Pongruj等开发了一种RPA结合LFD诊断方法,每次反应的检测下限为22.14 copies/μL重组质粒,应用食蟹疟原虫与其他疟原虫进行特异性试验,结果显示与其他疟原虫物种没有任何交叉反应,说明该方法具有良好的特异性。
2.7 在其他蚊媒病毒检测方面的应用
裂谷热(RVF)是一种由裂谷病毒(Bunyaviridae:Phlebovirus)引起的蚊媒人畜共患传染病,对非洲和中东的全球公共卫生和农业构成重大威胁。在过去60年中,裂谷热病毒(RVFV)在非洲造成了大规模、毁灭性的周期性动物流行病,疾病和牲畜损失对人类造成了严重影响。Han等应用RT-LAMP与LFD相结合,成功建立了针对RVFV检测方法,其检测下限为1.94 copies/μL,与其他病毒无交叉反应,具有很高的诊断敏感性,是实时RT-PCR检测方法的100倍,适用于RVFV的快速、灵敏的诊断,无需专门的设备,可在60 min内快速完成检测,并可在5 min内通过垂直流动可视化试纸显示结果。由西尼罗河病毒(WNV)感染引起的西尼罗河脑炎在世界许多地区流行,对全球公共卫生造成巨大的威胁。Singh等开发了基于比色法的RT-LAMP和RT-LAMP结合LFD的方法,用于快速检测WNV,使用来自110名临床怀疑感染WNV的患者的人血清样本评估了cRT-LAMP和RT-LAMP-LFD测定的诊断性能,RT-LAMP在63°C条件下加热40 min即可完成扩增,开发的cRT-LAMP和RT-LAMP-LFD的检测限均为10 copies,对WNV具有良好的特异性。Tomar等利用RT-RPA方法的建立针对WNV包膜基因(Env)的快速检测方法,RPA反应在39℃下进行15 min即可完成检测,该方法的灵敏度与实时荧光定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)方法相似,可检测出10 copies的基因,特异性为100%,在WNV快速诊断中具有很高的应用价值。吕沁风等建立WNV RT-RAA检测方法,检测限可达10 copies,与CHIKV、DENV、JEV、YEV等蚊媒病毒无交叉反应,具有良好的特异性,可用于WNV的口岸快速检测和流行病学监测。
3 总结与展望
蚊媒传染病是一类极具危害性的疾病,在全球有着极高的发病率和死亡率,快速检测蚊媒传染病对于预防和控制此类疾病的传播具有重要意义。等温扩增作为一种新型的核酸扩增技术,具有仪器依赖性小、核酸扩增效率高等优点,在临床和科学研究中显示出良好的应用前景。本文综合阐述了等温扩增技术在蚊媒传染病检测方面的一些应用,该项技术在蚊媒传染病检测方面展示出独特的优势,相信在不久的将来,等温扩增技术将会在蚊媒传染病检测方面发挥巨大作用,以及在保护全球公共卫生及人类健康方面作出巨大贡献。
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