《International Journal of Biological Macromolecules》:Preparation of sulfur-containing protein-based ammonium phosphate flame retardants to achieve durable flame-retardant properties in cotton fabric
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鴨瘟病毒快速檢測技術基于CRISPR/Cas12a與RPA聯用,建立熒光定量和膠體金試紙雙模式檢測系統,靈敏度達7.8 copies/μL,較傳統PCR提升1000倍,特異性驗證無交叉反應。
肖一萌|楊靜靜|楊文|袁梅|張云翔|劉繼英|張玉娟|朱煥曦|羅剛
江蘇省科技大學生物技術學院家禽與動物生物技術重點實驗室,鎮江,212100,中國
摘要
鵝細小病毒(GPV)是一種高致病性和致命性的病毒,會導致雛鵝和鴨子患上德氏病(Derzsy’s disease),嚴重影響水禽養殖的經濟效益。因此,迫切需要開發快速診斷技術以有效控制該疾病。本研究開發了一種優化的基于CRISPR/Cas12a系統的檢測方法來診斷GPV。實驗確定了CRISPR/Cas12a熒光檢測的最佳條件為20 nM AsCas12a、5 nM crRNA和5 nM單鏈DNA(ssDNA);而側向流動分析(LFA)則需要20 nM AsCas12a和4 nM crRNA。這兩種方法的最低檢測限分別為7.8拷貝/μL和78拷貝/μL,相比傳統的PCR方法提高了1000倍和100倍。這兩種檢測方法均表現出高特異性,并且沒有與其他常見的水禽病原體(如鴨瘟病毒、鴨肝炎病毒、H5禽流感病毒、水禽星狀病毒、呼腸孤病毒、麝香鴨細小病毒和新發現的GPV株)發生交叉反應。LFA的結果與實驗室qPCR分析完全一致,證明了其在臨床診斷中的可靠性。總之,我們成功開發了一種利用CRISPR/Cas12a技術的雙讀數GPV檢測系統,對于早期監測和控制GPV疫情具有重大意義。
引言
鵝細小病毒(GPV)感染,也稱為德氏病,是一種主要影響雛鵝和鴨子的傳染性病毒疾病。該病的癥狀包括嗜睡、嚴重的水樣腹瀉、生長遲緩、羽毛脫落和腸道栓塞,五天以下的雛鵝死亡率超過95% [1]。該疾病已在中國、歐洲和美國被記錄到,對水禽養殖構成了嚴重威脅 [2]。近年來,一種新的GPV株的出現進一步復雜化了疾病管理。這種變異株會導致櫻桃谷鴨和麝香鴨的生長受阻,加劇了控制GPV疫情的難度 [3]、[4]。鑒于GPV造成的經濟損失和高死亡率,開發準確、快速和高效的診斷方法對于實施有效的預防和控制策略至關重要。
GPV感染的診斷與其他病毒性疾病類似,通常首先通過評估臨床癥狀和流行病學調查開始,然后通過血清學或分子方法(如聚合酶鏈反應(PCR)進行實驗室確認 [5]。常用的血清學技術包括瓊脂凝膠免疫擴散、病毒中和試驗和酶聯免疫吸附試驗;然而,這些方法的應用往往受到操作復雜性和專業人才需求的限制 [6]、[7]。分子方法(如PCR)具有更高的特異性和敏感性。例如,Wan等人 [8] 開發了一種針對NS基因的PCR檢測方法,能夠檢測到低至10^3拷貝的GPV。同樣,Lin等人 [9] 設計了一種基于SYBR Green的定量PCR(qPCR)方法,可檢測到10^1拷貝的GPV。盡管這些方法精度較高,但傳統的PCR和qPCR都需要昂貴的熱循環設備和專業技術知識,這限制了它們在現場診斷中的實用性,尤其是在資源有限的環境中。
COVID-19的爆發加速了快速、便攜式診斷技術的發展,如重組酶聚合酶擴增(RPA)和環介導等溫擴增(Loop-mediated Isothermal Amplification),這些技術對于疫情預防和控制至關重要。與傳統PCR方法相比,這些等溫擴增技術具有反應時間短、設備要求低和更適合現場應用等優點。例如,RPA可以在37°C的恒定溫度下在30分鐘內擴增目標核酸,從而簡化程序并顯著縮短檢測時間 [10]。當與逆轉錄酶結合使用時,RPA可以快速檢測RNA病毒(如拉克羅斯病毒),cDNA擴增可在20分鐘內完成 [11]。此外,RPA與SYBR Green染料的結合使得能夠在25分鐘內準確檢測牛病毒性腹瀉病毒,同時具有更高的速度和特異性,且不會與其他腹瀉病原體發生交叉反應 [12]。此外,RPA與CRISPR/Cas12a技術的結合推動了便攜式、可視化、現場診斷工具的發展 [13]、[14]。一個典型的例子是一種基于熒光的即時檢測(POC)系統,能夠在2小時內高通量檢測非洲豬瘟病毒(ASFV)[15],展示了RPA-CRISPR/Cas12a系統在快速現場診斷方面的潛力。
在本研究中,我們開發了一種利用RPA結合CRISPR和Acidaminococcus sp. CRISPR-associated nuclease 12a(AsCas12a)的快速高靈敏度GPV檢測方法。與現有的RPA-CRISPR平臺相比,我們的研究在兩個方面進行了創新:首先,我們開發了一種基于側向流動分析的新方法,其靈敏度比傳統PCR提高了100倍,便于快速可靠的現場GPV診斷;其次,我們建立了一種高靈敏度的熒光檢測系統,使用較低濃度的AsCas12a,檢測限達到7.8拷貝/μL。該系統的靈敏度與Chen等人之前報道的GPV-CRISPR/Cas12a系統相當,同時檢測成本降低了約5倍。表S1詳細比較了我們的方法與Chen等人的方法,在檢測反應濃度、靈敏度、特異性和成本方面進行了說明。這些改進顯著提高了GPV檢測方法的靈敏度和現場適用性。
材料與方法
菌株、質粒和試劑
用于質粒構建的試劑包括pET-28b-T7-henAsCas12a-HF1-NLS-6 × His(Addgene#114073)、E. coli BL21(DH3)感受態細胞(TOLOBIO,上海,中國)和pMD?19-T載體克隆試劑盒(Takara,大連,中國)。此外還使用了BCA蛋白測定試劑盒(Beyotime,上海,中國)、RIPA裂解緩沖液(Beyotime,上海,中國)、苯甲磺酰氟(PMSF,Beyotime,上海,中國)和異丙基β-D-硫代半乳吡喃糖苷(Macklin,上海,中國)、Super ECL檢測試劑(Yeasen,上海,中國)。RPA-CRISPR/AsCas12a檢測技術的工作流程
RPA-CRISPR/AsCas12a系統是一個集成的診斷平臺,結合了RPA和基于CRISPR/Cas12a的檢測方法,以實現快速的核酸分析。該診斷平臺通過以下兩個步驟進行:(i) 在37°C下進行RPA介導的等溫擴增;(ii) 在識別目標序列后激活AsCas12a的切割活性。討論
由于成本效益和已建立的可靠性,傳統的PCR仍然是實驗室環境中廣泛使用的GPV檢測方法。先前的研究(包括我們的實驗數據)表明,傳統PCR的檢測限為10^3拷貝/μL [8]、[17](見表S1)。然而,這種靈敏度限制了PCR在早期GPV感染樣本中的診斷應用。
為了提高GPV檢測的靈敏度,我們采用了多種改進措施。
CRediT作者貢獻聲明
肖一萌:撰寫初稿、項目管理、方法學設計、數據整理。楊靜靜:監督、項目管理、數據整理。楊文:項目管理、數據整理。袁梅:數據可視化、項目管理。張云翔:項目管理。劉繼英:撰寫、審稿與編輯、數據整理、概念構思。張玉娟:撰寫、審稿與編輯、數據整理。朱煥曦:撰寫、審稿與編輯、方法學設計、資金支持機構審查委員會聲明
本文不包含任何作者進行的涉及人類參與者或動物的研究。資助
本項工作得到了國家自然科學基金(項目編號:32102542)、江蘇省農業科技創新基金(項目編號:CX(24)1012)、國家重點動物生物技術育種實驗室開放項目(項目編號:2025SKLAB6-17)以及江蘇省產學研合作項目(項目編號:BY20240298)的支持。利益沖突聲明
所有作者聲明與任何個人或組織均無相關利益沖突。