膜電噴霧質譜法快速檢測細菌氨基糖苷耐藥性

鄯科明，滕中秋

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膜電噴霧質譜法快速檢測細菌氨基糖苷耐藥性

鄯科明1，滕中秋2,3,4

目的針對細菌耐藥性的產生和傳播已成為全球重要公共衛生問題的現狀，擬建立細菌氨基糖苷耐藥性的快速檢測方法。方法基于膜電噴霧質譜法，以ArmA蛋白的特異性肽段TYDVVFLLK (TK-9)特征性母子離子對為檢測目標，建立了細菌氨基糖苷耐藥性的快速檢測方法。結果采用合成的標準肽段用于建立和驗證定性定量檢測方法學。由于膜電噴霧離子化技術可大幅度提高質譜檢測靈敏度，使得檢測流程僅需進行2 h增菌，與微波酶解法配合運用可最大程度縮短樣本前處理流程。結論經驗證該方法可成功檢測模擬真實環境樣本中細菌氨基糖苷耐藥性，具有極高的檢測靈敏度和準確度。在今后的研究中有望將該方法用于對環境樣本中其它細菌耐藥蛋白的快速檢測。

膜電噴霧離子化；快速檢測；細菌耐藥；ArmA

Rapid detection of bacterial aminoglycoside resistance using membrane electrospray ionization mass spectrometry

Supported by the Natural Science Foundation of China (No.81471919) and the Research Foundation of China CDC (No.2014A101).

細菌耐藥性的產生和傳播已成為全球重要的公共衛生問題[1]。細菌依靠可移動元件如插入序列、質粒和“耐藥基因組島”等可快速獲得抗生素耐藥性[2]。目前，雖有超過15種針對細菌不同生理或代謝功能而設計的抗生素得到廣泛應用，但是在細菌的各種耐藥機制面前他們無一幸免[3]。面對每種抗生素，細菌都隨之進化出了應對策略，而其中的耐藥機制則與一系列的耐藥基因有關。例如細菌獲得qnrA/B/S基因則對氟喹諾酮類抗生素產生耐藥性[3-4]，獲得blaCTX-M和blaNDM-1基因則對β-內酰胺類和碳青霉烯類抗生素產生耐藥性[5-7]，具有mcr-1則耐多黏菌素抗生素[8]，具有armA則耐氨基糖苷類抗生素等等[9-10]。為防止不當和過度使用抗生素，對細菌耐藥性進行定性、定量檢測成為迫切需求[11]。

用于對細菌耐藥性的檢測方法已有一些相關報道。例如，常規微生物學研究中經常采用瓊脂稀釋法對細菌藥物敏感性進行測試[12-13]；聚合酶鏈式反應(PCR)和實時熒光定量PCR對耐藥基因的檢測[11,14]；此外近年來也有報道采用質譜(MS)法對β-內酰胺類抗性的檢測[15-16]。質譜具有很高的靈敏度和特異性，是十分強大的分析工具。特別是近年來敞開式電離技術(ambient ionization)的不斷發展，使復雜的樣本前處理過程得以大大縮短，讓快速檢測痕量復雜樣本成為可能。已報道的敞開式電離技術包括：解析電噴霧電離(DESI)[17]，實時直接分析質譜(DART)[18]，紙噴霧電離(PS)[19-20]和膜電噴霧電離(MESI)[21]等等。

本文基于膜電噴霧質譜法，以ArmA蛋白的特異性肽段TYDVVFLLK (TK-9)的特征性母子離子對為檢測目標，建立了細菌高水平氨基糖苷耐藥性的快速檢測方法。這一方法在未來有望被繼續拓展，用于細菌其它耐藥基因表達蛋白的檢測。

1　材料與方法

1.1材料與試劑菌株信息詳見表1。腦心浸液培養基購于北京陸橋技術有限責任公司(中國北京)；尿素、硫脲、CHAPS、二硫蘇糖醇(DTT)、碘乙酰胺(IAA)、 NH4HCO3, KH2PO4和K2HPO4購于Sigma-Aldrich公司(美國)；測序級胰蛋白酶購于Promega公司(美國)；色譜級甲酸(FA)、甲醇 (MeOH)購于Fisher Scientific (美國)；蛋白濃度檢測試劑盒(#500-0204)購于Bio-Rad公司(中國上海)；純水購于娃哈哈集團(中國杭州)；濾紙購于國藥集團化學試劑北京有限公司(中國北京)；透析膜(截留分子量3.5 kDa和8-14 kDa)購于伯易生物科技有限公司(中國上海)；合成肽段TYDVVFLLK (TK-9，經MALDI-TOF MS及HPLC驗證，純度> 95%)購于Pepmic公司(中國蘇州)。

表1本文涉及的菌株信息

Tab.1Bacteria information used in this study

序號Entry細菌(菌株號)Bacteria(Straincode)armA基因armAgene來源Source1鮑曼不動桿菌(MDR-ZJ06)A.baumannii(MDR-ZJ06)+醫院來源(中國北京)HospitalinBeijing,China2鮑曼不動桿菌(Ab-1)A.baumannii(Ab-1)-醫院來源(中國北京)HospitalinBeijing,China3大腸桿菌(A839)E.coli(A839)+醫院來源(中國北京)HospitalinBeijing,China4大腸桿菌(BL21)E.coli(BL21)-寶生物科技有限公司(中國大連)TakaraBiotechCo.Ltd.inDalian,China

1.2細菌培養細菌菌株在腦心浸液(BHI)肉湯中37 ℃持續振蕩培養。新鮮BHI肉湯接種了1∶1 000稀釋的指數期培養(OD600=0.6)的菌株。初始培養濃度大約為1×106CFU/mL，記錄下OD600，并且提取不同培養時間的蛋白。

1.3PCR檢測菌株armA基因分離株通過PCR方法來確認攜帶armA基因，包含引物ArmA-F: 5′-ATGGATAAGAATGATGTTGTT-3′和ArmA-R: 5′-TTTCTGAAATCCACGAGTAATA-3′。擴增程序包含以下過程的30個循環，每個過程為：95 ℃ (30 s)，55 ℃ (30 s)，72 ℃ (45 s)，72 ℃ (8 min的延伸期)。PCR的擴增產物(774 bp)，通過瓊脂糖凝膠電泳檢測并通過ABI PRISM 3730XL測序儀(中國北京)測序驗證。

1.4樣本制備細菌細胞的細胞質蛋白由裂解液超聲波提取(裂解液含：7 mol/L尿素，2 mol/L硫脲， 4 % CHAPS和1 % DTT)。裂解后的懸濁液于16 000 g離心15 min后取上清，采用Bradford法測定蛋白濃度。使用微波法進行蛋白酶切，即：蛋白樣品在50 μL的50 mmol/L碳酸氫銨溶液中溶解并且加入5 mmol/L DTT在95 ℃反應5 min，隨后在15 mmol/L的IAA存在下在黑暗處反應30 min。最后使用測序級胰酶按照酶/底物1∶50 (w/w)的比例加入胰蛋白酶，在700 W的微波下酶切15 min。

1.5膜電噴霧電離質譜法(MESI-MS)分析MESI-MS分析使用Bruker HCT質譜儀(德國)。干燥氣為氮氣(流速10 L/min; 溫度150 ℃)；采用正離子模式；毛細管電壓為-1.5 kV。膜電噴霧電離裝置(MESI)如圖1所示：將雙層透析膜(約7 mm等邊三角形)壓實于已潤濕的濾紙上，兩層透析膜具有不同的截留分子量，其中第一層透析膜的截留分子量為8～14 kDa, 第二層為3.5 kDa。透析膜和濾紙一并用銅夾固定于距質譜進樣口約5 mm的位置。樣本檢測過程全部為上樣2 μL樣本溶液至透析膜中間，等待30 s后移除第一層透析膜，在第二層透析膜后端施加3 kV電壓，同時在膜上加入8 μL沖洗溶劑(MeOH∶H2O∶FA=60∶40∶0.1, v/v)，在電壓推動下樣本逐漸向前移動，在三角形透析膜尖端形成噴霧，進行質譜檢測。

圖1　膜電噴霧離子源裝置的結構示意圖Fig.1　Instrumental setup of MESI-MS ion source

2　結　果

2.1ArmA蛋白特異性肽段的選擇特異性肽段從細菌耐藥蛋白ArmA的理論酶切肽段通過在Exapasy (http://web.expasy.org/peptide_mass/)檢索獲得。采用BLAST算法驗證理論酶切肽段在細菌中沒有同源性。特異性肽段的選擇需遵循以下幾個原則：1)是ArmA蛋白特有的；2)有很高的質譜強度和離子化效率；3)無不穩定的氨基酸和胰蛋白酶漏切位點。最終本文篩選確定肽段TYDVVFLLK (TK-9)進行合成，用于下一步實驗。

2.2膜電噴霧電離電壓的優化在實驗中需要對膜電噴霧直流電壓的選擇進行優化。分別嘗試了不同電壓范圍(1～3 kV)條件下對MESI-MS響應的影響。當電壓低于1 kV時，難以形成噴霧；而當電壓高于3 kV時容易在空氣中產生放電，無法形成穩定而有效的噴霧。最終經過實驗優化，我們選擇了3 kV電壓作為后續的實驗條件。

2.3MESI-MS檢測ArmA特異性肽段采用PCR方法確認菌株是否攜帶armA基因(圖2)。圖3記錄了菌株的生長曲線上各時間點的菌體總蛋白濃度。根據目標肽段的最低檢出限(LOD)和提取蛋白的濃度，可推測增菌所需的最短時間。在本發明涉及的示例菌株中，2 h增菌即可產生足夠量的ArmA用于MEIS-MS/MS檢測。不同的菌株產生蛋白的能力不同，所以對不同的菌，最少培養時間也可能不同。不排除后續檢測菌株增菌時長低于2 h的情況。圖4A為合成標準ArmA特異性肽段(1 mmol/L)的MESI-MS/MS分析。肽段TK-9的特征性母子離子對為m/z549.2→833.2。

圖2　PCR方法驗證菌株攜帶/不攜帶armA基因Fig.2　Bacteria strains with/without armA gene verified by PCR assay

圖3　細菌分離株增菌不同時間時的蛋白濃度Fig.3　Protein concentration determination of bacteria strains after different cultural time

MESI-MS使得質譜快速分析具有顯著去除基質效應的能力，固而在本方法中脫鹽步驟可省略，從而縮短了檢測時間。將特異性肽段作為檢測目標，間接檢測ArmA而非直接檢測ArmA本身，使得可以巧妙的運用MESI-MS的透析膜去除樣本中干擾分析的因素。其中，樣品體系內殘余的胰蛋白酶可通過第一層透析膜除去(MWCO 8-14 kDa)。在胰蛋白酶消化過程中引入的鹽和其他小分子可通過第二層透析膜(MWCO 3.5 kDa)除去。

2.4方法學驗證本文從不攜帶armA基因的菌株(Ab-1 and BL21)中提取所得蛋白的酶切肽段作為空白基質，用以考察添加該空白基質合成肽段的標準曲線線性度，最低檢出限(LOD, S/N=5)和最低定量限(LOQ, S/N=15)。通過MESI-MS檢測一些列濃度梯度肽段TK-9的特征性母子離子對，可知其：線性回歸方程為y=0.287 9 x+4.076 8；相關系數(r2)為0.993 8；線性范圍為1～1000 fmol·μL-1；LOD為1 fmol·μL-1；LOQ為2 fmol·μL-1。采用質控樣本(濃度分別為10和50 fmol·μL-1的合成肽段)考察方法精密度、準確度和回收率(如表2所示)。通過檢測高低不同濃度的特異性肽段，驗證了方法學具有較好的精密度、準確度及回收率。

表2MESI-MS分析的方法學驗證 (n=5)

Tab.2Methodology validation of MESI-MS analysis (n=5)

質控樣本QCsample質控樣本濃度ConcentrationofQCsample(fmol·μL-1)精密度Precision(RSD%)準確度Accuracy(RE%)回收率Recovery(%,x±s)肽段TK-9100.571.2995.08±1.12PeptideTK-9500.351.1793.73±0.88

3　模擬環境樣品的快速測定

真實衛生環境檢測采用在實驗室通過拭子法從表面獲得的環境樣本[22]，向其中添加有鮑曼不動桿菌(MDR-ZJ06 and Ab-1)以及大腸桿菌(A839 and BL21)。經過2 h的增菌培養胰酶消化后，采用上述建立的MESI-MS/MS方法，成功識別到模擬環境樣品中的肽段TK-9 (如圖4B所示)，而陰性對照樣本檢測不到TK-9的存在。由此可見，本文所建立的新方法整體檢測流程在3 h內可完成，對添加了攜帶或不攜帶armA基因的不同種細菌(鮑曼不動桿菌、大腸桿菌)的模擬環境樣本進行檢測，實現了具有高靈敏度與準確度的快速檢測。

A. 合成標準肽段； B. 模擬真實樣本

4　結　論

綜上述所，本文采用膜電噴霧質譜法對ArmA特異性肽段TK-9的特征性母子離子對的檢測，建立了對細菌攜帶氨基糖苷耐藥基因表達蛋白ArmA的快速檢測方法。這一新方法具有快速檢測的特點，所需的增菌、胰酶消化及質譜檢測整體流程可在3 h內完成對細菌氨基糖苷耐藥性的檢測，經驗證該方法具有較高的靈敏度、精密度和準確度。

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SHAN Ke-ming1, TENG Zhong-qiu2,3,4

(1.PlanningandResearchInstitute,NorincoGroup,Beijing100053,China;2.NationalInstituteforCommunicableDiseaseControlandPrevention,ChineseCenterforDiseaseControlandPrevention,Beijing102206,China;3.StateKeyLaboratoryforInfectiousDiseasePreventionandControl,Beijing102206,China;4.CollaborativeInnovationCenterforDiagnosisandTreatmentofInfectiousDiseases,

Hangzhou310003,China)

Antibiotic resistance in pathogenic bacteria is becoming a global public health problem, such as aminoglycoside resistance encoded byarmAgene. Rapid analysis of environmental samples is still challenging although many methods reported,A rapid analytical method was developed to identify bacterial high-level aminoglycoside resistance by using membrane electrospray ionization mass spectrometry (MESI-MS) in this study. The precursor/production pair of peptide TYDVVFLLK (TK-9) unique to ArmA was detected as the target analyte. Synthesized standard peptide was used for developing and validating the methodology. MESI-MS with two layers of membrane offers high sensitivity so that only 2 hours was needed for bacterial culture. The novel assay offered a rapid method to determine bacterial aminoglycoside resistance with high sensitivity, accuracy and precision in simulated environmental samples within 3 hours. This method could also be applied to identify other drug-resistance protein in clinical/environmental samples.

membrane electrospray ionization; rapid analysis; drug-resistance; ArmA

Teng Zhong-qiu, Email: tengzhongqiu@icdc.cn

滕中秋，Email: tengzhongqiu@icdc.cn

1.中國兵器工業規劃研究院，北京100053；2.中國疾病預防控制中心傳染病預防控制所，北京102206；3.傳染病預防控制國家重點實驗室，北京102206；4.感染性疾病診治協同創新中心，杭州310003

R378

A

1002-2694(2016)06-0564-05

2016-02-14；

2016-04-22

DOI：10.3969/j.issn.1002-2694.2016.06.011

國家自然科學基金面上項目(No. 81471919)和中國疾病預防控制中心青年科研基金 (No. 2014A101)聯合資助