分子生物学在微生物检验中的应用

    21 世纪是以分子生物学为代表的生命科学的时代，近年来,随着现代生物技术的快速发展,人类基因组计划的完成,尤其是生物化学、免疫学、生物仪器及计算机理论与技术的进步，分子生物学技术在医学、遗传学、法医学、生物学等各个领域广泛应用, 新的诊断技术和方法不断涌现并被广泛应用于微生物检测，为传染病的流行病学调查、基因的多样性、微生物的生物学特性、微生物的致病性和药物的耐受性、微生物的生物降解能力等各个方面提供了重要的信息。

 

      最初应用于微生物检测的分子生物学技术是基因探针方法,它是用带有同位素标记或非同位素标记的DNA 或RNA 片段来检测样本中某一特定微生物核苷酸的方法。核酸杂交有原位杂交、打点杂交、斑点杂交、Sorthern杂交、Northern杂交等,核酸分子探针又可根据它们的来源和性质分为DNA探针、cDNA探针、RNA探针及人工合成的寡聚核苷酸探针等。其原理是通过标记根据病原体核酸片段制备的探针与病原体核酸片段杂交,观察是否产生特异的杂交信号。核酸探针技术具有特异性好、敏感性高、诊断速度快、操作较为简便等特点。目前,已建立了多种病原体的核酸杂交检测方法,尤其是近年来发展起来的荧光原位杂交技术(FISH) 更为常用。

 

      细菌质粒分析是较早被使用的对病原微生物流行病学进行调查的分子分型技术。这种技术包括萃取质粒DNA ,通过琼脂糖凝胶电泳分离DNA。由于不同菌株质粒DNA序列和大小不同,通过琼脂糖凝胶电泳分离得到的DNA质粒图谱也将不同,因此,与流行病相关的分离株能够被分类分型。质粒图谱分析的再现性和分辨力可通过限制性内切酶消化质粒而提高。虽然2个不相关质粒有相同的分子量, 但性内切酶位点的位置和频率是不同的。但质粒是可移动的非染色体遗传物质,细菌能自发的失去或很容易的获得,结果流行病相关的菌株可以展示不同质粒指纹图谱。许多质粒带有抗性决定因子的基因,存在于转位子上,而转位子很容易丢失或获得,这同样可以迅速改变质粒DNA组成。产生图谱的再现性也会由于质粒空间存在的不一致性(超螺旋的、断口的和线形的)而被影响,而凝胶电泳时具有不同迁移速度。大多数病原微生物有质粒,但没有质粒的就不能用此技术分型。此外,由于有些分离株中含有1个或2个质粒,会使菌株间的分辨力降低。

 

       染色体DNA经限制性核酸内切酶消化,消化后的片段再通过琼脂糖凝胶电泳进行分离。用限制性内切核酸酶BglⅡ和EcoRI等消化病原微生物基因组DNA可以产生大量短的片段。电泳后,将获得一系列被分离的DNA图谱。通过比较图谱,就可以进行菌相似性研究。几乎所有的病原微生物分离株都可以通过这种方法分型,但由于基因组DNA巨大,酶切后产生的片段众多,且含有大量的重叠片段,这将导致菌株间图谱一致性分析产生困难。但若细菌只含一个或少量核糖体操纵子, 则只产生1～ 2条带, 这限制区分密切相关菌株的能力。RFLP分析分辨力低于脉冲场凝胶电泳分型技术（PFGE）, 且比较复杂图谱(数百条带) 的难度较大。

 

      脉冲场凝胶电泳分型技术（PFGE）是使用对染色体有很少酶切位点的限制性核酸内切酶消化细菌DNA ,产生大的DNA片段(10～800 kb) ,这些大片段不能通过常规电泳方法进行有效分离。在电场方向周期改变(脉冲)的凝胶电泳条件下,DNA片段根据大小有效分离。PFGE产生的染色体DNA图谱比用那些高频率切割的限制性内切酶产生的图谱更为简单清晰。理论上,所有的细菌都能使用PFGE 进行分型分类,结果具有极高的再现性和分辨率, 常作为分子生物学分型方法的“金标准”使用。PFGE 也有一些局限,例如所需时间长,使用的试剂非常昂贵,要求专门的仪器等。另外,很小的电泳条件的不同就可以改变每条光谱带间距离,使用不同凝胶进行电泳得到的结果也比较复杂,这为不同实验室间的结果比较带来一定麻烦。

 

      聚合酶链反应( PCR)技术自1985年发明以来,因其高度灵敏性和良好的特异性受到了人们的高度重视,各种各样以PCR 为基础的DNA序列的扩增和检测方法得到了迅猛发展,几乎已应用于基础研究的各个领域。各种衍生技术如反转录PCR ( RTR) 、多重PCR 、巢式PCR、PCR单链构象多态性(PCRSSCP)、限制性片段长度多态性（RFLP）、随机扩增的多态性DNA 技术(RAPD)和重复序列PCR技术(Rep - PCR)、荧光定量PCR等。其中定量PCR 既可以用于临床感染性疾病的诊断,又可用于监测其疗效，PCR及其衍生的技术近年来在病原微生物分型研究上得到了广泛应用。

 

      随机扩增的多态性DNA 技术（RAPD）是一种典型PCR衍生技术, 在低复性温度下用短任意序列引物( 10～15m ers) 扩增有密切同源性的基因组DNA序列, 模板上任意引物杂交点的数目和位置因种的不同株而异, 理论上特定株形成特定图谱。基因组在这些杂交区段如发生了DNA片段缺失、插入或碱基突变,就可能导致这些特定结合位点分布发生相应的变化。通过电泳对扩增产物DNA片段的多态性进行检测、分析就可以反应出不同菌株基因组的DNA特点,从而对他们进行分型，RAPD是目前最简单的DNA分型方法, 分辨力高于RFLP, 但低于Rep－PCR，RAPD技术的使用范围也非常广,分辨结果也有较好的实验室再现性。虽然RAPD技术简单、快速, 但由于其对引物和DNA浓度、DNA模板质量、凝胶电泳和DNA聚合酶类型的变化高度敏感, 故RAPD的重复性不够理想。虽然RAPD的分型结果在不同实验室间变化较大,分辨力不如PFGE技术,但在疾病暴发流行时,PAPD仍是一种分析相关菌株和排除不相关菌株的良好技术。

 

      重复序列PCR技术（Rep－PCR是利用细菌基因组中广泛分布的短重复序列为引物靶序列,进行PCR扩增,通过对PCR产物电泳结果的比较,分析菌株间基因组存在的差异。这些重复序列在原核生物界广泛存在,在一些细菌属和种中是保守的。在这种方式获得的图谱中,光谱带的大小和数量的不同代表着不同菌株重复序列间的距离和重复序列的数量。已成功地用于分型的细菌重复DNA序列有肠道菌重复基因间共有(ERIC) 序列、重复基因外回纹序列(REP)和BOX序列的分析，与其他分类技术相比,这种技术有更高的分辨力。研究表明,虽然有时Rep-PCR分辨力稍低,但与PFGE获得的结果却有很好的相关性。

 

      免疫PCR(immuno polymerase chain reaction ,IM PCR) 是1992 年Sano 等建立的一种检测微量抗原的高灵敏度技术。该技术把抗原抗体反应的高特异性和聚合酶链反应的高敏感性有机结合在一起,它的基本原理是用一段已知DNA分子标记抗体作为探针,用此探针与待测抗原反应, 用PCR扩增粘附在抗原抗体复合物上的这段DNA分子,电泳定性,根据特异性PCR产物的有无,来判断待测抗原是否存在。目前,国内外报道的免疫PCR的敏感性一般比现行的ELISA 法高10² ～10⁵ 倍。由于PCR产物在抗原量未达到饱和前与抗原抗体复合物的量成正比,因此免疫PCR 还可用于抗原的半定量试验。

      PCR－ELISA是PCR与ELISA技术结合的检测方法，其综合了PCR、分子杂交和ELISA三种技术的优点，主要用于检测样品中的特定基因。它引入地高辛(或生物素) 标记的dNTP或引物进行PCR扩增,利用酶标抗地高辛抗体(或酶标记亲和素) 进行ELISA检测,代替了用于常规PCR产物检测的电泳方法,方便快捷,易于处理大量样品,且其灵敏度比使用琼脂糖凝胶电泳检测方法高100倍,当有适当的标准品时,还可进行定量测定。

 

      与检测全染色体的PFGE、Rep－PCR和RAPD分析相比,DNA测序只检测细菌或真菌株间潜在变化序列的很小一部分。用于辨别菌株的被测序DNA区域必须满足以下条件:DNA区的结构必须是可变序列，两侧为高度保守区;DNA序列的可变性必须能足以区分特定种的不同株;DNA序列不能水平转移到其它株。对细菌和真菌, 极少序列满足这些条件。相反,DNA测序被认为是病毒分型的 “金标准” 。DNA测序费用高、需要很高的技术条件, 而且自动化DNA 测序仪十分昂贵。

 

      自Woese 等于1987年首次运用rRNA分析以来,rRNA数据库快速扩大起来,成为研究细菌多样性、进化、系统发育中被广泛采用的序列。16SrRNA存在于所有原核生物细胞中,它们相对稳定且有较高的拷贝数(每个细胞几千个拷贝) ,其序列中含可变区及高度保守区,因此可设计群、属、种特异性的探针。现阶段各种常见细菌的16SrRNA基因几乎全部测序完成,16S rRNA编码基因的这些特点使之成为较理想的细菌基因分类的靶序列,逐渐成为细菌鉴定、分类的“金标准”。目前, 16SrRNA 检测技术已在医学界得到广泛应用,可以用现有病原菌标准菌株制作DGGE(变性梯度凝胶电泳) 标准marker , 然后对疑似“病原菌”扩增16SrRNA进行DGGE分析,这样可以做到快速检测。

 

八．生物芯片

      生物芯片技术是将生物大分子,如寡核苷酸、cDNA、基因组DNA、肽、抗原以及抗体等固定在诸如硅片、玻璃片、塑料片、凝胶和尼龙膜等固相介质上形成生物分子点阵,当待测样品中的生物分子与生物芯片的探针分子发生杂交或相互作用后,利用激光共聚焦显微扫描仪对杂交信号进行检测和分析。微生物检测基因芯片是指用来检测样品中是否含有微生物目的核酸片段的芯片。基于高通量、微型化和平行分析的特点,微生物检测基因芯片在微生物病原体检测、种类鉴定、功能基因检测、基因分型、突变检测、基因组监测等研究领域中发挥着越来越重要的作用。目前,许多细菌、病毒等病原体的基因组测序已经完成,将许多代表各种微生物的特殊基因制成1张芯片,经反转录就可检测样本中有无病原体基因的表达及表达水平,由此判断病人感染病原、感染进程以及宿主反应等。这样就大大提高了检测效率。基因芯片诊断病原菌的原理基于细菌的16SrRNA基因的高度保守性,由于RNA易于降解,因此多采用检测16SrRNA 所对应染色体上的16SrDNA序列。对16SrDNA而言,如果出现3 个碱基以上的差异就可以断定细菌不属于同一种属,因此可用于细菌的分类和鉴别。对病毒和耐药性病原菌的检测是通过将待测的特定基因(病毒特异性基因和耐药基因) 经体外转录、PCR、逆转录、末端标记等处理成标记有荧光分子的核酸分子,然后与芯片上的探针进行杂交,用计算机对杂交信号进行处理,依信号和强度即可得出核酸含量。

      液态芯片（Suspension Array Technology，SAT），又称微球蛋白芯片（Protein Bead arrays，PBA），是近年来出现的一种新的芯片技术，也是唯一被美国食品和药品监督管理局（FDA）批准的用于临床诊断的生物芯片。其原理是用两种荧光染料按照不同比例将直径为5.6um的微球（beads/microfluorospheres）染成100种染色，每种颜色的微球共价结合一种生物探针，可以是抗原、抗体、配体，也可以是核酸或酶，分别针对一种待检物。混合载有100种不同颜色的微球，就可以在一个反应孔里同时完成100种不同的生物反应。随后微球成单列通过两束激光照射的管道，计算机采集并处理每种颜色微球的荧光强度变化就可以分别对每个待测物进行定性或定量的检测，该系统可用于多种微生物抗原、抗体和特定基因的联合检测，与固态芯片相比，液态芯片在反应动力学、反应速度、检测敏感性、稳定性以及自动化程度方面都有较大的优越性，因此不少学者看好液态芯片的应用前景。

 

      生物传感器是将新兴的传感器技术和分子诊断技术相结合而成的一种新技术,是现代临床检验诊断发展的一个新方向。由于生物传感器检测准确、操作简便等特点,近年来已经在许多领域取得了很大的进展,在生物分子相互作用、药物筛选、临床诊断、食物检测等领域获得了广泛的应用，其中临床中用于病原体检测的以DNA生物传感器最为常见。尽管生物传感器作为一种新的传感元件近年来得到了很大的发展,许多光化学、电化学以及压电晶体都相继在生物传感器中得到应用。与常规的核酸和蛋白质检测相比,具有检测准确、操作简单等特点,但由于它存在灵敏度不够、容易受杂质干扰等缺点,随着研究的进一步深化和技术方法的改进,这些问题将会得到解决。

 

      蛋白质指纹图谱技术是随着蛋白质组学兴起的一种新技术，其中表面增强激光解吸电离飞行时间质谱蛋白芯片技术(SELDI-TOF-MS，下称SELDI-TOF-MS) 是由T. William Hutchens 和 Tai-Tung Yip等科学家在上世纪90年代早期所创立的一种蛋白指纹图谱分析技术，并获得了2002年诺贝尔化学奖，为研究蛋白质的结构、属性、功能提供了高效而可靠的技术平台。其原理是利用各种方法（共价键、电荷等）将蛋白“富集”到芯片表面，在激光的轰击下，蛋白解吸附并电离成带电粒子，并在电场作用下飞行，其飞行单位距离的时间取决于其所带电荷数量和其分子量之比（质荷比），从而达到分离和分析蛋白质的目的。该技术是目前最有前途的比较蛋白质组分析方法，为蛋白质组学研究提供了一个利器，具有独特的优势和能力：可直接用粗生物样品（血清、尿、体液）进行分析、可同时快速发现多个生物标记物、具有高通量的验证能力、能发现低丰度蛋白质（灵敏度高达fmol/ml），与“双相电泳加飞行质谱”相比，除了有相似功能外，并可增加测定疏水蛋白质，可在同一系统中集发现和检测为一体，SELDI在微生物检验方面将发挥重要的作用。

 

      1990年,Tuerk和Gold^[1]分别独立研制了一种新型的体外筛选技术,即指数富集的配体系统进化技术(Systematic evolution of ligand by exponential enrichment, SELEX),用于研究小分子核酸与靶物质相结合的部位、序列及空间构像。适体（aptamer），又称适配分子或适配子，实质是运用SELEX技术从人工体外合成的随机寡核苷酸序列库中反复筛选得到的能以极高的亲和力和特异性与靶分子结合的一段寡核苷酸序列。

      由于适体分子可用酶、放射性核素、荧光物质及生物素等标记以作为检测分子，它协同传统的单克隆抗体在流式细胞技术、生物传感器、荧光偏振、分子灯塔和毛细管电泳等检测技术上得到了广泛的运用。

      适体与抗体相比，具有针对靶分子的范围广、亲和力和特异性高、性能稳定、便于修饰等诸多优点。利用针对微生物的特定蛋白和基因的适体对微生物进行鉴定和分型以及耐药基因的检测方面，适体将具有良好的前景，有的学者认为，未来适体有可能取代抗体。

 

 

      长期以来,人们试图找到一种既简便又快速、又有足够分辨力的技术来鉴别和区分各种病原微生物，各种新方法和新技术不断涌现，但每一种方法都有其局限性，为了弥补各自的不足，使用一种以上的技术即采用多种方法联合使用的策略,一种技术的缺点会被其他技术的优点所代替。选择检测方法应考虑到自身所拥有的条件,检测所要求达到的灵敏度,而提高灵敏度和去除假阳性是检测方法发展的趋势。近年来,随着计算机技术的不断发展,临床病原菌检测将向着简便、快速、高通量、自动化的方向发展。分子生物学技术通过自动化仪器的使用,将在病原菌诊断、鉴定和耐药基因检测方面越来越广泛地应用于临床。