基于等温扩增的耐药金黄色葡萄球菌超敏检测策略研究

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细菌每年可导致9亿人感染,已成为全球公共卫生的巨大威胁。细菌感染的治疗方法主要为抗生素类药物治疗,但滥用抗生素导致了耐药细菌的种类急剧增加,且目前已存在多种类型的多重耐药细菌。世界卫生组织公布了12种对人类社会造成严重威胁的多重耐药菌,其中耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)被归类于高度耐药性。常见的MRSA检测方法根据靶标类型的不同可以分为三大类:平板培养法、PBP2a蛋白免疫检测法、mec A基因检测法。平板培养法是目前检测MRSA的金标准方法,通过观察抑菌圈大小确定耐药类型。PBP2a蛋白免疫检测法是通过筛选PBP2a蛋白的单克隆抗体,并利用抗原抗体反应,检测MRSA表面存在的特异性抗原的方法。mec A基因检测法是通过聚合酶链式反应(PCR)等扩增技术,对MRSA的特异性基因位点进行检测,从而实现耐药菌鉴定的方法。这些方法普遍存在耗时长,灵敏度不够,需要专业的仪器设备以及技术人员支持等难题,无法实现MRSA感染的早期快速检测,在社会范围内造成严重的医疗负担。近年来,等温扩增技术发展迅速,其具有快速、扩增效率高、无需变温条件、无需大型仪器设备支持等优势,被广泛应用于多重耐药菌的检测。本研究基于指数扩增反应(EXPAR)、回文序列驱动的转录扩增(PPTA)这两种等温扩增技术构建了相应的生物传感器,分别以MRSA特异性的PBP2a蛋白和mec A基因为检测靶标,实现了MRSA感染的早期、高特异性检测。开展的研究内容如下:(1)整合了基于适配体功能化磁珠(AFMBs)的信号转换模块,基于EXPAR的信号放大模块和基于高性能二硫化钼(Mo S2)纳米片的信号读出模块,构建了无背景MRSA检测技术。首先利用缩合反应将氨基修饰的适配体-阻断物(blocker)DNA双链与EDC活化后的羧基修饰的磁珠连接,形成AFMBs,并通过扫描电镜(SEM)、动态光散射(DLS)激光粒度仪、振动样品磁强计(VSM)、紫外分光光度计(UV/vis)进行表征。当MRSA存在时,其能够与AFMBs紧密结合并改变适配体的构象,从而释放出blocker单链,实现了从蛋白信号到核酸信号的转换。释放的blocker与扩增模板结合触发EXPAR,实现信号扩增,并加入四甲基氯化铵抑制其非特异性扩增,用聚丙烯酰氨凝胶电泳进行表征。通过水热法合成了具有吸附单链DNA及荧光猝灭特性的高性能Mo S2纳米片,使用透射电镜(TEM)、X射线光电子能谱(XPS)、X射线衍射(XRD)进行表征。随后设计了一段Cy5标记的与blocker互补的单链DNA,将其加入到Mo S2纳米片溶液中,使其被吸附在Mo S2纳米片表面,组成信号读出模块。当加入扩增后的blocker时,blocker与Cy5荧光探针杂交形成双链DNA并远离了Mo S2纳米片表面,使Cy5荧光恢复。在优化的实验条件下,构建的无背景MRSA检测技术在10-10~6 CFU/m L的范围内展现出良好的线性关系,检出限达到6.39 CFU/m L,且能够有效区分MRSA与金黄色葡萄球菌在内的多种形态类似的球菌。多次重复测试证实了该方法具有良好的稳定性,相对标准偏差为2.5%。选择水、牛奶作为实际样本进行检测,结果证实该MRSA检测方法具有较高的可靠性。(2)结合回文序列驱动的转录扩增技术(PPTA),建立了一种高效实用的mec A基因电化学传感器。首先设计了一段具有回文序列、mec A基因识别区域、T7启动子序列和转录模板的发夹结构(HP)探针。当mec A基因与HP探针相遇时,会与识别区域杂交并打开茎环,同时暴露出T7启动子序列。T7 RNA聚合酶识别后,将回文序列尾部作为引物延伸形成双链T7启动子,从而触发体外转录,产生大量的RNA产物。扩增后的RNA产物通过与电极上修饰的捕获探针杂交而被固定于电极表面,最后使用亚甲基蓝(MB)进行电化学信号读出。利用聚丙烯酰氨凝胶电泳评估了PPTA的可行性,用差分脉冲伏安法(DPV)来验证转录产物捕获与电化学传感检测mec A基因的可行性。在优化的实验条件下,该方法在1 f M至100 n M的范围内展现出良好的线性关系,检出限达到0.81 f M,且具有良好的可重复性。本论文针对目前MRSA特异性蛋白及核酸检测中存在的灵敏度问题,构建了两种基于等温扩增技术的新型生物传感器对MRSA进行鉴定,两种技术均无需大型仪器设备支持,且展现出较短的检测周期,极高的灵敏度,良好的可重复性,为多重耐药菌的超敏检测提供了一个简单实用的平台,有望成为临床上病原微生物鉴定的潜在工具。
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