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产气荚膜梭菌α-毒素基因数字PCR 方法的建立及其在标准物质研制方面的应用

2024-04-01张铭洋张喜悦赵格曲志娜高宏伟孙敏程慧敏徐佳微王君玮邹明

山东农业科学 2024年1期
关键词:定值灵敏度特异性

张铭洋 张喜悦 赵格 曲志娜 高宏伟 孙敏 程慧敏 徐佳微 王君玮 邹明

摘要:产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens)是一种重要的人兽共患病原菌,α-毒素是其分子生物学检测的主要靶标。 试验选取Clper 引物及探针建立微滴式数字PCR(droplet digtial PCR,ddPCR)方法,最佳引物浓度0.85 μmol/ L,探针浓度为0.3 μmol/ L,退火温度为60 ℃。 利用建立的ddPCR 方法检测单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌、肠球菌、金黄色葡萄球菌、弯曲杆菌的DNA,结果均为阴性,表明该方法具有较好的特异性。 合成产气荚膜梭菌α-毒素基因,制成DNA 标准品,选取3 个稀释梯度的标准品进行重复试验,组内和组间变异系数均小于5%,证明该方法具有较好的重复性。 采用7 个稀释梯度的标准品进行重复检测,计算出该方法的检测限为12.39 copies/ μL,定量限为33.97 copies/ μL。 通过对68 份临床样品进行检测,证实该方法可用于临床,且用于检测质粒DNA 时无明显的基质效应。 应用ddPCR 方法对标准品进行均匀性和稳定性检验,并联合9 家实验室进行定值,最终获得了国家市场监督管理总局颁发的标准物质证书(GBW(E)091237)。 α-毒素基因ddPCR 方法的建立和DNA 标准物的研制,为产气荚膜梭菌分子生物学检测试剂的标准化奠定了基础。

关键词:产气荚膜梭菌;ddPCR;α-毒素基因;标准物质;特异性;灵敏度;可重复性;定值

中图分类号:S852.61文献标识号:A文章编号:1001-4942(2024)01-0156-08

微滴式数字PCR ( droplet digital PCR,ddPCR)是近年来迅速发展起来的一项定量分析技术,能够实现对靶基因的精准定量检测。 数字PCR 的概念由Vogelstein 等[1] 首次提出,他们在检测大肠癌患者的K-RAS 基因突变时,进行了微升级的PCR 扩增,分别用不同荧光检测突变基因和正常基因,通过计算突变基因和正常基因的比例得出突变率。 随着生物技术的不断发展与优化,PCR 技术从普通PCR 逐渐发展为荧光定量PCR,目前的ddPCR 属于第三代PCR。 ddPCR 技术通过对样品进行微滴化处理,经PCR 扩增后对所有微滴进行逐个检测,有荧光信号的判读为1,无荧光信号的判读为0,再根据泊松分布原理和阳性微滴的数量与比例可得出目的分子的起始拷貝数。 与传统PCR 及荧光定量PCR 相比,ddPCR具有样本需求量低、绝对定量以及高灵敏度、高重复性、高耐受性等优势[2-4] 。 目前,该技术已广泛应用于转基因生物、致病菌、病毒、食品安全等领域。

产气荚膜梭菌(Clostridium perfringens) 广泛分布于土壤、污水、饲料和动物肠道中,可导致动物的坏死性肠炎、肠毒血症,以及人类的腹泻和食物中毒等疾病[1-2] 。 近年来,关于产气荚膜梭菌分子生物学诊断方法的报道较多,但多为传统的PCR 和荧光定量PCR 方法,使用的靶基因均为α-毒素基因。 随着产气荚膜梭菌分子生物学检测试剂的广泛应用,对标准物质研发的需求也越来越强烈。 标准物质可以满足检测结果标准化的需求,因此,本研究旨在建立产气荚膜梭菌α-毒素基因ddPCR 检测方法,并应用于质粒标准物质的研发。

1 材料与方法

1.1 供试菌株及样品

产气荚膜梭菌(ATCC13124)、单核细胞增生李斯特菌(ATCC19111)、沙门氏菌(ATCC14028)、大肠杆菌(ATCC25922)、肠球菌(ATCC29212)、金黄色葡萄球菌(ATCC29213)、弯曲杆菌(ATCC33559)均由国家兽医微生物菌(毒)种保藏中心动物卫生与流行病学分中心保存。 产气荚膜梭菌阳性病料由中国动物卫生与流行病学中心致病微生物监测室保存。

1.2 试剂和仪器

ddPCR 探针法超预混液(不含dUTP)、微滴发生油购自北京汇力宏业生物科技有限公司。α-毒素基因、引物和探针序列由生工生物工程(上海)股份有限公司合成。 微滴式数字PCR 检测系统(伯乐QX200,美国)。

1.3 试验设计与方法

1.3.1 ddPCR 方法的建立 参照Grau-Roma[5] 、Xu[6] 等的方法分别合成2 对引物和探针(表1)。

分别使用上述2 对引物建立ddPCR 方法并进行反应条件优化。 引物和探针分别设置4 个浓度梯度,其中10 μmol/ L 引物加样量设置为:1.3、1.5、1.7、1.9 μL;10 μmol/ L 探针加样量设置为:0.3、0.6、0.9、1.2 μL。 退火温度设置为56、58、60、62 ℃。通过比较ddPCR 的检测拷贝数、微滴生成数、微滴分布状态、微滴荧光信号的强度确定最佳反应条件。

1.3.2 特异性、重复性、检出限和定量限试验 分别以产气荚膜梭菌、单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌、肠球菌和金黄色葡萄球菌的DNA 为模板, 用产气荚膜梭菌α - 毒素基因ddPCR 方法检测以评价其特异性。 选取3 个浓度梯度(101、102、103 copies/ μL) 的标准品DNA为模板,在间隔第7 天和第14 天分别进行重复试验,每个浓度设3 个重复,记录各次试验的拷贝数,并分析组内和组间的变异系数,以检测该方法的重复性。 参考?分析方法检出限和定量限的评估?(GB/ T 27415—2013)[7] 中的方法进行检出限(IDE)和定量限(IQE)的测定。 以7 个浓度梯度(10-1、100、101、102、103、104、105 copies/ μL)的产气荚膜梭菌α-毒素基因质粒标准品DNA 为模板,每个梯度重复检测9 次,用产气荚膜梭菌α-毒素基因的ddPCR 方法对其扩增,评估方法的检出限、定量限和动态范围。

1.3.3 ddPCR 方法的临床应用及基质效应评估

取实验室保存的68 份临床阳性病料,其中产气荚膜梭菌阳性病料38 份,沙门氏菌、大肠杆菌、肠球菌、单核细胞增生李斯特菌、金黄色葡萄球菌、弯曲杆菌阳性病料各5 份,提取DNA 作为临床样本进行产气荚膜梭菌α-毒素基因ddPCR 方法鉴定。 依据?基质效应与互通性评估指南?(WS/ T356—2011)[8] 中的方法对制备的标准物质进行基质效应与互通性评估验证。 选取产气荚膜梭菌临床阳性样本20 份,浓度在102 ~ 104 copies/ μL间随机分布。 准备5 份制备样本,将制备样本与临床样本随机穿插排列,使用ddPCR 方法测定所有样本。

1.3.4 候选标准物质的制备 通过NCBI 网站Blast 比对,合成具有代表性的产气荚膜梭菌α-toxin 基因(GenBank:AY277724.1) 片段,克隆至pUC57-α-toxin 质粒并转化E. coli Top 10 感受态细胞。 经扩大培养后提取质粒备用。 应用KpnⅠ(NEB,美国)对质粒进行线性化处理,反应体系为2 μL cutsmart、3 μL KpnⅠ、5 μL ddH2O、10 μL质粒(53.65 ng/ μL),37 ℃水浴3 h。 回收后的线性化质粒,稀释后分装作为候选标准物质,-80 ℃保存备用。

1.3.5 候选标准物质的鉴定及检验 对产气荚膜梭菌α-毒素基因质粒进行常规PCR 鉴定、双酶切和测序鉴定,并对其进行均匀性和稳定性检验,鉴定方法参照文献[9]进行。

1.3.6 定值 选择9 家具备认可资质的实验室,对候选标准物质进行联合定值。 对测得的数据进行正态分布检验、组内可疑值检验、组间等精度检验以及各组平均值之间的t 检验,并计算样品的不确定度,对候选标准物质定值,并通过有证标准物质评估实验室定值的稳定性[7,9] 。

2 结果与分析

2.1 ddPCR 方法的建立

分别使用2 对引物建立ddPCR 方法,结果Clper 引物探针具有更好的特异性,故在本研究中,使用该引物探针进行目标基因的扩增。 对引物和探针的浓度进行优化,结果10 μmol/ L 引物的用量为1.7 μL、10 μmol/ L 探针的用量为0.6μL,即反应浓度分别为0.85 μmol/ L 和0.3 μmol/ L时,ddPCR 检测拷贝数最多,微滴分布状态、微滴荧光信号的强度也均较好(圖1A)。 退火温度优化结果显示,60 ℃ 时特异性最好,且信号强度较强(图1B)。最终建立的ddPCR 方法,主要包括微滴生成、PCR 扩增和微滴读取3 个步骤。 ①微滴生成。 反应体系为supermix 10 μL、上、下游引物(10 μmol/ L) 各1.7 μL、探针(10 μmol/ L) 0.6μL、模板1 μL、ddH2O 5.0 μL,加入至微滴生成卡的sample 孔;在微滴生成卡的oil 孔中加入70 μL微滴生成油;将生成卡放入微滴生成仪,生成微滴。 ②PCR 扩增。 将生成的微滴转移至96 孔板,盖膜后放入热封仪封膜;将封好膜的96 孔板放入PCR 仪进行扩增;PCR 扩增程序为:50 ℃ 2min;95 ℃ 10 min;95 ℃ 30 s,60 ℃ 1 min,40 个循环;98 ℃ 10 min,4 ℃ 60 min。 ③微滴读取。 扩增完毕后将96 板转移至QX200 Droplet Reader 微滴读取仪上进行微滴读取。 在以上确定的反应条件下,阴、阳性微滴划分阈值划定在荧光强度为2 000的位置。

加样说明参见表2。

2.2 特异性、重复性、检出限和定量限结果

分别以单核细胞增生李斯特菌、沙门氏菌、大肠杆菌、肠球菌、弯曲杆菌、金黄色葡萄球菌的DNA 为模板,用建立的产气荚膜梭菌α-毒素基因ddPCR 方法检测,结果均为阴性(图2),表明特异性较好。

选取3 个浓度梯度(101、102、103 copies/ μL)的标准品DNA 为模板,分别在第1、7、14 天进行重复试验,每个梯度设3 个平行,记录各次试验的拷贝数,并统计分析组内和组间的变异系数。 结果3个梯度标准品的组内变异系数为0.73% ~3.17%,组间变异系数为3.36% ~4.27%(表3),重复性和重现性较好。

采用7 个浓度梯度(10-1、100、101、102、103、104copies/ μL 和105 copies/ μL)的产气荚膜梭菌α-毒素基因质粒DNA 进行检测。 每个稀释度3个重复。 结果(图3)表明,ddPCR 反应产生的微滴数量超过10 000 个,当稀释度为101 ~104时,产气荚膜梭菌α-毒素基因拷贝数与浓度之间呈良好的线性关系,可绘制标准曲线(图4)。 标准曲线方程为y= 4.319x+14.53,R2 = 0.999,计算得出检出限为12. 39 copies/ μL, 定量限为33. 97copies/ μL。

A08、B08、C08 的DNA 浓度为105 copies/ μL,D 08、E08、F08的DNA浓度为104 copies / μL,G08、H08 的DNA 浓度为103 copies/ μL, B09、C09、D09 的DNA 浓度为102 copies/ μL, E09、F09、G09 的DNA 浓度为101 copies/ μL, H09、D10、E10 的DNA 浓度为100 copies/ μL, F10、G10、H10 的DNA 浓度为10-1 copies/ μL。

2.3 候选标准物质的制备与鉴定

将提取的pUC57-α-toxin 质粒进行双酶切和PCR 鉴定,结果均可见大小为1 146 bp 的片段,符合预期(图5A、C)。 电泳鉴定线性化质粒,仅见1 条条带且大小正确,证实酶切完全(图5B)。将质粒交由公司进行测序,结果其序列与大肠产气荚膜梭菌α-toxin 完全一致。 证明产气荚膜梭菌α-毒素基因质粒DNA 候选标准物质基因序列正确。

2.4 临床样品的验证及基质效应评价

对68 份临床阳性病料进行检测,结果38 份产气荚膜梭菌阳性病料的拷贝数均高于1 000(荧光值均高于2 000),其他非特异性菌株阳性病料的拷贝数均为零(荧光值均低于2 000)。 证明建立的ddPCR 方法可用于临床样品的检测。测定的结果采用线性回归分析方法进行分析,参考?基质效应与互通性评估指南?[8] 中的方法,计算样本测定值双侧95%置信区间。 结果表明,标准物质的测定均值在临床样本95%置信区间内(图6),表明标准物质无明显的基质效应。

2.5 候选标准物质的检验

对20 管候选标准物质进行均匀性检验,采用单因素方差分析法(F 检验法)对结果进行分析,结果F<Fα,表明样品是均匀的。 经稳定性检验,样品可在-20 ℃条件下稳定储存18 个月,基因含量未发生显著变化;将样品置于4 ℃保存8 d,结果样品的检测值无显著变化,表明标准物质在4 ℃运输条件下可稳定保持。 模拟反复冻融,结果样品冻融30 次,基因含量未发生显著变化。

2.6 定值

联合9 家实验室应用ddPCR 方法进行定值。应用SPSS 软件,对定值数据进行正态分布检验,结果显示数据符合正态分布;应用Microsoft Excel做出正态分布的直方图,拟合正态曲线(图7)。对组内数据可疑值检验,结果各组所有最大值和最小值之差的绝对值|vi |均小于l(α,n)s,证实组内没有可疑值。 对各组数据进行等精度检验,计算出C 值为0.18,实验室取α 为0.05,数据组数9,重复测定次数9,查科克伦检验临界值C(α,m,n) 为0.27;结果C≤C(α,m,n) ,表明各组数据为等精度。 对平均值最大组及平均值最小组之间的数据进行t 检验,t 值为2.74,查t 值表tα为2.78,t<tα,证明各组平均值之间无显著差异[7] 。

2.7 不确定度评定

用uA,rel表示相对A 类不确定度,经计算uA,rel为2.1%。 用uB,rel 表示B 类相对不确定度,经计算uB,rel为3.2%。 用ubb,rel表示均匀性差异带来的不确定度,经计算为2.3%。 用Ults和Usts分别表示长期和短期不确定度,经计算分别为6.60%和3.42%。将各分量合成得到标准物质的合成相对不确定度uCRM,rel 为8.67%,扩展相对不确定度uCRM,rel为17.34%,扩展不确定度uCRM为0.59×103copies/ μL。 综合确定制备的标准物质的定值为(3.43±0.43)×103 copies/ μL。

2.8 比对与验证

购置中国计量科学研究院制备的猪繁殖与呼吸障碍综合征标准物质,用ddPCR 方法对其进行测定。 3 次的结果分别为9.41×108、9.38×108、9.42×108 copies/ μL,经分析,该值符合标准物质说明书上的定值(标准值9.4×108 copies/ μL,扩展不确定度0.9×108 copies/ μL)。 证明本研究建立的ddPCR 方法对标准物质的定值正确。

3 讨论与结论

产气荚膜梭菌分布广泛,对人类和动物的健康造成严重危害。 该菌可产生多种毒素,其中A型产气荚膜梭菌分泌的α-毒素是动物和人食源性感染的主要毒素型。 研究表明,α-毒素能够突破血脑屏障、侵害延髓、破坏呼吸系统及心脏的传导系统,最终引发动物“猝死症”[10] 。 产气荚膜梭菌可跟据其产生的4 种主要毒素(α、β、ε、ι)分为5 种毒素型(A、B、C、D、E)。 其中α-毒素是产气荚膜梭菌分泌的主要致死毒素,是一种多功能磷脂酶,几乎所有产气荚膜梭菌都能产生α-毒素。Yonogi 等[11] 建立了用于检测产气荚膜梭菌各种毒素的多重PCR 检测方法;van Asten 等[12] 针对α、β、ε 等毒素建立了多重PCR 检测方法;Shan ̄non 等[13] 建立了用于检测城市污水中特定病原菌的荧光定量PCR 检测方法;Hanabara 等[14] 建立了用于检测人类粪便中食源性致病菌的荧光定量PCR 检测方法;另有其他众多关于检测产气荚膜梭菌的报道[15-22] ,他们使用的靶基因均为α-毒素基因。

ddPCR 方法是一种对核酸分子进行绝对定量的检测技术,已广泛应用于病原检测领域,尤其适用于对低拷贝、低含量病原早期的精准检测,可有效弥补普通荧光定量PCR 方法的不足。ddPCR 将反應体系分散为上万个微滴,微滴经PCR 扩增后,利用微滴检测仪对每个微滴进行检测,最后根据泊松分布原理,直接计算阳性微滴的个数,从而实现直接定量核酸浓度。 本研究建立的产气荚膜梭菌α-毒素基因ddPCR 方法,具有较好的特异性、灵敏性和重复性,与Li[23-24] 、Cor ̄bisier[25] 、Dupas[26] 等的报道一致。ddPCR 检测中,DNA 浓度过高会超出仪器的检测范围,无法直接用于检测;而DNA 浓度过低则会对标准物质的稳定性产生不利影响。 为保证标准物质的稳定性,以更好地应用于临床,本研究制备了浓度相对较低(103 copies/ μL) 的标准物质。 ddPCR 为直接定量方法,其对标准物质的定值结果是全国标准物质管理委员会评价其可信度的主要指标。 本研究利用建立的ddPCR 方法对标准物质进行定值,并获得了国家市场监督管理总局颁发的标准物质证书(GBW(E) 091237)。该标准物质的研发成功,可促进产气荚膜梭菌诊断试剂的标准化,减少检测误差,确保检验人员的检测能力,规范试剂盒的管理。

相较于其他定值方法,ddPCR 法对技术人员和试剂等要求更高,但随着技术进步和试剂成本的逐步降低,本研究建立的产气荚膜梭菌α-毒素基因ddPCR 检测方法,必将具有广阔的应用前景。

参 考 文 献:

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