嗜肺軍團菌分子檢測最新進展

林韻，肖曉臻，肖賢聲，陸勇軍

1.中山大學 生命科學學院，廣東 廣州 510275；2.廣州市金潤環保科技有限公司，廣東 廣州 510726

嗜肺軍團菌分子檢測最新進展

林韻1，肖曉臻2，肖賢聲2，陸勇軍1

1.中山大學 生命科學學院，廣東 廣州 510275；2.廣州市金潤環保科技有限公司，廣東 廣州 510726

嗜肺軍團菌是軍團病最主要的致病原，在人工水體或空調冷卻系統中多有存在，是影響公眾健康的一大隱患。能否準確高效地檢測嗜肺軍團菌，對軍團病的防控具有重要意義。分子生物學技術多具有快速、簡便、特異、靈敏等優點，近年越來越多地應用于嗜肺軍團菌的檢測。本文簡要綜述了嗜肺軍團菌分子檢測的最新進展，介紹了PCR及其衍生技術、核酸等溫擴增技術、基因分型、探針雜交及其相關技術，以及新一代測序在嗜肺軍團菌分子檢測中的應用，并簡單討論了嗜肺軍團菌檢測存在的問題，對嗜肺軍團菌分子檢測的前景進行了展望。

嗜肺軍團菌；分子檢測；核酸技術

軍團菌屬細菌（Legionellasp.）是一類革蘭陰性菌，廣泛存在于天然淡水或人工水體中。該屬的許多種類一旦以氣溶膠的方式被易感人群吸入肺中，即有可能在肺泡中繁殖，并導致軍團病（legionellosis或 Legionnaires'disease，LD）。軍團病可分為龐蒂亞克熱（Pontiac fever）和軍團菌肺炎（Legionnaires pneumonia），前者是一種自限性流感樣疾病，后者按嚴重程度從輕微咳嗽到快速致命的肺炎不等[1]。

嗜肺軍團菌（L.pneumophila）是軍團病最主要的致病原。1976年，美國費城召開的退伍軍人大會上暴發了一場大規模感染，221人出現非典型肺炎癥狀，34人死亡；次年分離出致病菌株，即嗜肺軍團菌[2-3]。此后，軍團菌病在世界各地時有暴發流行，我國也于1982年首次報道了軍團菌病的臨床病例[4]。研究表明，軍團菌肺炎暴發的首要風險來自中央空調冷卻塔和供水系統[1]。我國衛生部于2012年發布的《公共場所集中空調通風系統衛生規范》中明確指出，集中空調系統冷卻水和冷凝水中不得檢出嗜肺軍團菌[5]。隨著我國城市化水平的提高，空調及供水系統普及，嗜肺軍團菌的檢測對預防軍團菌病的暴發和流行無疑具有重要意義。

自軍團菌病于1977被報道以來，環境中嗜肺軍團菌的檢測就受到極大的重視，各種檢測方法也不斷出現。傳統的嗜肺軍團菌檢測方法有分離培養、血清抗體檢測、尿抗原檢測等。細菌培養法是檢測嗜肺軍團菌的“金標準”，但其生長所需營養豐富，耗時長，檢測成本高且效率低下；血清學檢測則存在滯后性，缺乏早期診斷意義；尿抗原檢測對血清型1型（LP1）以外的嗜肺軍團菌敏感性較低[6]。近年發展的分子生物學技術以其快速、簡便、特異、敏感等優點，已在嗜肺軍團菌檢測及軍團病快速診斷方面占有一席之地。

分子生物學針對生物大分子，如DNA、RNA、蛋白質等進行研究。應用蛋白質技術對病原微生物進行檢測多與抗體相關，一般歸類于免疫學方法，在此不做贅述。隨著基因組學研究和高通量測序等技術的不斷進步，嗜肺軍團菌的核酸分子生物學檢測技術也得到了長足發展。現就分子生物學核酸技術在嗜肺軍團菌檢測中應用的最新進展做一概述。

1 聚合酶鏈式反應及其衍生技術

聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）是一種由DNA聚合酶催化的特定序列體外擴增技術。對嗜肺軍團菌來說，常用的檢測靶標為mip（macrophage infectivity potentiator，巨噬細胞感染力增強因子）基因和16S rRNA基因。前者為嗜肺軍團菌所特有，后者可用于分辨軍團菌屬。Yong等認為，隨著科學家對軍團菌基因組研究的加深，將會出現更多新的分子靶標，使嗜肺軍團菌的檢測更為精確[7]。

PCR作為一種常規、可靠的核酸擴增技術，常與其他分子生物學技術手段結合使用，如基因分型（genotyping）、探針雜交（probe hybridization）等。PCR也發展出了一系列衍生技術，下面簡述2類應用較多的技術。

1.1 實時熒光定量PCR

實時熒光定量PCR（quantitative real-time PCR，qPCR）是指在PCR反應體系中加入熒光基團，利用熒光信號積累實時監測整個PCR進程，最后通過標準曲線對未知模板進行定量分析的方法。qPCR是除了細菌培養法外惟一一項寫入ISO技術規范的軍團菌屬和/或嗜肺軍團菌檢測標準[8]。Omiccioli等以34株軍團菌和16株非軍團菌為材料進行檢測，對這一方法進行了確認；并認為在軍團菌檢測中，qPCR能夠取代培養法而不僅僅是作為替代選項[9]。

1.2 多重PCR

多重PCR（multiplex PCR）是指用多對引物同時擴增不同的DNA序列，可同時檢測出多種病原微生物。Calvo等運用多重PCR從阿米巴體內同時檢測包括嗜肺軍團菌在內的5種病原菌[10]；Cao等以O抗原基因為靶標，運用多重PCR成功分辨出嗜肺軍團菌的6種血清型[11]。

2 核酸等溫擴增

核酸等溫擴增（isothermal nucleic acid ampli?fication）技術能在某一特定溫度下擴增核酸，因而擺脫了對熱循環儀的依賴，具備臨床或現場快速檢測及基層推廣的潛力。核酸等溫擴增技術的種類很多，如以RNA為模板的依賴于核酸序列的擴增（nucleic acid sequence-based amplification，NASBA）、模擬DNA自然復制過程的依賴解旋酶的等溫擴增（helicase-dependent amplification，HDA）、模擬微生物環狀DNA復制過程的滾環擴增（rolling circle amplification，RCA）、利用具有鏈置換活性的DNA聚合酶的環介導等溫擴增（loopmediated isothermal amplification，LAMP）、利用限制性內切酶的鏈替代擴增（strand displacement amplification，SDA）等[12]。

核酸等溫擴增已被運用到嗜肺軍團菌的檢測中。Lu等運用LAMP法快速檢測出嗜肺軍團菌與非嗜肺軍團菌[13]；筆者也成功地以IVB型分泌系統的基因為靶標，用LAMP法檢測了嗜肺軍團菌（論文待發表）。市面上已存在專門的軍團菌等溫擴增檢測試劑盒，如日本榮研化學株式會社的“朗報（LAMP）”軍團菌核酸檢測試劑盒；國內也有生物公司，如廣州華峰生物科技有限公司、廣州迪澳生物科技有限公司等開發出類似產品。

3 基因分型

基因分型是指將待測個體的DNA序列經生物學方法處理后，再與已知個體的基因型進行對比分析的技術。基因分型常用于微生物領域，尤其是病原微生物的監測。傳統的基因分型技術有隨機擴增多態性DNA（random amplified poly?morphic DNA，RAPD）、限制性片段長度多態性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）、擴增片段長度多態性（amplified fragment length polymorphism，AFLP）等，須通過觀察電泳圖譜判定結果，存在一定的主觀性。目前嗜肺軍團菌基因分型的“金標準”是基于測序的分型法（se?quence-based typing，SBT）[14]，可直接做序列對比，避免了這一缺陷。Bianchi等運用SBT分析了2003～2012年29個臨床和環境樣本分離得到的嗜肺軍團菌，找到了樣本間的聯系，證明對環境株的定期采樣分析對軍團病暴發流行的防控有重要作用[15]。

4 探針雜交及其相關技術

4.1 探針雜交

雜交探針（hybridization probe）是一小段帶有可檢測標記的核酸片段，可檢測樣品中是否存在與之互補的靶序列。核酸分子探針易于合成和修飾，且具有較高的靈敏度和選擇性[16]，因此被廣泛用于病原微生物的檢測。Siegrist等運用夾心雜交法（sandwich hybridization），用2種不同標記的探針檢測軍團菌的rRNA，39份軍團菌陽性水樣的分析結果與ISO 11731（GVPC和BCYE瓊脂培養基培養）的測定結果無顯著差異[17]。

4.2 DNA微陣列

將大量核酸探針按一定順序以點狀固定在固體支持物（玻片或尼龍膜）上，即為DNA微陣列（DNA microarray），也叫DNA芯片、基因芯片或生物芯片。這一方法快速、簡便、精準、經濟，商業化潛力大[18]，目前已見于軍團菌的檢測中。Z·ak等運用小型DNA微陣列識別出嗜肺軍團菌66個毒力基因，并用于環境株的分析[19]。

4.3 生物傳感器

生物傳感器（biosensor）是一種由生物敏感材料制成的識別元件（如探針）和物理化學檢測器組成的檢測裝置。這一系統特異、靈敏，可信度高，可實時監測，操作簡便[20]，廣泛應用于環境、食品、醫療等領域。Rai等用以納米多孔氧化鋁薄膜為基礎的無標記電化學DNA生物傳感器檢測出最低檢測限（LOD）為3.1×10-13mol/L的嗜肺軍團菌，且能從中分辨出1個及3個堿基錯配[21]。

5 新一代測序

新一代測序（next generation sequencing，NGS），也叫高通量測序（high-throughput sequenc?ing，HTS），能一次對幾十萬到幾百萬條核酸分子進行序列測定，大大減少了測序所需的時間和費用，使得將測序用于流行病實時監控分析成為可能。在2013年澳大利亞一所大型醫院暴發的軍團病中，SBT與毒力基因分析均無法分辨出致病菌株。Graham等運用全基因組測序，從9株嗜肺軍團菌血清型1型菌株中成功地找到了致病菌株，并發現了它與2011年同一所醫院的一個軍團病病例的聯系[22]。除此之外，測序提供了大量高質量的生物信息學數據，使嗜肺軍團菌的研究更為細致與深入。

6 結語

分子生物學檢測技術適用性強，易于推廣，目前已應用到多種病原微生物檢測中[23]。分子檢測多具有簡便、快速、經濟等優點，在實時監控和及時預警上具有很大的優勢。因此，嗜肺軍團菌分子檢測的發展與應用對軍團病的防控具有重要意義。

分子檢測多以樣品中的DNA為靶標，亦即無論樣品中的嗜肺軍團菌是否存活均可得到陽性結果，使得分子檢測與培養法相比可能存在假陽性。當然，已有研究表明，DNA提取前用氮溴化乙錠（ethidium monoazide，EMA）和疊氮溴化丙錠（propidium monoazide，PMA）進行預處理后，可以只擴增活細胞的基因[24]。

值得一提的是，冷卻塔水、自來水等人工水體屬寡營養環境，且多處于低溫狀態或含有消毒劑，在此環境下嗜肺軍團菌會進入“活的不可培養狀態（viable but non culturable state，VBNC狀態）”而無法在常規培養基上培養檢出。目前并沒有VBNC狀態的軍團菌能在人類細胞或哺乳動物模型中復蘇的案例，然而也沒有研究表明能完全排除VBNC狀態的軍團菌致病的可能性[25]。軍團菌檢測的復雜性使我們認識到，分子檢測法并不能完全取代傳統的檢測手段；根據需要選擇相應的檢測方法，或幾種檢測手段組合使用，才能獲得最佳效果。

分子生物學是一門發展迅速的學科。我們有理由相信，現有的嗜肺軍團菌分子生物學檢測手段將會不斷完善；同時，也會有更多新的、優秀的技術涌現，使包括軍團菌在內的病原微生物的檢測更加準確、特異與靈敏。

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Recent Progress of Molecular Methods forLegionella pneu?mophilaDetection

LIN Yun1,XIAO Xiao-Zhen2,XIAO Xian-Sheng2,LU Yong-Jun1*
1.School of Life Sciences,Sun Yat-Sen University,Guangzhou 510275;2.Guangzhou Jinrun Environmental Protection Company,Guangzhou 510726;China

Legionella pneumophila,the major pathogen of legionellosis,widely exists in man-made water or cool?ing systems and remains a great public health concern.Prevention and control of legionellosis requires accurate and efficient detection ofL.pneumophila.Generally,molecular biological techniques are rapid,simple,specific and sensitive,therefore increasingly applied toL.pneumophiladetection.This review briefly introduced the recent prog?ress of molecular methods forL.pneumophiladetection,including PCR and its derived techniques,isothermal nucle?ic acid amplification techniques,genotyping,probe hybridization and its related techniques as well as next genera?tion sequencing.Finally,existing problems and perspective of molecular methods forL.pneumophilawere discussed.

Legionella pneumophila;molecular detection;nucleic acid techniques

Q78;R378

A

1009-0002（2017）05-0704-05

10.3969/j.issn.1009-

*Corresponding author,E-mail:luyj@mail.sysu.edu.cn

2017-03-08

廣東省科技協同創新與平臺環境建設項目（2014B090901019）

林韻（1994- ），女，博士研究生，（E-mail）498281230@qq.com通信作者：陸勇軍，（E-mail）luyj@mail.sysu.edu.cn