4种重要外来病毒高通量液相芯片检测方法的建立

仇汝龙 阮智杨 胡波 魏后军 范志宇 宋艳华 陈萌萌 徐为中 王芳

摘要：为建立小反刍兽疫病毒（PPRV）、西尼罗病毒（WNV）、裂谷热病毒（RVFV）和南非型口蹄疫病毒（SAT FMDV）的高通量 液相芯片检测方法，根据GenBank上公布的PPRV的N蛋白基因序列、WNV的E蛋白基因序列、RVFV的S片段基因序列和FMDV的5′UTR区基因序列，并基于各基因保守区设计相应的引物和探针。通过对多重PCR的上游、下游引物比例、杂交温度、杂交时间进行条件优化，并验证检测方法的特异性和敏感性。敏感性试验显示，该方法对于PPRV、WNV、RVFV以及FMDV 4种病毒最低检出量分别为5.78×103、2.15×103、2.98×105、9.54×104 copies/μL。本研究建立的高通量液相芯片检测方法能够同时快速地检测4种外来病病毒，具有良好的特异性、敏感性和稳定性，对于流行病学调查和防范外来动物疫病具有重要的意义。

关键词：检测方法;液相芯片;基因序列;条件优化;流行病学

中图分类号：S855.3   文献标志码：A  文章编号：1002-1302（2021）13-0051-05

小反刍兽疫病毒（PPRV）、西尼罗病毒（WNV）、裂谷热病毒（RVFV）和南非型口蹄疫病毒（SAT FMDV）是我国明确指出要重点防范的外来动物疫病病毒。小反刍兽疫（peste des petits ruminants，简称PPR）是由PPRV感染而引起的一种高度接触性传染病，作为外来疾病，它最早出现在中国西藏地区，并由西部向东部扩散[1-2];西尼罗热（west Nile fever，简称WNF）是由WNV引起的一种人兽共患传染病，该病在我国周边国家俄罗斯、印度、巴基斯坦等国均有存在或流行，且由于其媒介昆虫众多、自然宿主活动范围广泛，不排除随候鸟迁徙传入我国的可能性[3];裂谷热（rift valley fever，简称RVF）是由RVFV引起的反刍动物和人的一种急性、烈性传染病，该病主要发生在非洲，但随着我国与之贸易往来日益频繁，裂谷热对我国的威胁也越来越大[4];口蹄疫（foot-and-mouth disease，简称FMD）是由FMDV引起的一种急性、热性、高度接触性人兽共患传染病，常见发病于偶蹄类动物[5]。FMDV有7个血清型，根据其同源性可将它们分为2个群，群1包括A、O、C和Asia I型，群2则包括SAT1、SAT2和SAT3。目前我国流行的为群1，但随着国际贸易的日益频繁，我国在进口检疫中亦存在SAT FMDV入侵的风险。

目前，对这些疾病的诊断主要釆用血清学方法与分子生物学方法，然而传统血清学检测方法常涉及活病毒试验，对操作人员极易造成感染，并可能会导致病毒的扩散，因此血清学方法常被非疫区国家限制使用;并且传统的分子生物学检测方法也无法满足边境和出入境口岸的大量样品进行高通量检测的需求。液相芯片技术是一种新型的生物芯片技术，并且拥有高通量、快速和准确率等优势，很快就得到广泛应用，因此满足了本研究快速高通量检测的目的[6-7]。随着液相芯片技术的普及，国内外已有多种液相芯片方法建立的报道，可以针对多种重要病原微生物的检测[8]。液相芯片检测方法可以从血液和组织中同时检测多种病原，拥有良好的应用前景[9-13]。

本研究利用液相芯片技术，通过在GenBank检索小反刍兽疫病毒、西尼罗病毒、裂谷热病毒和南非型口蹄疫病毒共4种病毒的基因保守区域作为靶标，设计4种病毒的多重PCR引物序列及相应的探针序列。将特异性探针与微球偶联后，与生物素化PCR产物杂交并与链亲和素藻红蛋白结合，经悬浮芯片检测仪来读取中位荧光值（median florescence intensity，简称MFI）。用建立的液相芯片技术同时检测小反刍兽疫病毒、西尼罗病毒、裂谷热病毒和南非型口蹄疫病毒，通过条件优化后，评价其特异性和灵敏度。

1 材料与方法

1.1 试验材料

包含PPRV保守基因序列的质粒由笔者所在实验室构建和保存;包含RVFV、WNV、FMDV保守基因的质粒由南京金斯瑞生物科技有限公司合成;检测样品中家畜样品部分由江苏等地养殖场采集，部分由中国动物卫生与流行病学中心国家外来动物疫病诊断中心提供;野生动物样品由东北林业大学野生动物资源学院提供。

1.2 主要试剂和仪器

RNAiso Plus购自宝生物工程（大连）有限公司;Blood & Tissue Kits购自QIAGEN公司;PrimeScriptTM RT reagent Kit购自TaKaRa公司;EDC（N-（dimethylaminopropyl）-N′-ethylcarbodiimide购自美国Pierce公司;MES（2[N-Morpholino] ethanesulfonic acid）、Sarkosyl（N-月桂酰肌氨酸）、5 M TMAC（四甲基氯化铵）、10% SDS溶液、100×TE Buffer均购自Sigma公司;链霉亲和素-藻红蛋白（SA-PE，streptavidin-phycoerythrin）、荧光编码微球购自美国Bio-Rad公司。Bio-PlexTM 200悬浮芯片系统由美国Bio-Rad公司生产制造。

1.3 试验时间与地点

试验于2017年11月5日至2018年5月30日在江苏省农业科学院兽医研究所完成，期间使用悬浮芯片检测仪进行的检测在上海柏辰生物科技有限公司完成。

1.4 引物和探针的设计

根据GenBank上公布的各病毒的保守区域基因序列，PPRV的N蛋白基因序列（GenBank：KX938427）、WNV的E蛋白基因序列（GenBank：GQ502441）、RVFV的S片段基因序列（GenBank：DQ380153）和FMDV南非型SAT1 5UTR区基因序列（GenBank：AY593840），利用Primer5設计出了4种病原的特异性探针，并在探针上游、下游分别设计特异性引物。分别在特异性探针的5′端进行C12臂氨基化[NH2（CH2）12]修饰，引物及探针序列由南京金斯瑞生物科技有限公司合成（表1）。

1.2 方法

1.2.1 多重PCR扩增 将小反刍兽疫病毒、西尼罗病毒、裂谷热病毒和南非型口蹄疫病毒的检测引物混合，引物混合液中的每种上游引物浓度为 1.25 μmol/L，下游引物浓度为2.5 μmol/L。

以质粒DNA为模板，按照以下体系进行PCR反应：2×High Fidelity Master Mix 12.5 μL，引物混合液 1.5 μL，模板DNA 1 μL，ddH2O 10 μL。反应条件：98 ℃ 3 min;98 ℃ 20 s，58 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，共计35循环;72 ℃延伸 5 min。4 ℃保存。

1.2.2 微球与探針的偶联 选取编码为36#、55#、43#和27#的磁性微球分别与经过C12臂氨基化[NH2（CH2）12]修饰的PPRV、WNV、RVFV以及FMDV探针进行偶联，将2支新鲜EDC粉末从4 ℃冰箱中取出于室温静置30 min。以最高转速涡旋悬浮微球，并超声30 s，使其完全分散开。取200 μL微球加入到1.5 mL离心管中，以最高转速离心 2 min，弃去上清，以22 μL 0.1 mol/L pH值4.5的MES重悬微球，彻底涡旋，使微球分散。在重悬的微球中加入 2 μL 对应的探针。取恢复至室温的EDC粉末，加入1 mL ddH2O溶解。取1.25 μL EDC溶液加入微球中，迅速涡旋混匀。黑暗中室温孵育30 min，再次制备新鲜EDC溶液，取1.25 μL EDC溶液加入微球中，迅速涡旋混匀。黑暗中室温孵育30 min，加入 1 mL 0.02% Tween 20，轻微涡旋混匀，以最高转速离心2 min，弃去上清，加入0.1% SDS，重悬沉淀 40 s。以最高转速离心2 min。弃去上清，用40 μL TE Buffer（pH值8.0）重悬沉淀。涡旋仪上以最高转速涡旋30 s，用锡纸包裹EP管，置于 4 ℃ 黑暗条件下保存。

1.2.3 多重PCR产物与偶联核酸探针的微球混合物杂交 将4种病毒的阳性PCR产物与偶联了微球的探针进行杂交检测（027#-FMDV，036#-PPRV，043#-RVFV，055#-WNV）。配制工作微球混合液，在660 μL 1.5×TMAC杂交缓冲液中加入约150 000个偶联好的微球，加入双蒸水至终体积为990 μL，放置在冰上。将33 μL工作微球混合液加入反应管中，并加入2 μL PCR产物，并用TE Buffer补齐至50 μL，并以PCR阴性作为阴性对照，TE Buffer作为空白对照。将反应管置于PCR仪中孵育杂交，95 ℃加热5 min，52 ℃孵育15 min。配置新鲜的SA-PE工作液，用1×TMAC 按照100倍稀释SA-PE至工作浓度。将杂交孵育后的样品转移至预热的滤板中，并在磁力洗板机中清洗2次。在每孔中加入100 μL 1×TMAC缓冲液，水平振荡器上重悬磁珠1 min。加入25 μL稀释好的SA-PE工作液。52 ℃振荡孵育5 min。在Bio-Plex悬浮芯片检测仪上读取数据。

1.2.4 杂交条件优化 从上游、下游引物比例、杂交温度和杂交时间3个方面对检测条件进行了筛选，从而优化液相芯片杂交的条件。分别选择上游、下游引物1 ∶ 2、1 ∶ 3、1 ∶ 4、1 ∶ 5这4个比例分别进行PCR反应，确定最佳上游、下游引物比例;根据所设计4条探针的Tm值，选择48～58 ℃的温度范围，并且每隔2 ℃设置温度梯度，确定最佳杂交温度;分别将杂交温度设定为5、10、15、20、30 min对各病毒进行杂交检测，确定最佳杂交时间。

1.2.5 杂交产物的检测及特异性试验 在Bio-Plex悬浮芯片检测仪上对样品进行检测并读取数据。根据每孔中中位荧光值（MFI）读数来进行结果判定。当检测时每种微球的检出数≥50且空白对照背景中位荧光值小于300，则表示结果可信。当样品中中位荧光值（Median florescence intensity，简称MFI）≥300且与阴性对照的比值（qualitative criteria，简称QC）≥3时，可判定结果为阳性，否则为阴性。

1.2.6 检测方法的灵敏性 将构建的PPRV病毒质粒以及合成的各病毒序列，用无菌水进行10倍倍比稀释后，以各稀释度作为模板进行多重不对称PCR扩增，用所建立的液相芯片检测体系对各组PCR产物进行杂交检测，检测其灵敏度。

1.2.7 样品的检测 利用建立的液相芯片检测方法对来自养殖场及边境地区的106份样品进行了检测。利用RNAiso Plus和Blood & Tissue Kit试剂盒分别提取样品的RNA，并使用PrimeScriptTM RT reagent Kit试剂盒对RNA进行反转录。以4种 RNA病毒PPRV、RVFV、WNV、FMDV的引物对反转录得到的cDNA进行多重不对称PCR扩增。将每份样品对应的PCR扩增产物等量混合后，用所建立的液相芯片检测体系对其进行杂交检测，并将PCR产物进行测序验证。

2 结果与分析

2.1 多重PCR检测

用各病毒引物对反转录的cDNA或合成的基因序列进行扩增，分别可扩增出RVFV、FMDV、WNV、PPRV的大小为330、107、496、339 bp的目的片段，片段大小与预期相符，PCR扩增结果见图1。

2.2 液相芯片杂交条件的优化

分别对液相芯片检测方法的杂交温度、上下游引物比例和杂交时间进行优化。检测时空白对照的MFI值符合杂交检测判定结果的要求，检测结果可信。根据杂交检测信号结果，在上游、下游引物比例筛选结果中，WNV最佳上游、下游引物比例为1 ∶ 4，其他病毒最佳引物比例为1 ∶ 5（图2-A）;在杂交温度筛选结果中，FMDV的最佳杂交温度为 56 ℃，其他均为54 ℃（图2-B），确定最佳杂交温度为54 ℃;在杂交时间筛选结果中，各病毒最佳杂交时间均为30 min（图2-C）。

2.3 4种病毒的液相芯片特异性试验

利用优化后的液相芯片检测方法过对RVFV、FMDV、WNV和PPRV病毒阳性质粒进行检测，发现各病毒间均未出现交叉反应，表现出良好的特异性（表2）。

2.4 检测方法的灵敏性

利用优化后的液相芯片检测方法对各稀释度模板进行检测，RVFV、FMDV、WNV和PPRV起始模板浓度分别为1.08、1.12、1.17、2.15 ng/μL。根据液相芯片检测结果判定标准，RVFV、FMDV、WNV、PPRV 4种病毒最低检出稀释度均为10-6，灵敏度分别为1.08×10-4 ng/μL（2.98×105 copies/μL）、1.12×10-5 ng/μL（9.54×104 copies/μL）、1.17×10-6 ng/μL（2.15×103 copies/μL）、2.15×10-6 ng/μL（5.78×103 copies/μL）（表3）。

2.5 临床样品的检测

利用建立的多重液相芯片检测方法对从养殖场及边境地区采集的106份样品进行了检测。结果检出PPRV阳性样品15份，其余病毒检测结果均呈阴性（表4）。阳性样本的PCR产物通过测序验证均符合。

3 讨论与结论

小反刍兽疫（PPR）、西尼罗热（WN）、裂谷热（RVF）、外来型口蹄疫（FMD）是4种《国家动物疫病防治中长期规划》中明确指出要重点防范的外来动物疫病，近年来，在我国周边国家时有暴发，严重威胁着我国公共卫生安全。这些动物疫病一旦传入，对于野生动物保护以及家畜养殖业都将是毁灭性的打击。因此，在边境动物及其制品的进出口检疫中，如何快速准确地检测这些外来疫病和防止传入国内显得尤为重要。常规的分子生物学检测方法虽然具有安全、特异、敏感等优点，但是同样不能满足边境高通量检测的需求。因此，急需研发一种满足边境高通量检测需求且能够快速排查、 准确诊断外来动物疫病的方法。

目前，病毒的检测主要依靠PCR检测技术，主要包括普通PCR和荧光定量PCR。随着检测通量的增加，普通PCR和荧光定量PCR的灵敏度和准确性均难以保证，特别是多重荧光定量PCR的成本大大增加[14]。液相芯片系统是一种以流式技术为检测平台，不同荧光编码的微球为载体，用于高通量分子检测的新型生物芯片技术。其中以MagPlex微球应用最为广泛。它以磁性微球替代了原本的聚苯乙烯微球，省去了操作过程中过滤的步骤，既减少了微球的损失，也使操作更为便捷，并且缩短了检测时间，提高了检测效率。荧光微球编码是通过红色和橙色2种荧光染料，每种染料分为10个浓度梯度，不同浓度的2种荧光染料相互组合可赋予微球载体100种颜色，以此来对微球进行编码，对1份待检样品中最多100个指标进行同步检测。本研究建立的液相芯片检测技术，可实现在1个反应内检测4种病毒，节省了试验时间，并且提高了检测效率。

本研究建立的液相芯片检测技术具有较好的特异性。本研究建立的液相芯片技术检测小反刍兽疫病毒（PPRV）的灵敏度为2.15×10-6 ng/μL（5.78×103 copies/μL）、 西尼罗热病毒（WNV）的灵敏度为1.17×10-6 ng/μL（2.15×103 copies/μL），与其他已报道的液相芯片检测方法灵敏度基本一致，并且与商业化的荧光定量检测试剂盒的检测灵敏度102～103 copies/μL也相当[15]。 其他2种病毒RVFV和FMDV的检测灵敏度分别为2.98×105、9.54×104 copies/μL，灵敏度相对比较低。在进行敏感性试验时，多重液相芯片检测相较于单重检测出现了本底值出现背景信号升高的现象，在排除可能引起本底值背景升高的原因后，发现此为多重检测中存在的正常现象[16]。然而由于本底值的升高，会对阳性结果的判定有一定影响，表现为部分探针检测敏感性降低。随着检测靶基因的增多，引物扩增效率，微球的数量以及反应条件等都会影响液相芯片的检测，因此，还需要通过对引物设计和液相芯片的检测体系等条件进行优化，从而提高检测方法的灵敏性。另外，在对临床样品的检测，使用多重液相芯片检测方法检测到小反刍兽疫病毒阳性的样本15份，说明了该方法可用于临床样本的检测。

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