利用病毒基因组扩增的常规检测方法受限于无法区分具有感染性与非感染性的病毒颗粒。本文旨在提供详细的实验方案,介绍利用适配体结合、动态光散射和透射电子显微镜等替代方法,以辅助区分具有感染性的诺如病毒颗粒。
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利用病毒基因组扩增的常规检测方法受限于无法区分具有感染性与非感染性的病毒颗粒。本文旨在提供详细的实验方案,介绍利用适配体结合、动态光散射和透射电子显微镜等替代方法,以辅助区分具有感染性的诺如病毒颗粒。
人类诺如病毒在全球范围内造成了重大的公共卫生和经济损失。新兴 体外 培养技术的进步目前尚不能用于病毒的常规检测。现有的检测与定量技术主要依赖核酸扩增,无法区分具有感染性的与无感染性的病毒颗粒。本文旨在详细介绍近年来多种技术联合应用的最新进展,以获取有关病毒颗粒感染状态的更多信息。其中一种技术是评估诺如病毒单链DNA适配体与衣壳的结合情况。适配体具有易于合成和修饰、成本低且稳定性好的优点。另一种技术是动态光散射(DLS),其优势在于可观察衣壳在溶液中的行为。电子显微镜则可用于观察病毒衣壳结构完整性的可视化。尽管这些技术前景良好,但各自仍存在局限性,例如适配体可能非特异性地结合样品基质中带正电荷的分子,DLS需要纯化的衣壳,而电子显微镜的灵敏度较低。然而,当这些技术联合使用时,所产生的综合数据可更全面地反映诺如病毒衣壳的完整性,进而推断其感染性,这对于准确评估病毒灭活方法或解读病毒检测结果至关重要。本文提供了利用这些方法区分感染性人诺如病毒颗粒的实验方案。 关键词:诺如病毒,衣壳完整性,感染性,适配体,动态光散射,电子显微镜,检测,灭活评估
全球范围内,人诺如病毒造成了重大的公共卫生负担,每年导致约6.85亿例疾病和21.2万例死亡1,经济损失达数十亿美元2,3。目前,诺如病毒的检测与定量主要依赖基因组扩增和/或基于配体的检测平台。其中,基因组扩增方法通常更受青睐,因其灵敏度更高,可提供定量信息,且假阳性结果的风险总体较低4。最常用的人诺如病毒检测与定量基因组扩增技术是逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)。由于该技术仅针对并扩增人诺如病毒基因组的一小段区域,单独使用RT-qPCR无法区分具有感染性的病毒颗粒与无感染性的病毒颗粒,因为游离的基因组RNA、含有完整基因组但衣壳受损的颗粒,以及基因组发生致死性突变或截短的衣壳仍可被RT-qPCR扩增。尽管近期已报道两种新型的人诺如病毒in vitro培养技术5,6,但二者仍依赖RT-qPCR进行病毒定量,目前尚不具备在临床或环境样本中常规检测人诺如病毒的可行性。因此,RT-qPCR仍是临床和环境检测的金标准。
其他 体外 已开发出多种方法以更准确地评估诺如病毒颗粒的感染性状态。这些方法通常可分为针对诺如病毒衣壳完整性的方法和评估基因组完整性的方法,其中前一类方法更为常用。一种常用的技术是在提取病毒基因组RNA之前进行RNase预处理,但该方法无法识别那些虽保持完整却丧失了结合宿主受体/辅因子能力的病毒颗粒,也无法检测基因组发生致死性突变、截短或轻微损伤的病毒颗粒。7衣壳完整性还可通过病毒与人诺如病毒共受体/辅助因子结合的能力来评估,这些共受体/辅助因子是称为组织血型抗原(HBGAs)的碳水化合物。HBGAs 作为糖蛋白或糖脂的组成部分存在于宿主肠上皮细胞中(也存在于多种其他组织中),并可能分泌于唾液等体液中。已有研究表明,表面含有类似 HBGA 物质的肠道细菌也可与人诺如病毒结合。8,9,10,此类相互作用可能促进诺如病毒感染5利用HBGA结合的基本概念在于,只有能够结合假定受体/共因子的病毒颗粒才具备感染细胞的能力。多项研究表明,在核酸扩增之前采用基于磁珠的HBGA结合方法,是一种具有前景的病毒传染性鉴别手段11,12,13,14,15,16关于HBGAs的一个主要挑战是,单一类型的HBGA无法结合所有人诺如病毒基因型。为解决这一问题,出于合成简便性、一致性和降低成本的考虑,已使用含有HBGAs的猪胃黏蛋白替代纯化的HBGA碳水化合物。
摩尔近期发表的一篇论文 等17 引入了一组用于评估人诺如病毒衣壳完整性的新技术。取代HBGAs,摩尔 等17 研究了广谱反应性核酸适配体(M6-2)的结合特性18 广谱反应性单克隆抗体(NS14)19 对热处理的GII.4 Sydney诺如病毒衣壳(病毒样颗粒或VLPs)进行结合,并将其与合成的HBGAs结合情况进行比较。核酸适配体是一类短的(约20–80 nt)单链核酸(ssDNA或RNA),其序列可折叠形成独特的三维结构,从而与特定靶标结合。由于适配体本质上是核酸,因此成本较低,易于化学合成、纯化和修饰,并且具有良好的热稳定性。目前已有多项针对诺如病毒开发的适配体研究报道,其中部分适配体显示出对多种毒株的广谱反应性18,20,21,22例如,Moore 等17 证明了适配体M6-2能够结合纯化的人诺如病毒衣壳(VLPs),并在依赖病毒衣壳维持高级结构方面表现出与HBGA相似的行为例如, 二级和三级)蛋白质结构才能发生结合。另一方面,在衣壳完全变性后,仍有相当比例的诺如病毒VLP与抗体NS14保持结合。Moore等在研究中对诺如病毒结合能力的评估 等17 采用一种基于微孔板的简单方法进行检测,该方法类似于ELISA,不同之处在于使用适配体(aptamers)替代抗体(因此该方法被称为ELASA)。这种高通量实验方法被用于评估不同处理方式对诺如病毒衣壳的影响,相关研究对于理解病毒在物理或化学应激因素作用下的失活机制具有重要价值。然而,该方法的一个缺点是灵敏度较低,且对基质中较高浓度的污染物耐受性差,这些污染物可导致适配体发生非特异性结合。
Moore et al.17 采用另一种方法——动态光散射(DLS)来监测病毒颗粒在热处理下的聚集情况。DLS 通常用于评估纳米颗粒悬浮液的尺寸,并已扩展应用于蛋白质23,24 和病毒25,26,27。溶液中颗粒散射光的强度随颗粒尺寸变化而波动,从而可通过已建立的公式计算扩散系数,进而推导出颗粒直径。DLS 技术可分辨分散颗粒的流体动力学直径,精度可达纳米级,因此可根据尺寸检测分散的病毒、单个衣壳蛋白或二聚体以及病毒聚集体27。病毒聚集表现为颗粒尺寸增大,提示衣壳完整性丧失。当衣壳发生变性且其结构被破坏时,疏水残基暴露,导致颗粒相互黏附并形成聚集体。DLS 可用于测定特定处理后的颗粒尺寸,或实时监测聚集动力学17,28。该方法的优势在于可观察衣壳在溶液中的行为,但需要高浓度的纯化衣壳,这可能无法完全代表病毒在天然状态下的情况。
Moore 等17 采用的最后一种方法是透射电子显微镜(TEM)。尽管该方法灵敏度较低,且无法提供定量数据,但它能够直观显示不同处理对病毒衣壳结构的影响。虽然这些方法目前尚不适用于临床或环境场景,但联合使用这些方法对于理解人诺如病毒的灭活机制具有重要价值。本文旨在提供基于平板的结合分析法(ELASA)、动态光散射(DLS)以及TEM样品制备方法的详细实验方案,用于研究热处理对诺如病毒衣壳的影响,特别是这些处理对衣壳完整性的效应,如Moore 等17 所述。
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1. 基于平板的结合实验用于评估诺如病毒衣壳高级结构的丧失
注意:与此处所述非常相似的ELASA方案已有发表29,类似的ELASA检测此前已在其他研究文章中报道过17,18,22。
2. 基于平板检测结果的分析
3. 热处理后利用动态光散射检测病毒聚集
注意:以下步骤可能特定于所使用的软件和仪器,但可进行调整并适用于类似设备。
4. 实时检测病毒聚集的动态光散射技术
注意:以下步骤可能特定于所使用的软件和仪器,但可进行调整并适用于类似设备。
5. 透射电镜样品制备
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人类诺如病毒GII.4悉尼株衣壳(VLPs)的结构完整性通过多种新方法进行了评估,如Moore et al.17所介绍。首先进行了一项实验,比较了衣壳结合潜在受体/辅因子(HBGA)或单链DNA适配体(M6-2)的能力随其结构完整性的变化情况(图1)。所展示的结果此前已由Moore et al.17报道,表明在68 °C热处理不同时间后,适配体M6-2与衣壳的结合行为与病毒与HBGA的结合行为相似。尽管HBGA结合信号的丧失略早于适配体M6-2,但在将VLPs暴露于65 °C和68 °C不同时间点后计算得出,M6-2的信号衰减速率与HBGA相似(表1)17。这表明HBGA和适配体M6-2的结合均以类似的方式被消除。
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本文所述的方案与技术可用于评估人诺如病毒衣壳的完整性与功能。这些方法有助于深入理解灭活处理对病毒的作用机制,并有望补充传统的灭活评估手段,如逆转录定量聚合酶链式反应(RT-qPCR)或蚀斑试验。例如,仅通过蚀斑试验评估化学或物理灭活效果时,虽可反映病毒灭活程度,但无法揭示其灭活的具体机制。此外,病毒聚集可能导致滴度被低估,从而高估处理方法的有效性。30这些方法可通过提供有关治疗对诺如病毒衣壳完整性的效应信息,进一步为这类研究提供参考。最近,两项 体外 已报道了人诺如病毒的细胞培养方法5,6;这些方法仍然依赖 PCR 进行病毒计数,尽管从理论上讲,所提出的类器官模型可通过抗体染色用于测定相对减少量的 TCID50。本文所述方法可能有助于理解多种不同处理方式(而不仅仅是热处理)下病毒灭活的完整机制。例如,在确定诺如病毒在铜表面灭活机制时,已将基于平板的配体结合实验和透射电子显微镜(TEM)作为补充工具,与 RT-qPCR 和蚀斑实验数据结合使用。
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由美国农业部国家食品与农业研究所通过诺如病毒核心研究项目(NoroCORE)资助,项目编号为农业与食品研究倡议竞争性拨款 2011-68003-30395。开放获取费用由美国农业部提供资助。我们感谢 Robert Atmar(德克萨斯州休斯顿市贝勒医学院)慷慨提供纯化的衣壳,感谢 Valerie Lapham 在透射电子显微镜(TEM)图像方面的协助。我们还感谢 Frank N. Barry 在开展本研究中所展示的实验工作方面提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 用于评估诺如病毒衣壳高级结构丧失的基于平板的结合实验 | |||
| 96孔中等结合力聚苯乙烯EIA板 | Fisher (Costar) | 07-200-36 | |
| 96孔板盖 | Thermo Fisher | 3098 | |
| 石蜡膜(Parafilm) | Thermo Fisher | PM999 | |
| 1× PBS(pH 7.2) | Life Technologies | 20012-050 | |
| 聚山梨酯20 | Sigma-Aldrich | P9416 | |
| 1× PBS(pH 7.2)+ 0.05% 聚山梨酯20 | N/A | N/A | |
| 纯化并组装的人诺如病毒GII.4衣壳 | N/A | N/A | |
| 单个0.2 ml PCR管 | Genesee Scientific | 22-154G | |
| 2台热循环仪 | Bio-Rad | 1861096 | |
| 台式迷你离心机 | Fisher Scientific | 12-006-901 | |
| 脱脂奶粉固体成分 | Thermo Fisher | LP0031B | |
| 合成组-血型A二糖(生物素标记) | Glycotech | 01-017 | |
| 生物素标记的适配体M6-2(储存浓度100 µM,溶于无核酸酶水):5'-/5Biosg/AGTATACGTATTACCTGCAGCTGGGAAGAGGTCCGGTAAATGCAGGGTCAGCCCGGAGAGCGATATCTCGGAGATCTTGC -3’ | Integrated DNA Technologies | N/A | |
| 链霉亲和素-辣根过氧化物酶偶联物(ELISA级),我们使用Life Technologies SNN2004 | Life Technologies | SNN2004 | |
| 3,3’,5,5’-四甲基联苯胺(TMB)底物,室温 | Thermo Fisher | 50-76-00 | |
| 1 M磷酸 | N/A | N/A | |
| 可读取450 nm吸光度的微孔板读数仪 | Tecan | Infinite m200 Pro | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 基于平板实验结果的分析 | |||
| Microsoft Excel或类似软件 | N/A | N/A | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 动态光散射实验 | |||
| Zetasizer ZSP,或类似的粒径分析仪器 | Malvern Instruments | N/A | |
| 涡旋振荡器 | Fisher Scientifc | 02-215-365 | |
| 石英比色皿 | Hellma | 104-002-10-40 | |
| 小体积一次性比色皿(以减少VLP使用量) | Malvern Instruments | ZEN0040 | |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 透射电子显微镜样品制备 | |||
| 带碳支持膜的镍质电子显微镜载网 | Ladd Research | 10880-100 | |
| 自闭式反向电子显微镜镊子 | Ted Pella | 5372-NM | |
| 定性滤纸 | Sigma-Aldrich (Whatman) | WHA1002055 | |
| 玻璃培养皿 | Sigma-Aldrich | BR455743 | |
| 100 mM HEPES储备液(pH 7.2) | N/A | N/A | |
| 2% 醋酸铀 | N/A | N/A |
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