基于反轉錄環介導等溫擴增技術檢測大腸桿菌O157

梁玉林 劉秀 周鵬飛 周振森 尹建軍

（中國食品發酵工業研究院，北京 100015）

大腸桿菌是人腸道中正常的革蘭氏陰性菌，大多數大腸桿菌沒有致病性。正常情況下這些細菌寄生在人的消化道中，并隨糞便排出體外，因此大腸桿菌廣泛存在水和土壤中［1-4］。如果人體免疫機能降低或者大腸桿菌入侵腸道外組織時，它們會成為條件致病菌從而引起人類疾病。根據不同的生物學特性將致病性大腸桿菌分為5類：致病性大腸桿菌（Enteropathogenic Escherichia coli，EPEC）、腸產毒性大腸桿菌（Enterotoxigenic Escherichia coli，ETEC）、腸侵襲性大腸桿菌（Enteroinvasive Escherichia coli，EIEC）、腸出血性大腸桿菌（Enterohernorrhage Escherichia coli，EHEC）和腸黏附性大腸桿菌（Enteroadhesive Escherichia coli，EAEC）。腸出血性大腸桿菌主要包括O157、O26、O111和O104等幾種血清型［5-7］。其中大腸桿菌O157是最主要的食源性致病菌之一，它除了能引起腹瀉、出血性腸炎外，還可發生溶血性尿毒綜合癥（Hemolytic uremic syndrome，HUS）、血栓性血小板減少性紫癜（Thrombotic thrombocytopenic purpura，TTP）等并發癥，后者病情嚴重，病死率高［8］。感染性腹瀉是近年新發現的危害嚴重的腸道傳染病。自1982年美國首次發現該病以來，在許多國家相繼爆發和流行，其流行已成為全球性公共衛生問題之一［9］。

大腸桿菌O157檢測方法主要是傳統培養分離法［10］，分離出的病原菌還要對其進一步分型確認。該方法費時費力，當某種致病菌的檢測需要快速出具結果時，傳統培養分離法的嚴重滯后性就會凸顯出來。近年來，致病菌分子檢測方法層出不窮，分子檢測不但省時省力而且具有比較高的特異性和靈敏度［11］。張微等［12］利用熒光定量PCR技術，建立快速、有效的檢測乳中大腸桿菌O157的方法。盡管該方法操作簡單，靈敏度達到67 CFU/mL，但需要專業人員和高精密的儀器設備，不易在基層推廣。因此，需要開發一種快速、靈敏、準確的方法來現場檢測大腸桿菌O157。

環介導等溫擴增（Loop-mediated isothermal amplification，LAMP）技術是一種新的核酸擴增方法［13］，其擴增過程中的DNA聚合酶采用具有鏈置換活性的DNA聚合酶，整個DNA擴增是在60-65℃恒溫條件下進行的快速擴增反應。由于DNA雙鏈結構穩定，在死菌中能長時間存在，以DNA為檢測模板容易檢出死菌中殘留的核酸而出現假陽性的后果，不能體現樣本中的活菌數量［14］。RNA易降解，不能長時間存在于死菌當中，反轉錄-環介導等溫擴增（RT-LAMP）技術是以RNA為檢測模板的擴增反應［15-16］，除了具有常規LAMP的優勢外，還具有有效區分死菌和活菌的獨特優勢。本研究以大腸桿菌O157的特異性保守基因序列設計多組引物并篩選，構建基于RNA為檢測模板的RT-LAMP技術體系。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 材料與試劑 大腸桿菌O157等26株細菌如表1所示；溶菌酶，天根生物科技公司；RNeasy Mini kit，QIAgen 公司；Isothermal Master Mix（IMM），英國OptiGene Limited公司；焦炭酸二乙酯（DEPC），中科瑞泰（北京）生物科技有限公司；平板計數瓊脂（PCA），北京路橋技術股份有限公司；One Step PrimeScript RT-PCR kit，寶生物工程（大連）有限公司。

表1 RT-LAMP反應特異性

1.1.2 儀器與設備 微量移液器，德國Eppendorf公司；高壓滅菌鍋（SX-700），日本Tomy Digital Biology公司；精密天平（CPA323S），德國Sartorius公司；超純水儀（Mili-Q Advantage A10），德國默克公司；離心機（5804R型，5424型），德國Eppendorf公司；超微量核酸蛋白分析儀（Biodrop），英國柏點公司；GenieⅢ，英國OptiGene Limited公司；生物安全柜，新加坡Esco公司。ABI 7900熒光PCR儀，美國Thermo Fisher Scientific公司。

1.2 方法

1.2.1 引物設計 根據GenBank中的rfbE基因（GenBank Accession S83460.1）的序列，利用LAMP Primer Explorer 4在線軟件（http：//primer explorer.jp/elamp4.0.0/index.htm l）設計8組引物，每組引物分別包括外引物F3、B3，內引物FIP、BIP和環引物LoopF、LoopB。將8組引物進行RT-LAMP實驗，選取穩定性強、擴增時間快和熒光值相對較高的引物組進行下一步試驗，每組引物平行進行3次RTLAMP測試。

1.2.2 純培養細菌的RNA提取 在平板上取大腸桿菌O157單菌落接入LB液體培養基中，培養12 h到對數期。取1 mL菌液5 000×g離心10 min，輕輕倒掉液體。向沉淀加入10 μL蛋白酶K，100 μL TE（含終濃度15 mg/mL溶菌酶），充分混勻沉淀，在室溫下反應30 min，接下步驟嚴格按照RNeasy Mini kit操作步驟提取。

1.2.3 rRT-PCR和RT-LAMP反應 rRT-PCR擴增引 物 rfbE-F ：5′-TCCTCAGCTATAGGGTGCTTTG-3′，rfbE-R ：5′-ATCGAAACAAGGCCAGTTTTTTAC-3′，rfbE-BJP ：5′-ATACGATAACATCCACGGCTCTGGCT GG-3′。按照 One Step PrimeScript RT-PCR kit操作步驟進行反轉錄和進一步核酸擴增反應。擴增條件為50℃ 2 min，95℃ 10 min，95℃ 15s，60℃ 1 min，共45個循環。對于Ct值≤40的擴增結果判定為陽性。

經優化后在 12.5 μL 體系中，包括 7.5 μL Mix、2.5 μL混合引物（外引物、內引物和環引物含量分別為2.5 pmol、10 pmol和 5 pmol）、1.5 μL 模 板。RT-LAMP反應溫度65℃，反應時間30-60 min。

1.2.4 大腸桿菌O157死菌中RNA降解情況 為驗證大腸桿菌O157死菌中RNA降解情況，避免死菌中DNA對RT-LAMP檢測結果的干擾。我們選取104、103、102、101CFU/mL 四個菌液濃度。121℃下20 min高壓蒸汽滅菌，放置一段時間，模擬死菌狀態，對死菌進行平板培養，驗證是否滅菌完全。分別對滅菌前后各濃度梯度的大腸桿菌O157菌液進行RNA提取，并進行RT-LAMP反應。

1.2.5 RT-LAMP反應的特異性和靈敏度 提取大腸桿菌O157等26株細菌RNA，并以RNA為檢測模板進行RT-LAMP反應驗證該方法的特異性。

將提取的大腸桿菌O157原菌液總RNA測定濃度后，對總RNA進行稀釋，最后選取3 fg、30 fg、300 fg、3 pg、30 pg、300 pg、3 ng/μL 共 7 個 濃 度梯度，從各濃度梯度各取1.5 μL作為檢測樣本進行RT-LAMP反應檢測純培養大腸桿菌O157靈敏度。

1.2.6 rRT-PCR和RT-LAMP反應在人工污染脫脂乳中的靈敏度檢測 為保證檢測結果的準確性，經國標GB/T4789.2-2016方法證實試驗所用脫脂乳中不含大腸桿菌O157，取25 g脫脂乳置于225 mL滅菌生理鹽水中樣品。取新鮮培養的12 h細菌，用生理鹽水充分洗滌培養基，10倍梯度系列稀釋，取各稀釋度菌液1 mL加入脫脂乳勻漿中，制備人工污染脫脂乳勻漿，使人工污染脫脂乳勻漿中大腸桿菌O157含量達到10-1-105CFU/mL，充分混合，作為人工污染脫脂乳樣品。

取各菌液濃度的人工污染脫脂乳樣品1 mL，提取人工污染脫脂乳樣品中的RNA，同時取不加大腸桿菌O157的脫脂乳樣品1 mL作為陰性對照平行進行RNA提取。以提取的RNA為檢測模板分別進行rRT-PCR和RT-LAMP反應，比較兩種方法的檢測靈敏度。每個濃度的RNA模板分別進行5次獨立rRTPCR和RT-LAMP試驗，當某個濃度梯度的RNA模板的5次試驗中有1次無法觀察到擴增曲線，該濃度的上一稀釋度才能被認定為最低檢測靈敏度。

2 結果

2.1 八組大腸桿菌O157引物篩選

根據引物間距離、GC含量、引物序列Tm值、引物末端穩定性和二級結構5個因素，實驗共設計了8組LAMP引物。如圖1在整個實驗室不含大腸桿菌O157核酸樣品情況下，對8組引物進行RTLAMP擴增反應發現3號、4號和8號引物均發生擴增反應，可以斷定該擴增反應是非特異性的，可能是由于引物間的堿基互補配對引起的擴增反應。如圖2在含有大腸桿菌O157核酸樣品情況下，對8組引物進行RT-LAMP擴增反應，2號引物出現擴增曲線的時間最短。綜合3次測試結果，2號引物具有較高的穩定性，其在反應時間上明顯比其它引物組都快且熒光值相對較好。選取2號引物作為RT-LAMP反應引物進行下一步實驗，2號引物序列如表2。

圖1 大腸桿菌O157引物篩選（不含檢測模板）

圖2 大腸桿菌O157引物篩選（含檢測模板）

2.2 大腸桿菌O157死菌中RNA降解情況

在121℃下20 min高壓蒸汽滅菌處理的大腸桿菌O157，經平板培養觀察未發現形成菌落，滅菌后的細菌均無繁殖能力。對滅菌前后不同濃度的大腸桿菌O157菌液進行RNA提取，并經RT-LAMP檢測。圖3為滅菌前大腸桿菌O157 RT-LAMP擴增反應，可以看出提取101CFU/mL菌液RNA進行RTLAMP反應仍能出現熒光擴增，說明反應體系中存在RNA。圖4為滅菌后大腸桿菌O157 RT-LAMP擴增反應，可以得出各菌液濃度的核酸提取物中未含有RNA。結合圖3和圖4進一步證實104CFU/mL及其以下死菌菌液中RNA降解完全，以RNA為檢測模板進行RT-LAMP反應可以鑒別死活菌。

表2 大腸桿菌O157靶基因引物序列

圖3 活菌RNA檢測

圖4 死菌RNA檢測

2.3 RT-LAMP反應特異性和靈敏度

本研究共對26株細菌進行RT-LAMP試驗，其中只有2株大腸桿菌O157產生特異性擴增反應，其他大腸桿菌血清型和非大腸桿菌菌株均未產生特異性擴增反應（表1）。說明篩選到的引物具有較高的特異性，只能特異性檢出大腸桿菌O157。

對提取的純培養大腸桿菌O157的總RNA進行10倍梯度稀釋，驗證建立的方法對純培養大腸桿菌O157的檢測靈敏度。結果如圖5所示，當總RNA稀釋到30 fg/μL時，RT-LAMP反應仍能產生擴增曲線，而繼續稀釋核酸將不會產生擴增曲線，表明純培養大腸桿菌O157檢測靈敏度達到30 fg/μL。

圖5 RT-LAMP反應靈敏度

2.4 rRT-PCR和RT-LAMP反應在人工污染脫脂乳中的靈敏度檢測

將提取的人工污染脫脂乳樣品RNA溶解到50 μL不含RNase的無菌水中，取其中1.5 μL作模板，分別進行rRT-PCR和RT-LAMP反應。同時取1 mL各濃度梯度的人工污染脫脂乳樣品進行平板菌落計數，記錄各濃度梯度人工污染脫脂乳樣品中大腸桿菌O157的準確含量。從圖6可以看出rRT-PCR檢測靈敏度達到20 CFU/mL，換算成固體脫脂乳污染樣品檢測靈敏度為200 CFU/g。從圖7可以得出RTLAMP反應靈敏度達到2 CFU/mL，換算成固體脫脂乳污染樣品檢測靈敏度為20 CFU/g。所建立的RTLAMP方法靈敏度高，比rRT-PCR反應靈敏度高10倍。

圖6 人工污染脫脂乳rRT-PCR反應靈敏度

圖7 人工污染脫脂乳RT-LAMP反應靈敏度

3 討論

目前國內外文獻報道的大腸桿菌O157的LAMP檢測方法多以stex、eae、wzy和rfbE等基因作為特異性擴增靶基因，其中stex是編碼志賀毒素毒力因子基因［17-19］，但有些大腸桿菌O157缺失stx基因，以stex基因序列設計LAMP引物可能不會擴增出目的基因條帶進而造成假陰性的問題。wzy是編碼O抗原聚合酶的基因［20］，eae是編碼緊密黏附素的基因［21］，然而eae和wzy基因除了存在于大腸桿菌O157外，也少量存在于一些腸科細菌，以這兩種基因序列設計的LAMP引物可能會檢測出大腸桿菌O157以外的腸科細菌，進而造成假陽性的后果。研究表明大腸桿菌的rfb基因作為靶基因具有很好的保守性［22］，大腸桿菌rfb基因是O抗原的編碼基因，不同序列的rfb基因編碼產生不同的O抗原，其中大腸桿菌O157的O抗原特異性編碼基因為rfbE基因［23］。本研究以rfbE基因設計引物，以RNA為檢測模板進行RT-LAMP反應，結果能夠證實所檢測的大腸桿菌O157是否處于活的增殖狀態［24-26］。此外實驗依靠GenieⅢ平臺使得反轉錄過程和擴增過程同時進行，大大降低了反應時間，有利于現場快速檢測工作的開展。

在人工污染脫脂乳樣品實驗中，當樣品中大腸桿菌O157濃度稀釋到2 CFU/mL時，建立的實時熒光RT-LAMP方法每次均能特異性檢出，當菌液繼續稀釋到更低時，該方法有時不能檢出。對于細菌含量很少的樣品，尤其是量少也易致病的大腸桿菌O157，如果不經過前增菌很有可能造成漏檢的嚴重后果，為保證結果的可靠性可以適當加上前增菌等步驟。因為受大腸桿菌O157污染的食品種類很多，實驗只進行了人工污染脫脂乳實驗，后期需要擴大人工污染食品種類，驗證方法的可靠性。

4 結論

本研究對大腸桿菌O157設計多組LAMP引物并篩選，確定反應體系配比，從而建立了檢測大腸桿菌O157的實時熒光RT-LAMP方法。該方法只特異性檢出大腸桿菌O157，其他大腸桿菌血清型和非大腸桿菌菌株均未產生特異性擴增反應，對固體脫脂乳污染樣品檢測靈敏度達到20 CFU/g。

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