各种细菌病原体如果不准确发现和及时治疗,会导致呼吸道感染并导致严重的健康问题。 通过环介导的等温扩增快速准确地检测这些病原体,可在临床环境中有效管理和控制呼吸道感染。
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各种细菌病原体如果不准确发现和及时治疗,会导致呼吸道感染并导致严重的健康问题。 通过环介导的等温扩增快速准确地检测这些病原体,可在临床环境中有效管理和控制呼吸道感染。
呼吸道感染 (RTI) 是临床环境中最常见的问题之一。快速准确地鉴定细菌病原体将为管理和治疗RTIs提供实用指南。本研究描述了一种通过多通道环介导的等温扩增 (LAMP) 快速检测引起呼吸道感染的细菌病原体的方法。LAMP是一种灵敏、特异的诊断工具,可快速检测细菌核酸,准确度高,可靠性高。与传统的细菌培养方法相比,所提出的方法具有显着的优势,传统的细菌培养方法非常耗时,并且通常需要更高的灵敏度来检测低水平的细菌核酸。本文介绍了利用LAMP检测下呼吸道样本(痰液、支气管灌洗液和肺泡灌洗液)的肺炎 克雷伯菌 感染及其多种合并感染的代表性结果。综上所述,多通道LAMP方法提供了一种快速有效的方法,用于识别临床样本中的单一和多种细菌病原体,有助于防止细菌性病原体的传播,并有助于RTIs的适当治疗。
由细菌病原体引起的呼吸道感染(RTIs)是全球发病率和死亡率的主要原因1.它被定义为任何上呼吸道或下呼吸道症状,伴有持续 2-3 天的发烧。虽然上呼吸道感染比下呼吸道感染更常见,但慢性和复发性呼吸道感染也是常见的临床疾病,对个人构成巨大风险,并给医疗保健系统带来沉重负担2.RTIs的常见细菌性病原体包括肺炎链球菌3型、流感嗜血杆菌4型、金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、麦芽窄食单胞菌等。这些致病菌通常定植在宿主鼻咽和上呼吸道的粘膜表面,引起喉咙痛和支气管炎等 RTI 的典型症状。当它们从上呼吸道扩散到下呼吸道的无菌区域时,它们会引起肺炎,并可能通过呼吸道在人与人之间传播5.在严重的情况下,它们还可能导致侵袭性细菌性疾病,尤其是菌血症性肺炎、脑膜炎和败血症,这些都是全球所有年龄组人群发病和死亡的主要原因。
传统的 RTI 检测包括使用咽拭子和痰液呼吸道样本进行微生物培养6.此外,酶联免疫吸附测定 (ELISA) 等血清学检测可检测血清中的抗体或抗原,而凝集试验可观察抗体和抗原的凝集反应以检测感染7。微生物培养被认为是诊断 RTI 的金标准,但其培养阳性率低、可靠性差和检测周期长限制了诊断效率8。实际上,快速准确地诊断RTIs对于精确根除细菌病原体至关重要。快速有效的检测方法有助于降低病原体的传播率,缩短感染持续时间,并减少不必要的抗生素使用9,10。基于分子生物学的方法大大加快了检测速度,例如聚合酶链反应 (PCR),它通过扩增靶基因的 DNA 序列来检测病原体。然而,传统的PCR需要复杂的温度循环设备,既繁琐又耗时。此外,使用PCR进行的每次DNA扩增(实时荧光定量PCR除外)都以电泳分离产物结束,这也需要时间。产品的可视化需要染料,其中许多染料具有致突变性或致癌性。因此,不断开发诊断RTI细菌病原体的新方法和技术势在必行。
环介导的等温扩增(LAMP)是一种新型的分子技术,最初由Notomi等人于2000年开发11。LAMP可以在稳定的等温条件下扩增DNA,无需复杂的温度循环设备,使其适用于快速检测,降低了设备的复杂性和成本12。LAMP 可以高灵敏度检测低浓度的靶标 DNA13。它使用多种特异性引物来提高靶序列的选择性并减少假阳性的可能性14。LAMP因其易用性、速度和直观的操作而逐渐在临床实验室中得到广泛使用,甚至用于检测RTI。在这项研究中,我们研究了 LAMP 在检测临床样本(痰液、支气管灌洗液和肺泡灌洗液)中较低 RTI 的有效性,如图 1 所示。很明显,与传统测试相比,LAMP在较低的RTI检测方面具有速度、灵敏度和易用性等优势,使其成为一个有前途的应用。

图 1:LAMP 检测方法示意图。 请点击这里查看此图的较大版本.
本研究所有样本均经广东省人民医院伦理审查委员会(批准文号:KY2023-1114-01)审定通过。所有参与者在实验前签署了书面知情同意书。用于研究的试剂和设备列在 材料表中。协议中使用的缩写列在 补充表1中。
1.采集下呼吸道临床样本
2. DNA提取
| 溶液 | 组件 | 数 | 规范 |
| 洗涤液 | 10毫米EDTA | 1瓶 | 24毫升/瓶 |
| 核酸提取试剂 | 10mM Tris-HCl,1mM EDTA,核酸防腐剂 | 2 管 | 1.2 mL/瓶 |
| 核酸提取管 | 玻璃珠 | 1 袋 | 24瓶/袋 |
表1:核酸提取试剂的组成。
3. 环介导等温放大及微流体芯片
| 组件 | 组成 | 数 |
| 芯片 | 引 | 12个地方 |
| 封口膜 | / | 1 张 |
| 等温扩增试剂 | 荧光染料、酵素 | 270 μL/管 |
| 阳性对照 | 大肠杆菌基因组DNA | 160 μL/管 |
表2:呼吸道病原体核酸检测试剂盒的组成。

图2:光盘芯片结构图。 反应孔按逆时针顺序编号,其中入口/出口 1 对应于反应孔编号 1。反应孔 1、4、7、10、13、16、19、22 和 24 为阴性对照。反应孔6为阳性对照(大肠杆菌)。反应孔12为内部正对照,反应孔23为外部正对照。反应孔 2 检测到 spn。反应孔 3 检测到 sau。反应孔5检测 MRSA。反应孔8检测kpn。反应孔9检测 pae。反应孔11检测到 aba。反应孔14检测 SMA。反应孔15检测 hin。有关示例详细信息,请参阅 表 5 。 请点击这里查看此图的较大版本.
4. 样品制备和细菌检测
| 反应物 | 体积 (μl) |
| 等温扩增试剂 | 20 |
| 模板 DNA | 34.5 |
表3:等温扩增反应系统。
| 步 | 一 | 二 |
| 温度 (°C) | 37 | 65 |
| 时间(分钟) | 3 | 47 |
表4:核酸扩增反应程序。
| 指标名称 | 阳性对照值 |
| 肺炎链球菌 (sp) | 30 |
| 金黄色葡萄球菌 (sau) | 34 |
| 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 (mrsa) | 22 |
| 肺炎克雷伯菌 (kpn) | 29 |
| 铜绿假单胞菌(pae) | 36 |
| 鲍曼不动杆菌 (aba) | 36 |
| 嗜麦芽窄食单胞菌 (SMA) | 27 |
| 流感嗜血杆菌 (hin) | 36 |
表5:感染指标的阳性对照值。
该实验采用等温放大技术,在微流控圆盘芯片上进行反应。该反应在微流控芯片核酸分析仪上进行,采用荧光染料插入方法。等温反应在65°C的恒温下进行,同时进行实时荧光分析。阳性样品在具有链置换官能团的聚合酶作用下进行扩增,产生S形扩增曲线。这个一步法完成了靶基因的扩增和检测。本研究选取了7个实验结果不同的样品,验证了实验设计的可靠性。大写字母 S 代表样本。S1 是感染单一肺炎 克雷伯菌株的样本。S2 至 S7 是具有多种微生物感染的样本,均感染了 肺炎克雷伯菌。为了获得有效的检测结果,可以通过图像中显示的归一化荧光曲线进行解释。正指示器由显示 S 形的放大曲线表示,而水平线表示负指示器(图 3)。

图 3: 通过 LAMP 获得的代表性核酸扩增结果。 大写字母 S 代表样本。S1 是感染了单一 kpn 菌株的样本。S2 至 S7 是具有多种微生物感染的样本,均感染了 kpn。S2 代表感染 kpn 和 sma 的样本。S3 表示同时感染 kpn、 sau 和 MRSA 的样本。S4 表示同时感染 kpn、 sau、 MRSA 和 aba 的样本。S5 表示同时感染 kpn、 sma、 sau、 MRSA 和 aba 的样本。S6 表示同时感染 KPN、 SMA、 PAE、 SAU、MRSA 和 ABA 的样本。S7 代表同时感染 kpn、 sma、 pae、 sau、 MRSA、 aa 和 大肠杆菌的样本。有关示例详细信息,请参阅 表 5 。 请点击这里查看此图的较大版本.
该试剂盒利用 ROC 方法计算 8 个测试指标的阳性阈值。当检测指标的 TP 值小于或等于其对应的正阈值时,则被解释为正。反之,当检测指标的 TP 值大于其正阈值时,则被解释为负值。 表5详细说明了每个指标的正阈值。我们检测到的7个具有不同实验结果的样品的真阳性TP值如 表6所示。
| 样本 | KPN公司 | SMA公司 | PAE公司 | 秀 | 耐甲氧西林金黄色葡萄球菌 | 欣 | 阿坝 | 生态 |
| TP (+/-) | TP (+/-) | TP (+/-) | TP (+/-) | TP (+/-) | TP (+/-) | TP (+/-) | TP (+/-) | |
| S1系列 | 19.68 (+) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) |
| S2系列 | 17.73 (+) | 18.30 (+) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) | U (-) |
| S3系列 | 16.73 (+) | U (-) | U (-) | 18.05 (+) | 12.18 (+) | U (-) | U (-) | U (-) |
| S4系列 | 21.66 (+) | U (-) | U (-) | 27.07 (+) | 19.61 (+) | U (-) | 18.29 (+) | U (-) |
| S5系列 | 16.16 (+) | 20.85 (+) | U (-) | 23.80 (+) | 17.13 (+) | U (-) | 15.22 (+) | U (-) |
| S6系列 | 11.20 (+) | 16.79(+) | 17.18(+) | 23.09 (+) | 16.14 (+) | U (-) | 14.28 (+) | U (-) |
| S7系列 | 14.69 (+) | 24.84(+) | 19.70(+) | 24.07(+) | 14.16 (+) | - (+) | 15.23 (+) | 20.12 (+) |
| 每个样本+/-,定性结果; +, 阳性结果;-,阴性结果。 | ||||||||
表 6:感染后检测的 TP 值表。
补充表1:缩略语列表。请点击这里下载此文件。
补充文件1:呼吸道病原体核酸检测试剂盒说明书。请点击这里下载此文件。
呼吸道感染是普遍存在的医院相关感染,会给患者带来严重后果,并使死亡率不断上升16。及时准确地识别潜在的病原体,然后使用有效的抗生素是成功治疗和改善预后的关键,特别是考虑到传统培养方法固有的局限性17.在这项研究中,我们使用基于 LAMP 的方法来确定单个或多个感染,以快速准确地检测 RTI。该快速检测系统是通过将LAMP技术与微流控技术相结合而建立的。从临床样本中,如痰液、BLF、ALF等核酸,可以快速提取。这种提取的材料有助于快速准确地检测细菌病原体,指导临床实践以改善 RTI 的控制和治疗。
先前的研究表明,与基于培养的方法和聚合酶链反应相比,LAMP结果在纯培养物和血液样本中实现了100%的灵敏度、特异性,并且与其他细菌没有交叉反应18。LAMP 检测还可以直接从生物体液中检测病原体,例如血液、胸腔积液和腹膜积液以及脑脊液19。先前已经证明,外源性 DNA 和抑制剂可能会显着降低 PCR 的灵敏度,并且对于 LAMP 测定,不需要从临床标本中纯化 DNA20。该技术在扩增过程中利用酵母基因和引物来评估扩增的正常性,从而确定外部对照质量控制的资格。内部对照采用来自人类基因的引物,确定采样、核酸提取和扩增过程的正常性。同时使用内部和外部控制确保了结果的可靠性。同时,还设置了多个正负对照井,极大地保证了测试的准确性。LAMP微流控芯片在检测临床标本方面具有类似于qPCR的能力。具有灵敏度高、检测能力强等特点,为临床快速检测和精准治疗提供可靠依据21。微生物培养需要3-5天甚至更长时间,一些病原体,如 肺炎衣 原体和 嗜肺军团菌,无法培养。相比之下,LAMP可在不到3小时的时间内检测出多种细菌病原体,甚至是不可培养的病原体,从而显著提高了检测速度。
它还可以执行多项检测。LAMP微流控芯片分为各种反应单元,可同时检测多种病原体,保证了每个反应的独立性和结果的准确性22,23。中国网络抗菌监测中心的数据显示,2022年肺炎克雷伯菌患病率在呼吸道标本细菌分离株中排名第一15。在广东省人民医院2022年采集的呼吸道样本中,LAMP检测的肺炎克雷伯菌阳性率为18.6%,也是患病率最高的细菌之一。在所有肺炎克雷伯菌阳性样本中,30.6%为仅由肺炎克雷伯菌引起的感染,29.7%为肺炎克雷伯菌与其他细菌共存的感染。此外,有三重感染(23.9%)和四重感染(10.5%)涉及肺炎克雷伯菌感染,在KP阳性样本中占大多数,约95%。五胞胎和六胞胎感染的病例很少,截至目前,尚未发现六胞胎以外的感染。结果表明了6种具有代表性的情景,每种情景分别代表了单独由肺炎克雷伯菌引起的感染或与其他1-5种细菌共存的感染检测结果。
此外,本研究中使用的LAMP芯片技术还可以检测细菌耐药性。它通过 mecA 基因检测耐甲氧西林的 MRSA。当代表金黄色葡萄球菌的孔和代表mecA基因的孔为阳性时,它们代表甲氧西林-MRSA感染。研究人员一直在探索同时快速检测病原体和抗生素耐药性状的方法。例如,幽门螺杆菌感染和抗生素耐药性的快速诊断方法基于定量聚合酶链反应 (qPCR)24。另一种方法是通过对表面增强拉曼散射 (SERS) 光谱25 的深度学习分析以及使用 SERS 光谱26 检测肺炎克雷伯菌和碳青霉烯酶基因的方法来快速预测多重耐药肺炎克雷伯菌。此外,基于SERS光谱分析的肺炎克雷伯菌菌株不同多位点序列分型(MLST)谱的分类和预测方法27。随后,我们还将开发灵敏准确的肺炎克雷伯菌和碳青霉烯酶基因检测,其性能可与耗时或基于昂贵专业仪器的金标准临床方法相媲美。此外,理想的诊断方法是快速、准确、经济高效且用户友好18。一项估计当前诊断技术试剂成本的研究表明,基于 PCR 技术的样本检测成本高达 6.4-7.7 美元,而 LAMP 技术仅为 0.71-2 美元28。
多通道环介导的等温扩增(LAMP)方法虽然在呼吸道感染中为快速检测细菌病原体提供了显著的优势,但也有其局限性。LAMP的高灵敏度存在交叉污染的风险,其中最小的DNA污染可能导致假阳性结果29;因此,严格的样品处理和程序协议对于降低这种风险是必要的。尽管该方法简单易用,但对结果的解释需要特定的专业知识和经验,以避免误解或诊断错误,这强调了对训练有素的人员的需求。认识到这些局限性对于LAMP方法在临床诊断领域的有效应用和进一步发展至关重要。综上所述,LAMP方法结合微流控芯片可以快速并行检测各种细菌病原体。具有灵敏度高、特异性强等优点,具有成本低、快速、方便等特点。在临床上,对预防和控制由病原性感染引起的RTIs具有相当大的实际意义。本研究提出的LAMP检测的显著特点是实验室工作人员易于掌握,对基层医院、疾病预防控制中心、检验检疫部门等有很大帮助。综上所述,LAMP微流控芯片系统是临床实验室中强大的检测工具,可以解决临床感染诊断中高支出、低周转时间的挑战,在临床环境中具有重要的应用价值。
作者声明没有利益冲突。
我们非常感谢广东省基础与应用基础研究基金(批准号:2022A1515220023)和广东省人民医院高级人才研究基金(批准号:2022A1515220023)提供资金支持。KY012023293)。
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