目前用于检测寨卡病毒、基孔肯雅病毒和登革病毒的多重诊断方法需要复杂的样品制备过程和昂贵的仪器设备,难以在资源有限的环境中应用。我们展示了一种基于等温扩增技术并结合靶标特异性链置换探针的诊断方法,可高灵敏度、高特异性地检测并区分这些病毒。
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目前用于检测寨卡病毒、基孔肯雅病毒和登革病毒的多重诊断方法需要复杂的样品制备过程和昂贵的仪器设备,难以在资源有限的环境中应用。我们展示了一种基于等温扩增技术并结合靶标特异性链置换探针的诊断方法,可高灵敏度、高特异性地检测并区分这些病毒。
寨卡病毒、登革热病毒和基孔肯雅病毒通过蚊子传播,引起的疾病症状相似。然而,这些病毒在人与人之间的传播潜力不同,且需要截然不同的治疗方法。因此,近期寨卡病毒的暴发迫切需要开发能够快速区分患者及捕获蚊子体内这些病毒的工具,以选择正确的治疗方案,并实时了解和管理其流行病学情况。
遗憾的是,目前的诊断检测方法(包括2016年获得紧急使用授权和快速审批资格的检测)均依赖于通过逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)来检测病毒RNA,该方法需要专用仪器、经过培训的操作人员以及复杂的样本前处理。因此,这些检测必须送往"经批准"的参考实验室进行,耗时较长。事实上,2016年8月,美国疾病控制与预防中心(CDC)曾要求被蚊子叮咬并出现提示寨卡病毒感染皮疹的孕妇,在无法接受的情况下等待2至4周才能获知是否感染。我们迫切需要能够在现场进行、资源需求少、且可由经过培训但无需持证的专业人员操作的检测方法。
本视频展示了一种符合上述要求的检测方法,可用于尿液或血清(针对患者)以及研磨后的蚊虫尸体(用于环境监测),且无需复杂的样本前处理。蚊虫尸体被截留在含有季铵盐基团的滤纸(Q-纸)上,随后通过氨处理以控制生物危害。处理后的样本无需进行RNA提取,可直接加入含有冻干试剂的检测管中,试剂无需冷链运输和储存。采用一种改良的逆转录环介导等温扩增技术,配合靶标特异性的荧光标记可置换探针,可在30分钟内产生三色荧光信号作为读出结果。信号通过带有橙色滤光片的手持式电池供电设备进行观察。检测过程中采用密封管防止扩增产物的前向污染,同时在扩增体系中加入dUTP和热不稳定的尿嘧啶DNA糖基化酶(UDG)以进一步控制污染。
蚊媒病毒性感染,包括登革热、基孔肯雅热和寨卡病毒,正在不断上升,亟需立即采取管理策略。登革热病毒和基孔肯雅热病毒已在许多热带地区呈地方性流行,而寨卡病毒目前正蔓延至西半球1。寨卡病毒与登革热病毒同属黄病毒科(Flaviviridae),起源于非洲,包含一个亚洲型和两个非洲型基因谱系2。尽管寨卡病毒早在1947年即被发现,但在随后的半个世纪中,人类感染病例一直呈零星分布,直到近年来在太平洋地区和美洲暴发。首次报告的寨卡热疫情发生于2007年密克罗尼西亚联邦的雅普岛,随后于2013年和2014年在法属波利尼西亚暴发。美洲地区的首次大规模疫情则发生于2015年的巴西。
寨卡病毒、基孔肯雅病毒和登革病毒主要通过埃及伊蚊(Aedes aegypti)和白纹伊蚊(Aedes albopictus)传播。然而,寨卡病毒还存在其他间接的人际传播途径,可能通过性接触、母婴垂直传播以及哺乳传播3,4,5。最初认为寨卡热仅引起轻微病症,但后来发现其与成人吉兰-巴雷综合征、新生儿小头畸形以及可持续数月甚至数年的慢性肌肉骨骼疾病相关。由于寨卡病毒感染的症状与其他蚊媒传播病毒相似,其诊断具有挑战性6。这些病毒常见的共感染现象使鉴别诊断更加困难7,8。因此,迫切需要快速、可靠地检测寨卡病毒及其他病毒的核酸,以实现实时流行病学监测、及时启动防控措施,并有效管理患者诊疗9。
目前针对这些病毒的诊断检测包括血清学检测、病毒分离、病毒测序以及逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)。常规血清学方法通常存在敏感性不足的问题,且对于既往感染过其他黄病毒的患者,可能出现交叉反应,使检测结果复杂化。
因此,核酸检测仍然是检测和区分这些病毒最可靠的方法。寨卡病毒及其他蚊媒病毒的检测通常采用逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)或实时RT-PCR,可在多种生物液体中进行,例如血清、尿液、唾液、精液、乳汁和脑脊液10,11。相较于血液样本,通常更优先选择尿液和唾液样本,因为这些样本的PCR抑制作用更小、病毒载量更高、病毒存留时间更长,且采集和处理更为方便12,13。然而,基于RT-PCR的诊断检测需要复杂的样本前处理步骤,并依赖昂贵的热循环设备,因此在即时检测(point-of-care)场景中应用受限。
逆转录环介导等温扩增(RT-LAMP)作为一种强大的逆转录聚合酶链式反应(RT-PCR)替代方法,因其高灵敏度和特异性14、对生物样本中抑制物质的耐受性15,以及在单一温度下运行的特性而受到关注。该特性显著降低了检测的复杂性和相关成本,使其适用于资源有限的环境。经典的RT-LAMP方法包含六条引物,可结合靶标RNA内的八个不同区域。该反应在60 °C至70 °C的恒定温度下进行,依赖于逆转录酶和具有强链置换活性的DNA聚合酶。
在RT-LAMP的初始阶段,正向和反向内引物(FIP和BIP,图1A)与外侧正向和反向引物(F3和B3)共同形成哑铃结构,该结构是指数级LAMP扩增的起始结构。环引物(LF和LB)可结合哑铃结构的单链区域,进一步加速扩增反应,并导致形成具有多个重复环的串联多联体16。基于浊度检测或DNA嵌入染料读数的传统LAMP检测方法并不完全适用于寨卡病毒的现场快速检测,尤其是在需要一定程度多重检测能力的情况下17,18,19。在这些系统中实现多重检测较为困难,因为容易因非靶标扩增而产生假阳性结果。
为解决这些问题,文献在经典RT-LAMP体系中引入了一个额外组分,即"链置换探针"20,21,22。每条探针包含一个序列特异性的双链区和一个单链引物区。带有单链区的探针在其5'端标记荧光团,而其互补探针则在3'端修饰淬灭基团。在无靶标存在时,由于互补探针链发生杂交,使荧光团与淬灭基团紧密靠近,因此不产生荧光信号。当靶标存在时,荧光标记探针的单链部分会与其在靶标上的互补序列结合,并被链置换聚合酶延伸。随后,反向引物介导的聚合酶进一步延伸,导致淬灭链与其互补的荧光标记链分离,从而释放荧光信号(图1B)。采用该设计,信号在哑铃结构形成后才产生,从而降低了假阳性信号出现的可能性。
置换探针的双链部分可以是任意序列,当进行多重检测时,同一序列可与不同的荧光基团-淬灭基团组合联用。采用这种设计,受病毒污染的尿液、血清或压在纸上的蚊虫样本可直接加入检测体系,无需样本前处理。在30至45分钟内即可产生肉眼可见的三色荧光信号,信号通过一个使用蓝色LED和橙色滤光片的3D打印观察盒进行可视化。将RT-LAMP试剂冻干后,该检测试剂盒可在无需冷藏的低资源环境中部署使用。
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注意:蚊子是本研究中唯一直接使用的动物。用于饲养感染蚊子的鸡的管理程序已获得佛罗里达大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准,方案编号为#201507682。病毒扩增和蚊子感染研究在佛罗里达州维罗海滩佛罗里达医学昆虫学实验室的生物安全三级(BSL-3)设施中进行。RT-LAMP实验在佛罗里达州阿拉楚阿由FfAME与Firebird Biomolecular Sciences LLC共享的生物安全二级(BSL-2)实验室中进行。
1. 引物和链置换探针的设计
2. 病毒分离株与感染蚊虫样本
3. 与热不稳定尿嘧啶DNA糖基化酶偶联的RT-LAMP
4. 使用病毒RNA加标尿液进行RT-LAMP
5. 使用Q-Paper技术对寨卡病毒感染蚊虫进行RT-LAMP检测
6. RT-LAMP 试剂的冻干处理(反应体积为 100 µL)
7. 使用含寨卡病毒的尿液和蚊虫样本测试冻干 RT-LAMP 试剂
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最初,对每对RT-LAMP引物的性能进行评估 (表1) 及其相应的病毒RNA底物以及阴性对照通过凝胶电泳进行评估。RT-LAMP引物设计用于靶向寨卡病毒和登革病毒1型的NS5区域(RNA依赖性RNA聚合酶)以及基孔肯雅病毒的nsP2区域(非结构蛋白P2)。模板为从在非洲绿猴肾(Vero)细胞中培养的病毒储备液中提取的总RNA。在某一情况下,从一名感染基孔肯雅病毒的女性体内提取了总核酸(DNA和RNA) 埃及伊蚊 (表2).
图 2A 展示了使用这些样本进行 RT-LAMP 所得的一些代表性结果。在单重和多重(三重)反应中,RT-LAMP 产物在琼脂糖凝胶电泳中均呈现为串联重复片段组成的梯状条带。以水作为样本的阴性对照仅出现引物自身形成的条带,其中包括非特异性靶标对照,该对照以未感染的埃及伊蚊(Ae. ...
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包括寨卡病毒、基孔肯雅病毒和登革病毒在内的蚊媒病毒对公共卫生构成威胁,近期寨卡病毒的暴发凸显了开发低成本即时检测方法的迫切需求,不仅用于患者诊断,也用于蚊媒监测。等温扩增技术被开发为比基于PCR的系统更经济的替代方案。特别是基于逆转录环介导等温扩增(RT-LAMP)的平台已被应用于检测多种病原体。然而,等温扩增平台的应用主要局限于单一目标检测。本文报道的方法采用一种改良的RT-LAMP技术,可在单个反应体系中同时检测三个不同的目标,反应在中等温度范围(65–68 °C)下进行,该温度条件已被证明特别有利,因为高于60 °C的温度可使寨卡病毒及其他病毒失去感染性30,35。
此外,本文提供的数据显示,RT-LAMP 能够耐受可能存在于各种生物液体中的抑制性物质15。这使得病毒RNA无需经过额外的RNA纯化步骤,可直接将样本加入反应体系中进行扩增。根据样本类型的不同,需确定允许添加的最大样本体积,以避免抑制反应或引起背景荧...
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多位作者及其所属机构拥有与该检测方法相关的知识产权。
本工作部分由 FDOH-7ZK15 和 NIAID 1R21AI128188-01 资助。本出版物所报告的研究部分得到美国国家过敏与传染病研究所以及佛罗里达州卫生部生物医学研究计划的支持。本内容仅由作者负责,不一定代表美国国立卫生研究院(NIH)或佛罗里达州卫生部的官方观点。谨此感谢 Dynamic Combinatorial Chemistry LLC 对本项目的支持与贡献。
登革病毒1型(毒株BOL-KW010)由佛罗里达州卫生部实验室局惠赠。寨卡病毒及基孔肯雅病毒亚洲系由美国疾病控制与预防中心慷慨提供。基孔肯雅病毒印度洋系由罗伯特·泰什(Robert Tesh,新兴病毒与节肢动物传播病毒世界参考中心,经德克萨斯州加尔维斯顿市德克萨斯大学医学分部)提供给佛罗里达大学佛罗里达媒介生物实验所(UF-FMEL)。我们感谢S. Bellamy、B. Eastmond、S. Ortiz、D. Velez、K. Wiggins、R. ZimLer和K. Zirbel在感染实验中提供的协助。我们还感谢M. S. Kim提供Q-paper。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| SafeBlue 照明仪/电泳系统,MBE-150-PLUS | Major Science | MBE-150 | 凝胶电泳 |
| G:BOX F3 | Syngene | G:BOX F3 | 凝胶成像 |
| LightCycler 480 仪器 II,96 孔 | Roche Applied Science | 05 015 278 001 | 实时 PCR |
| Amicon Ultra-0.5 离心过滤单元,含 Ultracel-10 膜 | Millipore Sigma | UFC501096 | 透析用超滤膜 |
| Eppendorf 5417C 离心机 | Marshall Scientific | EP-5417C | 离心机 |
| Myblock Mini Drybath | Benchmark Scientific | BSH200 | 干浴器 |
| FreeZone Plus 6 升级联控制台冷冻干燥系统 | Labconco | 7934020 | 冻干机 |
| 所有引物和探针 | IDT | 定制 | RT-LAMP 引物和探针 |
| dNTP 混合物 | Bioline | BIO-39049 | |
| 脱氧尿苷三磷酸(dUTP) | Promega | U1191 | |
| Bst 2.0 WarmStart DNA 聚合酶 | New England Biolabs | M0538L | 酶 |
| WarmStart RTx 逆转录酶 | New England Biolabs | M0380L | 酶 |
| 鼠源 RNase 抑制剂 | New England Biolabs | M0314L | 酶 |
| 南极热不稳定 UDG | New England Biolabs | M0372L | 酶 |
| 50 bp DNA 阶梯标记物 | Promega | G4521 | 标记物 |
| LightCycler 480 96 孔白色多孔板 | Roche Applied Science | 4729692001 | 实时 RT-LAMP 分析 |
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