基于環介導等溫擴增技術對人乳頭瘤病毒的分型檢測

孫萌，柴蕊，張亞蘭

北京城市學院 生物醫藥學部，北京 100083

宮頸癌是威脅婦女健康的主要疾病之一，被認為是全球性公共衛生問題，是發展中國家最常見的癌癥，世界上每2 min就會有1個婦女死于宮頸癌[1]。而人乳頭瘤病毒（human papillomavirus，HPV）持續感染是宮頸癌和一些生殖器瘤樣病變的主要原因。HPV有多種基因型，目前已知100多種，其中30余種可從受感染的生殖道組織中分離出來[2-4]。根據病毒致癌性的大小，可將HPV分為低危型（非癌相關型，包括HPV6、11、42、43和一些新型HPV）和高危型（癌相關型，包括 HPV16、18、31、33、35、39、45、51、52、56、58、59、66、68）[5-6]。近10年來我國宮頸癌的發病率穩步上升且趨于年輕化，故對宮頸癌及癌前病變的早期發現、早期診斷、早期干預顯得非常必要。

發達國家宮頸癌的篩查流程多為HPV檢測和細胞學檢查同時進行，異常者轉陰道鏡檢查，可疑病變定點活檢，隨訪以HPV檢測和細胞學檢查為主[7-12]。環介導等溫擴增技術（loop-mediated isothermal amplification method，LAMP）是一種新型體外等溫擴增特異性核酸片段的技術，該技術主要利用2對特殊引物和具有鏈置換活性的DNA聚合酶在一定條件下進行反應，只需把基因模板、引物，鏈置換DNA合成酶等共同置于一定溫度（60～65℃）下，可在15 min至1.5 h內出現109～1010倍的擴增。LAMP技術針對HPV的DNA檢測，具有較高的特異性，操作簡單、快速高效。通過LAMP完成HPV分型是一種快速檢測HPV亞型的方法，對宮頸癌及癌前病變篩查具有重大意義，可為臨床宮頸病變的診治提供依據。HPV高危型有多種，除HPV59、HPV66、HPV68這3種亞型，其他高危型已經可以通過LAMP檢測出來。因此，我們選取高危型HPV59、HPV66、HPV68作為實驗樣本開展研究。

1 材料和方法

1.1 材料

臨床HPV樣本購自浙江殷欣生物技術有限公司；微流控芯片、微流控芯片核酸分析儀由博奧生物集團有限公司提供；ABI7500實時熒光定量PCR儀購自上海智巖科學技術有限公司；LAMP DNA擴增試劑盒購自上海信裕生物技術有限公司；引物由上海生物工程有限公司合成。

1.2 特異性靶序列篩選

登陸NCBI官網，檢索HPV59、HPV66、HPV68亞型全基因組序列，并將其所對應的所有毒株序列分類下載。HPV亞型是根據其基因的L1和L2區的不同核酸序列進行命名。用核酸分析軟件DNAMAN對HPV59序列進行多序列比對，選取變異少的L1、L2區序列并對該序列進行Blast比對，選定高特異性的HPV59靶序列片段。HPV66、HPV68片段選擇同HPV59。如圖1。

1.3 特異性引物設計

根據選定的特異性靶序列設計相應的引物組合（表1），并根據引物組合設計該組的頸環引物（LF、LB）。

1.4 引物溶解與混合

引物合成后按照說明書填寫引物補水單，計算初次補水量。引物補水前12 000 r/min離心10 min，在超凈工作臺里按照補水單一一對應補加適量的滅菌水，充分振蕩混勻，瞬時離心，于4℃放置2.5 h，使之完全溶解。用分光光度計測定每條引物的核酸濃度，清潔光纖表面，加2 μL滅菌水到光纖表面，放下檢測壁，用濾紙將水吸干，如此可保證BLANK準確。吸取1.5 μL滅菌水加到下光纖表面，放下檢測壁，點擊BLANK做空白對照。加樣測量，將1.5 μL核酸加到下光纖表面，放下檢測壁，輸入樣本編號，點擊Measure測量。將測量結果輸入補水單，計算二次補水量。引物補二次水，在超凈工作臺里按照補水單一一對應補加適量的滅菌水，充分振蕩混勻，瞬時離心，放置-20℃待用。引物溶解后，在EP管上標記好要配制的混合引物的名稱，加入35 μL水，然后依次加入24 μL FIP、BIP，10 μL LB、LF，3 μL F3、B3，振蕩混勻，瞬時離心，-20℃保存。

圖1 選定的特異性靶序列

1.5 引物初篩

表1 引物組合及序列

將 HPV59、HPV66、HPV68質粒濃度由 1×109拷貝/μL梯度稀釋到1×105拷貝/μL，吸取5.24 μL稀釋后的質粒水溶液與3.67 μL LAMP擴增試劑混合，然后加入1.09 μL混合引物，振蕩，瞬時離心。陰性對照只須將質粒換成滅菌水。將8聯排管放入ABI7500實時熒光PCR儀，打開軟件編輯程序，啟動擴增程序。

1.6 環介導等溫擴增技術引物靈敏度的檢測

分析引物初步篩選結果，選擇在1×105拷貝/μL條件下擴增出峰時間較早的引物進行靈敏度篩選。將HPV59、HPV66、HPV68質粒濃度由1×109拷貝/μL梯度稀釋至1×103、1×102拷貝/μL。吸取5.24 μL稀釋后的質粒水溶液與 3.67 μL LAMP擴增試劑混合，然后加入1.09 μL混合引物，振蕩，瞬時離心。陰性對照只須將質粒換成滅菌水。將8聯排管放入ABI7500實時熒光定量PCR儀，打開軟件編輯程序，啟動擴增程序。

2 結果

2.1 引物初篩

對HPV59、HPV66、HPV68通過選取對應核酸片段的LAMP結果見圖2。使用設計的5組HPV59引物，在1×105拷貝/μL初篩質粒濃度下，擴增曲線出峰時間應在20 min，只有HPV59-2、HPV59-5較好，其他幾條幾乎沒有擴增。HPV66引物設計了5組，初次篩選只有HPV66-2、HPV66-5擴增效果較好，其他出峰時間較晚，均不符合。HPV68引物設計了10組，其中HPV68-4、HPV68-10擴增結果較好。以上初篩選出的6組引物可作為下一步靈敏度檢測的參考。

2.2 引物靈敏度檢測

根據引物初篩結果，HPV59-5的出峰時間早于HPV59-2，所以選擇HPV59-5進行靈敏度檢測，結果見圖 3。1×103拷貝/μL HPV59-5 擴增曲線出峰時間為37 min，1×102拷貝/μL HPV59-5擴增曲線出峰時間為33 min，且只有一條可出峰，陰性對照曲線沒有擴增，由此可以得出HPV59-5的檢測下限為1×102拷貝/μL。

根據引物初篩結果，HPV66-2、HPV66-5的靈敏度檢測結果見圖 4。1×103拷貝/μL HPV66-2擴增曲線出峰時間在30 min左右，1×103拷貝/μL HPV66-5擴增曲線出峰時間在40 min左右，且這2種引物在1×102拷貝/μL均沒有擴增出，所以引物HPV66-2的靈敏度較好，HPV66-2的檢測下限為1×103拷貝/μL。

圖2 引物初篩結果

根據引物初篩結果，HPV68-4、HPV68-10的靈敏度檢測結果見圖 5。1×103和1×102拷貝/μL HPV68-4擴增曲線出峰時間都在46 min，1×103拷貝/μL HPV68-10擴增曲線出峰時間在25 min，1×102拷貝/μL HPV68-10擴增曲線出峰時間在40 min，早于引物HPV68-4，所以HPV68-10的靈敏度較好，檢測下限為1×102拷貝/μL。

2.3 微流控芯片對HPV樣本檢測

將篩選好的HPV59、HPV66、HPV68亞型擴增引物加入微流控芯片，并在芯片中加入LAMP反應所需試劑，即制成可檢測這3種亞型病毒的微流控芯片，配合微流控芯片核酸分析儀，即可實現對臨床樣本的快速分型檢測。取3個已知感染類型的臨床樣本，分別標記為HPV59、HPV66、HPV68亞型，用微流控芯片進行測試，擴增曲線斜率超過30，則說明擴增反應已發生，軟件自動判斷結果為陽性；否則，為陰性。出峰時間和峰值與擴增反應效率呈正相關。結果如圖6，A和B中橙色曲線代表實驗的陽性對照，綠色曲線代表檢測的目的指標HPV59和HPV66，藍色曲線代表人基因；C中紅色曲線代表實驗的陽性對照，綠色曲線代表檢測的目的指標HPV68，灰色曲線代表人基因（檢測HPV59、HPV66、HPV68樣本所使用的儀器不是同一臺，因此曲線顏色代表的內容不同）。可以看出，擴增曲線有明顯峰值出現，儀器顯示為陽性，微流控芯片對這3份樣本的檢測結果與樣本中HPV亞型的實際情況完全符合。

圖3 HPV59-5引物靈敏度檢測結果

圖4 HPV66-2、HPV66-5引物靈敏度檢測結果

3 討論

針對 HPV59、HPV66、HPV68亞型的基因序列，分別設計篩選出一套適合反應的LAMP引物，將引物加入微流控芯片，對3份實際HPV樣本進行檢測，可以準確檢測出樣本的HPV亞型。研究表明，可利用LAMP技術對HPV的亞型進行準確分型，但需要解決一系列技術問題，才能確保結果的準確性。首先，要有良好的引物設計。在引物設計篩選過程中，HPV59引物共設計了3次，樣本檢測結果表明最后一次設計的引物較好，要使LAMP的反應效率提高，關鍵在于讓4條引物在反應開始階段與靶基因發生雜合反應，因此篩選引物時除了避免假陽性反應外，還要選擇引物片段的大小，從而使Tm值處在一定范圍內，引物的Tm 值應滿足 F1c、B1c＞F2、B2＞F3、B3，且 F2和 B2的Tm值應該在BstDNA聚合酶的催化溫度范圍內，即60～65℃。F1c和B1c的Tm值要高于F2和B2的Tm值，這樣從模板DNA上釋放的DNA單鏈能夠更快速地形成環狀結構；而F2和B2的Tm值要高于F3和B3，從而保障內引物與靶基因的結合先于外引物。其次，在樣本檢測過程中要設法排除干擾因素，并控制好反應條件。例如，開始時是直接將HPV樣本加入微流控芯片進行檢測，但檢出率很低，外對照出峰時間很晚，甚至擴增不出來。經分析認為可能是由于樣本中干擾成分過多，對LAMP擴增的抑制作用過大。后將HPV樣本進行適當的前處理，再加入濃縮全集成芯片進行檢測，檢出率明顯提高。另外，考慮到溫度會影響引物的反應，將微流控核酸分析儀的反應溫度降低了2℃，將之前沒有檢出的樣本在此條件下再次進行檢測，有的樣本可被檢測為陽性。總之，在良好引物設計的基礎上，通過優化檢測條件，利用微流控芯片可以準確檢測出臨床樣本中HPV的亞型。將LAMP技術與微流控芯片整合并用于HPV的分型檢測，不僅可獲得較高的靈敏度和特異性，還具備指標通量高、檢測時間短等優勢，預期在臨床上有較好的應用前景。

圖5 HPV68-4、HPV68-10引物靈敏度檢測結果

圖6 HPV樣本檢測結果