利用重组分支杆菌噬菌体快速筛选耐利福平结核分支杆菌

　　关键词：分支杆菌噬菌体；利福平；药敏试验；分支杆菌，结核

　　近年的监测发现结核病的发病率及死亡率在全球范围内均有上升的趋势，同时耐药菌株的感染增加，给结核病的防治带来了很大的困难。利福平(R)是最常用的一线抗结核药，研究表明对利福平耐药的分支杆菌常常对其它抗结核药耐药。由于常规结核分支杆菌检测和药物敏感试验方法需6～12周，无法给临床提供及时、准确的用药参考，因此如何缩短药物敏感试验时间、提高检测的敏感性和特异性，已引起国内外学者关注。我们采用两株重组的可表达荧光素酶结核分支杆菌噬菌体，建立一种简便、快速、灵敏的结核分支杆菌利福平药敏试验方法。

　　材料与方法

　　一、材料

　　卡介苗（BCG）购自卫生部上海生物制品研究所。结核分支杆菌H₃₇Ra（ATCC25177）和结核分支杆菌H₃₇Rv（ATCC36801）购自中国药品生物制品检定所。耻垢分支杆菌(M.smegmatis)（ATCC19420）和大肠杆菌（Escherichia coli）（ATCC25922）分别由同济医科大学分子生物学教研室和微生物学教研室提供。本实验用分支杆菌噬菌体Phage40和Phage 88由Albert Einstein大学的William Jacobs 教授提供。

　　二、方法

　　1．细菌培养： BCG及缓慢生长分支杆菌在M7H9培养基中培养，耻垢分支杆菌等快速生长分支杆菌在Suton培养基中培养，大肠杆菌在普通琼脂培养基中培养。细菌浓度采用722分光光度计测量，吸光度(A)=1时的细菌数约为2×10⁹个。同时用倒置显微镜进行微菌落计数。

　　2．分支杆菌噬菌体的增殖与分离：分支杆菌噬菌体在耻垢分支杆菌中增殖。噬菌体加入Suton培养液，继续培养一段时间后终止培养，用赛氏漏斗过滤（采用0.45μm滤膜），保存滤液。或用固体苦味酸培养基，在噬菌斑出现后用噬菌斑裂解液裂解后收集裂解液，0.45μm滤膜过滤，用氯化铯30 000 g进行梯度离心纯化。

　　3.分支杆菌噬菌体的计数：将分支杆菌噬菌体浓缩液先进行一系列10倍梯度稀释后加入在苦味酸培养基中生长的耻垢分支杆菌菌苔中，培养48 h观察噬菌斑并计算噬斑形成单位数（PFU）。

　　4.发光分析：虫荧光素（luciferin，德国BM公司，纯度为99%）临用前用Tris（pH 7.8）缓冲液配制成相应浓度。细菌离心后用M7H9培养液洗2次，然后重浮在原体积的培养液中，孵育过夜。1 ml菌液中加入10³ PFU/ml的分支杆菌噬菌体1 ml孵育24 h后，取100μl样品于13 mm×75 mm的聚苯乙烯试管中，在最佳发光条件下（0.22 mmol/L荧光素 100 μl，0.1 mmol/L ATP 100 μl，柠檬酸-柠檬酸钠缓冲液100μl），LKB-1251发光仪中测量30 h内发光值。

　　5.发光分析测定各种细菌的耐药性：标准菌株及分离株采用Mcfarland3.0浊度（细菌浓度10⁷ CFU/ml），洗后重浮于2 ml培养液中，加入不含Tween80的含利福平及不含利福平M7H9培养基中37 ℃培养24 h，加入10³滴度的相应噬菌体孵育24 h后测量发光值。含利福平培养基的配制为在M7H9培养基中加入相应浓度的利福平组成，同时测定不同的利福平浓度梯度对临床分离耐药株及标准株的作用曲线。阴性对照采用标准药敏株H₃₇Ra减毒株，阳性对照采用标准耐药株H₃₇Rv强毒株。

　　6.测量和统计方法：每个因素做3管测发光值，每个值重复2次，每次发光测量测6 s的积分发光值。结果取均数±标准差表示，统计分析采用t检验。

　　结果

　　一、两种噬菌体对不同细菌的发光分析

　　用两种噬菌体分别对大肠杆菌、BCG、耻垢分支杆菌、结核分支杆菌菌株H₃₇Ra和H₃₇Rv进行了发光检测，结果表明：两株噬菌体对分支杆菌有特异性，非分支杆菌的大肠杆菌发光值很低，与阴性对照相比差异无显著性（P＞0.05），各种分支杆菌的发光值均较高，与阴性对照相比差异均有显著性（P＜0.05）。用Phage40检测分支杆菌时，发光值均在加入发光液后逐步上升，4 h左右达到最高值，以后逐步下降，在15 h后发光基本消失，所有分支杆菌的发光动力学过程都基本相似，但发光值有所不同，其中BCG的发光值最高，最高值约为阴性对照的100倍；耻垢分支杆菌次之，最高值约为阴性对照的70倍；结核分支杆菌最低，H₃₇Ra和H₃₇Rv的最高发光值约为阴性对照的25倍。用Phage 88检测分支杆菌时，发光值均在加入发光液后13 h左右达到最高值，以后逐步下降，在30 h后发光基本消失，所有分支杆菌的发光动力学过程都基本相似，但发光值有所不同，其中BCG的发光值最高，约为阴性对照的200倍；耻垢分支杆菌次之，最高值约为阴性对照的150倍；结核分支杆菌最低，H₃₇Ra和H₃₇Rv约为阴性对照的50倍。

　　二、进行药敏试验的利福平浓度筛选

　　为确定最佳的药敏试验浓度，采用系列梯度稀释的利福平对药敏株和耐药株进行发光分析，结果发现药敏株和耐药株在含不同浓度利福平培养基中的发光反应明显不同。Phage40在发光反应开始后4 h达到最高值，此时阳性对照H₃₇Rv为94.3 mV，耐药株在利福平浓度0.5 μg/ml时为84.95 mV，1 μg/ml时为80.45 mV，2 μg/ml时为76.34 mV；药敏株在0.5 μg/ml时为36.37 mV，1 μg/ml时为15.16 mV，2 μg/ml时为5.118 mV，与阴性对照H₃₇Ra相比（0.544 mV）差别小于10 mV。Phage88在发光反应开始后14 h达到最高值，此时阳性对照H₃₇Rv为271.3 mV，耐药株在利福平浓度0.5 μg/ml时为250.4 mV，1 μg/ml时为241.5 mV，2 μg/ml时为234.1 mV；药敏株在反应后12 h达到最高发光值，在利福平0.5μg/ml时为146.3 mV ，1 μg/ml时为80.34 mV，2 μg/ml时为5.033 mV，与阴性对照H₃₇Ra（0.537 mV）相比差别小于10 mV。可见耐药株在含利福平培养基中的发光值与阳性对照比较，差异无显著性（P＞0.05），而药敏株的发光值则随利福平浓度的升高而明显降低，差异有显著性（P＜0.001），在利福平2μg/ml浓度时药敏株的发光值与阴性对照已无明显区别（P＞0.05），而耐药株的发光值未受显著性影响。通过该系列药物浓度的筛选试验，得到最适于利福平药敏试验的浓度为2μg/ml。在该浓度下可通过发光值明显区别药敏株和耐药株。

　　三、两种噬菌体对不同分支杆菌的利福平药敏试验结果

　　为判定噬菌体生物发光技术对不同分支杆菌的药敏试验的可行性及确定最佳实验条件，采用2μg/ml利福平浓度对不同的噬菌体和分支杆菌进行药敏试验，结果如下。

　　1.两种噬菌体对标准株的利福平药敏试验：利福平浓度为2μg/ml，利用Phage 40对H₃₇Rv、H₃₇Ra、大肠杆菌和耻垢分支杆菌mc155进行药敏试验，以4 h的发光值为标准，仅H₃₇Rv的发光值与阴性对照差异有显著性（P＜0.001），约为阴性对照的30倍，其他菌株的发光值均与阴性对照差异无显著性（P＞0.05）。同时又用Phage88对H₃₇Rv、H₃₇Ra、大肠杆菌和耻垢分支杆菌mc155进行药敏试验，以12 h的发光值为标准，仅H₃₇Rv的发光值与阴性对照差异有显著性（P＜0.001），约为阴性对照的60倍（P＜0.001），其他菌株的发光值均与阴性对照差异无显著性（P＞0.05）。

　　2.两种噬菌体对临床耐单药分离株的利福平药敏试验：利福平浓度为2μg/ml，用Phage 40对1株临床分离的结核分支杆菌耐药株和3株临床分离的非耐药结核分支杆菌株进行药敏试验，以4 h的发光值为判断标准，仅1株临床分离的结核分支杆菌耐药株的发光值与阴性对照差异有显著性（P＜0.001），约为阴性对照的20倍，3株临床分离的非耐药结核分支杆菌株的发光值均与阴性对照差异无显著性（P＞0.05）；同时又用Phage88对上述菌株进行了药敏试验，以12 h的发光值为判断标准，仅1株耐药结核分支杆菌株的发光值与阴性对照差异有显著性（P＜0.001），约为阴性对照的60倍，3株非耐药结核分支杆菌株的发光值均与阴性对照差异无显著性（P＞0.05）。表明噬菌体可区别利福平耐单药株。Phage40的最高发光值在反应后4 h，Phage 88的最高发光值在反应开始后12 h。

　　3.两种噬菌体对临床分离耐多种药物株的利福平药敏试验：对临床分离的耐多种药物株进行发光分析，结果发现在利福平浓度为2μg/ml时，各株的发光值分别为：Phage 40测定（反应后4 h）分离株1为73.45 mV、2为60.39 mV、3为79.46 mV、4为64.39 mV、5为4.927 mV、6为0.844 mV、阴性对照0.844 mV；Phage 88（反应后12 h）测定分离株1为265.5 mV、2为237.6 mV、3为260.4 mV、4为254.3 mV、5为5.467 mV、6为4.865 mV、阴性对照0.812 mV。可见分离株1、2、3、4为利福平耐药株，5、6为利福平药敏株。耐利福平的临床分离株发光值与阴性对照比较差异有显著性（P＜0.005），不耐利福平的耐多种药物株的发光值均与阴性对照差异无显著性（P＞0.05）。表明噬菌体可区分耐利福平的临床耐多种药物分离株。Phage40的最高发光值在反应后4 h，Phage 88的最高发光值在反应开始后12 h。

表1　罗氏培养基与噬菌体生物发光方法结果比较

　　注：^*两种方法所需时间的比较均为P＜0.01；^**在各药物培养基中的平均时间；Ⅰ为异烟肼，S为链霉素

　　4.噬菌体生物发光检测结果与罗氏培养基的比较: 从表1可见对11株临床分离株、2株噬菌体的生物发光技术检测的结果与罗氏培养基相比，符合率为100%，药敏试验时间为72 h。噬菌体生物发光技术有很好的敏感性和特异性，并且可在72 h内得到准确的结果，是一种极有应用前景的技术。

　　讨论

　　一、噬菌体生物发光技术可特异地用于分支杆菌的药敏试验

　　噬菌体生物发光技术对非分支杆菌如大肠杆菌的发光值很低，与阴性对照比较差异无显著性（P＞0.05），而对各种分支杆菌的发光值却较高，表明噬菌体对分支杆菌的特异性，也表明噬菌体生物发光技术的特异性。

　　在含利福平的培养基中，药敏株与耐药株的发光特性有明显的区别。噬菌体对耐药株的发光值在同等药物浓度下比对药敏株的发光值要高，表明抗结核药利福平可抑制相应的药敏株对荧光素酶的表达，而对耐药株的荧光素酶表达无影响，利用该特性可对结核分支杆菌分离株进行药敏试验分析。研究表明这与抗结核药直接或间接作用于细菌的转录和翻译过程有关。在结核分支杆菌内增殖的噬菌体对荧光素酶的表达有赖于细菌的转录和翻译过程，这两个过程受抑制后，噬菌体的增殖和表达荧光素酶的能力受到影响，使发光反应降低。利福平作为杀菌药，对细菌这两个过程作用较强，对敏感株的发光值影响出现较早，表现为药敏株的最高发光值比耐药株的最高发光值提前。与国外的报道^［1-5］相似。

　　噬菌体生物发光技术在标准株和各临床分离株的药敏试验均得到有统计意义的发光结果，得到药敏试验结果的时间仅72 h，大大低于罗氏培养基的药敏试验时间。因此生物发光技术用于结核分支杆菌的快速药敏试验有远大的前景，在新抗结核药的筛选上也有很大的用处。

　　二、利福平药敏试验时浓度的选择

　　利福平药敏试验时的利福平浓度梯度在不同的培养基中各不相同，在液体培养基中的浓度大多集中在0.5～10μg/ml之间，在不同的实验中也稍有不同^［2-8］。我们参考其它实验结果，采用了系列利福平浓度梯度进行药敏试验比较，可见在利福平2μg/ml时药敏株的发光值与阴性对照值无明显差别，耐药株的发光值不受影响，表明该系列浓度值适合于药敏试验，与Carriere等^［2］的结果相同。

　　三、两株噬菌体在药敏试验中的结果差异

　　从实验结果中可见在药敏试验中，两株噬菌体的发光值有明显差别，即温敏株噬菌体Phage88对药敏试验的发光值和灵敏度均高于Phage 40，这也证明了温敏株噬菌体的基因突变对噬菌体表达荧光素酶有一定的影响。Jacobs等^［1］认为Fflux插入的位点不同对Fflux的表达有一定的影响。Fflux插入的部位如在受体噬菌体的强顺式作用元件作用范围内，顺式作用元件可控制重组噬菌体的操纵子的活性及其对Fflux表达的调控。他们还利用羟胺突变形成温敏株噬菌体，并与原噬菌体对比，结果表明不同位点的突变对噬菌体突变株的裂解受体菌的能力和对Fflux的表达也有明显不同的影响：噬菌体裂解受体菌的能力越弱，其表达Fflux的能力增强。这与Phage88发光值高但持续时间长有关^［1-4］。

　　四、对临床分离株的诊断符合率高

　　通过对Mcfarland 3.0浊度（实际细菌浓度10⁷CFU/ml）的各临床分离株进行利福平药敏试验结果显示，耐药株之间的发光值差别不大，但耐药株与药敏株的发光值有显著性差异，表明采用噬菌体生物发光技术可敏感地区分临床分离株中对利福平的药敏株和耐药株。对临床分离株的诊断结果可见噬菌体生物发光法检测结果与罗氏培养基相比符合率一致，而且仅用72 h即可得到药敏试验结果，快速、准确。对临床分离株进行诊断和检测均有很好的应用前景。

　　本实验结果说明，用重组噬菌体可进行结核分支杆菌利福平药敏情况的快速检测，其结果与罗氏培养基结果一致，但时间明显缩短，仅为3 d。尤其对耐利福平菌株的检测和判断具有很大的应用价值，值得推广应用。

　　参考文献

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