用環介導等溫擴增技術快速檢測糞便樣本中的沙門菌

劉威，李環，鄒大陽，楊展，趙向娜，李雪蓮，崔茜，王思淼，黃思妺，閆夏貝，魏曉，王雪松，尹志濤，黃留玉，袁靜

軍事醫學科學院 疾病預防控制所，北京 100071

據統計，在世界各國多種類細菌性食物中毒中，沙門菌引起的食物中毒常列榜首[1-3]。過去的一個世紀，中國作為一個主要的食品生產商和消費者，人均消費的食物大幅增加。根據食源性疾病暴發的報告，1992～2005年，在細菌性食源性疾病暴發中沙門菌病是第二大原因，每年約10%～20%的暴發是由沙門菌引起的[4]。食源性沙門菌常導致腹瀉，更好地控制沙門菌感染需要敏感和快速的檢測方法。雖然傳統的分離培養沙門菌的方法仍被廣泛使用，但所需檢測時間超過3 d[5-6]。以PCR為基礎的快速檢測沙門菌的分子技術已經建立[7]。但PCR鑒定有幾個固有的缺點，如對試驗條件要求較高，需要昂貴的儀器設備和專業人員，且操作相對復雜，更為重要的是檢測成本高，只有專業檢測實驗室才能進行，基層單位難以開展。因此，開發一種操作簡便、特異性高、靈敏度好、檢測快速、成本低廉、適于基層推廣的檢測方法，對沙門菌的監控將起到積極作用。最近發展的環介導等溫核酸擴增技術（loop-mediated isother?mal amplification，LAMP）是一種新的分子生物學方法，它在等溫條件下實現核酸擴增[8-9]。LAMP技術的反應原理是，根據序列保守區域設計的一對外引物、一對內引物和一對環引物特異性識別靶序列上的6個獨立區域，在Bst大片段聚合酶的作用下引起自循環鏈置換反應，在60～65℃范圍60 min內大量合成目標DNA，同時伴隨副產物——白色的焦磷酸鎂沉淀產生。由于LAMP擴增過程依賴識別靶序列6個獨立區域，所以反應特異性很強，且核酸擴增過程在等溫條件下進行，普通水浴鍋或有穩定熱源的設備即可滿足反應要求，檢測成本大大降低。目前，LAMP技術在臨床診斷[10]、細菌或病毒的定性和定量檢測[1,11-15]、性別鑒定[16]和其他方面得到廣泛應用。已有研究結果表明,invA基因是沙門菌獨有的基因，也是PCR檢測沙門菌的一個目標基因[17]。因此，我們選擇invA基因作為LAMP法檢測沙門菌的目標基因，擬以LAMP法為基礎對糞便樣本中的沙門菌進行檢測。

1 材料與方法

1.1 材料

實驗用菌種見表1，各菌株在腦心浸液肉湯（BHI）中于37℃培養；Bst大片段DNA聚合酶（New England Biolabs公司）；總DNA提取純化試劑盒（Promega公司）；dNTP（Pharmacia公司）；Chelex-100、甜菜堿（Sigma公司）；硫酸鎂、氯化鉀、氫氧化鈉、EDTA、硫酸銨（國藥集團化學試劑有限公司）；Tris-HCl（上海生科生物科技有限公司）；Triton X-100（北京美萊博醫學科技有限公司）；NP-40（FLU?KA公司）；羥基萘酚藍（HNB）（Regal Biotechnology公司）；2×Tap MIX（天根生化科技（北京）有限公司）；瓊脂糖（AMRESCO公司）；引物由北京奧科鼎盛生物有限公司合成。

PCR擴增儀，凝膠成像系統（Bio-Rad公司）；分光光度計（NanoDrop ND-1000）；實時濁度儀LA-320c（日本榮研化學株式會社）；等溫金屬浴（杭州博日科技有限公司）。

1.2 細菌菌株和準備的模板

將細菌分別接種于5 mL對應的培養基中，按照細菌最適宜生長溫度培養過夜。用Chelex法提取細菌總DNA：取500 μL細菌懸液，10 000 r/min離心2 min，棄上清，加入500 μL雙蒸水，再加入等體積的 Chelex法 DNA提取液（25 mmol/L NaOH，10 mmol/L Tris-HCl，1%Triton X-100，1%NP-40，0.1 mmol/L EDTA，2%Chelex-100），于沸水中沸煮10 min，轉入4℃放置5 min，14 000 r/min離心2 min，上清液在LAMP和PCR反應中[18]用作模板。

1.3 引物設計

從NCBI數據庫中獲得已知的invA基因序列（NC_003197.1），用Primer Explorer v4軟件（http://primerexplorer.jp/LAMP）進一步分析序列，設計外環正向引物（F3）、外環反向引物（B3）、內環正向引物（FIP）、內環反向引物（BIP），額外的2個環引物（LF和LB）是為了加速放大反應（表2）。FIP和BIP設計時添加了4個胸腺嘧啶（TTTT）。與PCR比較其敏感性和特異性，PCR引物為SM127B3和SM127F3。

表1 特異性LAMP實驗所用菌種

表2 擴增invA基因的LAMP引物及序列

1.4 LAMP反應

配制25 μL LAMP反應體系，包含20 mmol/L Tris-HCl（pH8.8）、10mmol/L KCl、10mmol/L（NH4）2SO4、0.1%Tween-20、0.8 mol/L 甜 菜 堿 、8 mmol/L MgSO4、1.4 mmol/L dNTP 和 8 U Bst DNA聚合酶。需要40 pmol引物FIP和BIP、20 pmol引物LF和LB、5 pmol引物F3和B3。最后，添加適當數量的DNA模板到反應管中。反應須在63℃恒溫浴中進行50 min，80℃滅活5 min。

1.5 LAMP結果檢測

LAMP過程發生如下化學反應：

其中，Mg2P2O7即焦磷酸鎂為白色沉淀。依據此原理，日本榮研化學株式會社開發出實時濁度儀LA-320c，每隔6 s測定反應管的濁度并繪制曲線，判斷反應的陰陽性。

HNB是一種金屬離子指示劑，依賴反應液中鎂離子的變化而呈現不同的顏色，陰性時為紫色，陽性時為天藍色。使用時將HNB配制成2.4 mmol/L的反應液[17]，-20℃保存備用。

1.6 PCR檢測

圖1 LAMP反應檢測8株已知非沙門菌的特異性

25 μL PCR反應體系包含12.5 μL PCR主混合試劑（天根公司）、1 μmol/L SM127F3和SM127B3引物和相同數量的DNA模板。反應參數為95℃預變性5 min，然后以95℃變性30 s、55.5℃退火30 s、72℃延伸30 s進行35個循環，72℃延伸10 min。取PCR產物5 μL，在1%含EB的瓊脂糖凝膠中電泳（120 V，35 min），用凝膠成像系統檢測。

2 結果

2.1 特異性的LAMP試驗

選出8株已知非沙門菌和16株沙門菌分別進行LAMP擴增。當反應體系中存在沙門菌的特定基因時發生LAMP擴增反應，產生大量焦磷酸鎂白色沉淀，反應液的濁度上升，在圖中表現為曲線上升，可以看出只有沙門菌曲線上升，所有非沙門菌菌株LAMP反應顯示陰性。表明這套引物具有良好的特異性。反應前加入1.25 μL 2.4 mmol/L的HNB，只有沙門菌反應管的顏色變成了天藍色，示為陽性，其他菌株均為紫色，示為陰性，也說明設計的引物具有良好的特異性。見圖1、2。

圖2 16株沙門菌的特異性檢測

2.2 靈敏度的LAMP試驗

為了確定設計的引物用于檢測沙門菌的敏感性，用基因組DNA提取試劑盒提取腸炎沙門菌的基因組DNA，1/10梯度稀釋后用于LAMP、PCR，結果見圖3。濁度儀檢測和HNB檢測均得到相同結果，LAMP檢測的最低限度約6.97 pg/μL，PCR檢測限度約69.7 pg/μL。

2.3 糞便樣品的LAMP檢測方法評估

進一步用LAMP法分析評估檢測糞便樣本的敏感性。將腸炎沙門菌DNA梯度稀釋后與糞便樣品混勻，進行LAMP，結果見圖4。濁度儀檢測和HNB檢測均得到相同結果，都與純樣品有相同的靈敏度。因此，我們可以得出結論，2種檢測方法有相同的靈敏度。用相同的模板，采用PCR鑒定沒有達到我們的目標，目標片段并不清楚（圖4C），這是因為糞便中的雜質影響所致。

3 討論

圖3 LAMP法和PCR法的靈敏度比較

用LAMP法可以在恒溫條件下于1 h內通過擴增細菌的一個目標基因來檢測細菌，大大節約了時間和勞動力成本，已有許多采用LAMP檢測病原菌的文獻報道，包括大腸桿菌O157∶H7、單核細胞增多性李斯特菌、金黃色葡萄球菌、副溶血弧菌[19-21]。在本研究中，我們設計了針對沙門菌特異基因invA的LAMP引物，并用該引物靈敏、快速地檢測到沙門菌。用Chelex法提取基因組DNA，整個處理時間不超過20 min，反應過程快捷，只須將反應混合液在60℃～65℃恒溫條件下保持60 min即可完成?，F在國內大多數研究者在檢測LAMP反應結果時往往選擇對反應結果進行電泳或在反應完成后添加SYBR GreenⅠ熒光染料，這2種方法都使反應產物暴露于空氣中，污染了環境，極其容易造成假陽性，而且電泳法檢測并不能實時反映LAMP反應過程。我們采用實時濁度儀和HNB檢測，反應完成后不開蓋，很好地杜絕了污染，有效防止了假陽性。

綜上，我們應用LAMP法對沙門菌進行了快速檢測，特異性強，靈敏度高。LAMP法雖然擴增原理復雜，但操作簡便、用時少、靈敏度高、特異性強，再加上其等溫反應條件，因此適用于檢驗檢疫部門和衛生醫療單位對沙門菌的檢測，并有望成為簡易的常規檢測手段應用于基層單位。

圖4 LAMP法和PCR法檢測糞便樣本中腸炎沙門菌的靈敏度比較A：LAMP法濁度儀檢測結果；B：LAMP法HNB顯色結果；C：PCR法檢測結果；M：D2000 DNA marker；1～8：腸炎沙門菌基因組DNA濃度 依 次 為 69.7、6.97、0.697 ng/μL 和 69.7、6.97、0.697、0.0697、0.00697 pg/μL

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