基于RPA-CRISPR/Cas12a技術的平臺的開發與驗證:用于快速、靈敏地檢測鰻魚皰疹病毒1型
《Aquaculture》:Development and validation of an RPA-CRISPR/Cas12a based platform for rapid and sensitive detection of Anguillid herpesvirus 1
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時間:2026年01月24日
來源:Aquaculture 3.9
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AngHV快速檢測平臺開發及臨床驗證,整合RPA擴增與CRISPR/Cas12a特異性檢測,實現30分鐘內靈敏檢測(50 copies/μL)和現場可視化診斷,顯著優于傳統PCR/qPCR方法。
孫斌|陳強|葛俊青
福建省農業科學院生物技術研究所,福州,中國
摘要
鰻魚皰疹病毒1型(AngHV)是一種具有包膜的雙鏈DNA病毒,是導致鰻魚“粘液脫落和出血性敗血癥”的病原體,給中國的鰻魚養殖業造成了重大經濟損失。由于缺乏商業上有效的藥物和疫苗,早期和準確的AngHV診斷對于疾病預防和管理至關重要。然而,現有的診斷方法通常耗時較長或需要專門的設備。在這項研究中,我們開發了一種基于CRISPR的檢測平臺,能夠快速靈敏地檢測AngHV,該平臺可以使用熒光或側向流動檢測方法進行讀取。該平臺結合了重組酶聚合酶擴增(RPA)和CRISPR/Cas12a系統,其中核酸目標通過RPA反應被擴增,隨后通過Cas12a介導的切割進行檢測,在藍光/紫外光下產生可觀察到的信號,或者通過側向流動條(LFS)進行檢測。該平臺可以在40°C下30分鐘內準確檢測AngHV,與其他常見的水生病毒病原體沒有交叉反應,并且檢測限低至50拷貝/μL的AngHV。此外,使用傳統的PCR、定量PCR(qPCR)和RPA-CRISPR/Cas12a平臺對30個臨床鰻魚樣本進行了評估。所開發平臺的陽性檢測率與qPCR一致,且比傳統PCR更靈敏。總體而言,所開發的RPA-CRISPR/Cas12a檢測平臺為AngHV的現場診斷提供了一種快速、靈敏和可靠的方法,從而有助于改進鰻魚養殖中的疾病監測和控制策略。
引言
中國是全球最大的養殖鰻魚生產國,約占全球產量的70%(Chen等人,2024a)。主要養殖的鰻魚種類包括日本鰻魚(Anguilla japonica)、歐洲鰻魚(Anguilla anguilla)和美洲鰻魚(Anguilla rostrata)(Parchemin等人,2022)。然而,這種集約化的養殖方式為傳染病的出現和傳播創造了有利條件。自20世紀90年代以來,一種稱為“粘液脫落和出血性敗血癥”的嚴重疾病頻繁影響中國的鰻魚養殖場,導致養殖戶遭受重大經濟損失(Ueno等人,1996)。臨床上,這種疾病表現為過度粘液分泌、皮膚潰瘍、皮下出血、頭部水腫、鰓壞死和全身性出血性敗血癥。鰻魚皰疹病毒1型(AngHV)是從受感染的鰻魚中分離出來的(Ge等人,2014),隨后被確定為該疾病的病原體(Chen等人,2021a)。
AngHV是養殖淡水鰻魚中廣泛存在的病原體,首次從養殖的日本鰻魚中分離出來是在1990年(Sano等人,1990)。自首次鑒定以來,AngHV已在包括中國(Ge等人,2014)、韓國(Kim等人,2024)、波蘭(Nguyen等人,2017)、越南(Panicz等人,2021)和印度尼西亞(Romadhona等人,2025)在內的多個國家和地區被檢測到。AngHV屬于皰疹病毒目(Herpesvirales)、異皰疹病毒科(Alloherpesviridae)和Cyvirus屬(Zhang等人,2024c),并被國際病毒分類委員會(ICTV)重新命名為Cyvirus anguillidallo 1。結構上,AngHV具有多層結構,包括內核、二十面體衣殼、中間層膜以及來自宿主細胞膜的包膜(Sano等人,1990)。其基因組位于內核內,由大約248.5 kbp長的線性雙鏈DNA組成,編碼136個開放閱讀框(ORFs)(Chen等人,2021b)。值得注意的是,ORF95基因編碼AngHV病毒顆粒的主要包膜蛋白,并包含可用于診斷檢測和治療干預的保守序列(Chen等人,2021b)。
AngHV感染的臨床和病理特征表現出相當大的變異性,受宿主種類和環境條件的影響(Guo等人,2022;Kim等人,2024;Nguyen等人,2017;Panicz等人,2021;Romadhona等人,2025)。重要的是,AngHV可以在鰻魚群體中建立潛伏感染而不表現出明顯的臨床癥狀(Ruiz-de-Ybá?ez等人,2023)。這種無癥狀的潛伏狀態給診斷帶來了重大挑戰,特別是在檢測攜帶者中的低病毒載量時,因此迫切需要靈敏和高效的檢測技術來促進疾病預防和控制。目前,已經建立了幾種AngHV的檢測方法,如傳統的PCR(Rijsewijk等人,2005)、定量PCR(qPCR)(Li等人,2021)、重組酶輔助擴增(RAA)(Chen等人,2024b)、環介導等溫擴增(LAMP)(Chen等人,2024a)和間接酶聯免疫吸附試驗(ELISA)(Van-Nieuwstadt等人,2001)。然而,這些方法在野外應用存在局限性:傳統PCR需要高病毒載量的樣本并進行瓊脂糖凝膠電泳,qPCR需要復雜的儀器,而ELISA需要嚴格的實驗室條件。等溫核酸擴增技術,如LAMP和RAA,可以從極低拷貝數的樣本中檢測目標核酸,而無需復雜設備(Srivastava和Prasad,2023)。然而,LAMP需要較高的等溫溫度(通常為60–65°C),并且需要設計4–6對特異性引物,增加了非特異性擴增的風險,可能導致假陽性結果(Crego-Vicente等人,2024)。同樣,RAA也需要精確的引物設計以減少非特異性擴增。因此,RAA和LAMP的擴增特異性高度依賴于引物,擴增產物通常需要通過整合其他策略進一步驗證。
將規律間隔短回文重復序列(CRISPR)相關蛋白12a(Cas12a)系統與等溫擴增技術相結合,成為一種通過同時目標擴增和信號增強實現快速核酸檢測的有前景的方法(Srivastava和Prasad,2023)。CRISPR-Cas12a系統在序列特異性核酸識別和切割方面表現出顯著的能力。在該系統中,crRNA引導Cas12a針對具有T富集的前間隔序列(PAM)(TTTV)的雙鏈DNA目標(Ding等人,2025)。結合后,Cas12a表現出順式切割和反式切割活性,后者能夠切割周圍的單鏈DNA(ssDNA)(Xiao等人,2025)。熒光染料和淬滅劑標記的ssDNA報告基因用于在切割時產生可檢測的熒光信號,可以使用熒光檢測儀器進行檢測(Leung等人,2022)。或者,用生物素標記的ssDNA報告基因可以通過側向流動條(LFS)進行檢測(Mak等人,2016)。然而,CRISPR/Cas12a系統的一個關鍵限制是其在沒有預先核酸擴增的情況下對低豐度目標的檢測靈敏度不足(Zhang等人,2024a)。通過將等溫擴增與CRISPR/Cas12a檢測系統結合可以解決這一限制。重組酶聚合酶擴增(RPA)屬于等溫擴增技術,適用于此目的,因為它可以在溫和溫度(37–42°C)下在10–25分鐘內高效擴增目標序列(Huang等人,2023)。RPA-CRISPR/Cas12a平臺結合了RPA的高靈敏度和CRISPR/Cas12a的嚴格特異性,有效消除了由非特異性擴增引起的假陽性信號。這種互補方法使得診斷系統既具有高靈敏度又具有嚴格特異性。目前,RPA-CRISPR/Cas12a平臺作為一種強大的診斷工具迅速發展起來,已成功應用于多種病原體的檢測,例如細菌病原體(如Vibrio harveyi、Pseudomonas plecoglossicida)(Zhong等人,2025;Jiang等人,2025)、病毒(如大黃魚虹彩病毒、白斑綜合征病毒和羅非魚湖病毒)(Zhang等人,2024b;Wang等人,2023;Sukonta等人,2022)和寄生蟲(如Clonorchis sinensis)(Huang等人,2023),展示了其在水生疾病監測中的多功能性。
在這項研究中,我們開發了一種基于RPA-CRISPR/Cas12a的診斷平臺,用于AngHV的可視化檢測,并評估了其靈敏度、特異性、重復性和在臨床環境中的適用性。該平臺提供了兩種互補的讀數模式:(1)在藍光/紫外光下可視化熒光信號,用于實驗室確認;(2)LFS檢測,無需設備即可進行現場應用。總體而言,這項研究提供了一種快速、靈敏和可靠的AngHV現場檢測方法,具有顯著提升鰻魚養殖疾病預防和控制的潛力。
部分摘錄
病毒、臨床樣本和DNA提取
本研究中使用的病毒株在我們實驗室中分離并維持,包括AngHV(AngHV-FJ株)(Ge等人,2014)、美洲鰻魚Adomavirus(AEAdoV,AEAdoV-FJ株)(Yang等人,2021)、Rana grylio病毒(RGV,RGV-FJ株)(Zhang等人,2022)、鰻魚虹彩病毒(EIV,201019株)(未發表數據)和錦鯉皰疹病毒(KHV,Gz1301株)(Li等人,2014)。為了病毒繁殖,使用鰻魚卵巢(EO)細胞系感染了AngHV、AEAdoV和EIV。
引物評估和RPA條件優化
選擇ORF95基因作為引物設計的目標區域,因為該基因具有高度保守的序列。設計了三對引物(RPA-F1/R1、RPA-F2/R2和RPA-F3/R3)并篩選了它們的RPA擴增效果。初步評估表明,RPA-F1/R1對成功擴增了目標序列,在瓊脂糖凝膠電泳中產生了明顯的條帶(圖2A,D)。擴增產物的測序確認了目標特異性,驗證了RPA-F1/R1是最優選擇。
討論
AngHV是一種重要的病毒病原體,由于其高發病率和死亡率,對鰻魚養殖構成了嚴重威脅(Chen等人,2021a)。控制AngHV疾病的一個主要挑戰是它能夠在鰻魚體內建立潛伏感染,這些感染通常無癥狀,從而使得早期檢測變得復雜。一旦出現臨床癥狀,疾病會迅速進展,這突顯了及時和準確診斷工具的迫切需求。在這項研究中,我們
CRediT作者貢獻聲明
孫斌:撰寫——原始草稿、驗證、方法學、調查、正式分析。陳強:資源獲取、調查、正式分析。葛俊青:撰寫——審閱與編輯、監督、資源獲取、概念化。
未引用的參考文獻
Chang等人,2002
Ji等人,2025
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文工作的競爭性財務利益或個人關系。
作者是Scientific Reports的編委會成員/主編/副主編/客座編輯,未參與本文的編輯審查或發表決定。
致謝
本工作得到了福建省公共利益基礎研究基金(2023R1081)、福建省農業科學院“5511”協同創新項目(XTCXGC2021013)和國家自然科學基金(U24A20459)的支持。
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