《Journal of Virological Methods》:Development of a rapid and portable detection method for canine distemper virus based on CRISPR-Cas13a
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開發了一種結合重組酶輔助擴增(RAA)、CRISPR-Cas13a和側流層析法的快速檢測方法,靈敏度達102拷貝/μL,檢測時間1.5小時,與RT-PCR結果一致,適用于現場犬瘟熱病毒診斷
姜玉軒|楊在興|楊佳梅|李一凡|劉家琪|趙莉莉|葛俊偉
中國哈爾濱市,東北農業大學獸醫學院,人畜共患病黑龍江省重點實驗室,郵編150030
摘要
犬瘟熱病毒(CDV)是一種致病微生物,會嚴重損害呼吸系統、消化系統和神經系統,導致多系統癥狀。它幾乎感染全球所有陸地食肉動物,尤其是犬科和鼬科動物,對全球社會經濟和公共衛生安全構成嚴重威脅。鑒于病因治療和早期診斷的重要性,開發具有更高準確性、快速性和用戶友好性的新型檢測方法對于有效預防和控制CDV感染至關重要。在本研究中,我們建立了一種結合重組酶輔助擴增(RAA)和CRISPR-Cas13a的新檢測方法,并優化了CRISPR RNA(crRNA)和Cas13a的工作濃度,用于CDV的側向流動檢測(LFD)。該RAA-CRISPR-Cas13a-LFD方法不會與其他常見的犬類病原體發生交叉反應,其靈敏度可檢測低至102拷貝/μL的CDV cDNA質粒。此外,結合HUDSON技術,這種RAA-CRISPR-Cas13a-LFD方法可在1.5小時內檢測臨床樣本,其性能與RT-PCR相當。RAA-CRISPR-Cas13a的檢測結果可以通過熒光或側向流動條帶進行可視化,適用于現場病毒診斷。總體而言,我們開發的方法在即時檢測(POCT)方面顯示出良好潛力,有助于控制和減少CDV感染造成的損失。
引言
犬瘟熱病毒(CDV)屬于麻疹病毒屬(副黏病毒科),是一種高度傳染性且常致命的多系統疾病(Bi等人,2015年;Rima等人,2019年)。它具有非分段的負鏈單鏈RNA基因組,編碼六種結構蛋白,即核衣殼蛋白(N)、磷蛋白(P)、基質蛋白(M)、融合蛋白(F)、血凝素蛋白(H)和大蛋白(L)以及兩種非結構蛋白(C和V)(Rendon-Marin等人,2019年)。編碼N蛋白的基因常被選為CDV核酸檢測的目標區域(Fu等人,2016年;Wang等人,2017年;Xu等人,2012年),其變異程度較低(Ricci等人,2021年;Rima等人,1995年;Wipf等人,2025年)。CDV可通過直接接觸或間接接觸(如氣溶膠傳播和接觸呼吸道及眼部分泌物)廣泛感染犬科和鼬科的食肉動物,包括狗、水貂、狐貍和貉(Deem等人,2000年;Zhou等人,2024a)。據報道,它還能通過狗傳播給許多野生食肉動物,如西伯利亞虎、埃塞俄比亞狼和其他瀕危物種(Zhang等人,2017年),以及獵豹和獅子(Mourya等人,2019年;Zhang等人,2017年),被認為是多種家養和野生動物新的病毒風險(Seimon等人,2013年)。
由CDV引起的犬瘟熱(CD)是一種在全球范圍內發病率高且死亡率高的地方性疾病,在寒冷季節發病率更高(Karki等人,2022年;Martella等人,2008年)。在早期階段,感染動物可能表現出非特異性臨床癥狀,如厭食、抑郁、結膜炎和趾部角化過度。然而,疾病會發展為嚴重的呼吸系統、胃腸道和神經系統癥狀,導致多系統癥狀(Iribarnegaray等人,2024年)。在此過程中,動物的免疫系統也會受到影響,導致嚴重的免疫抑制,出現雙相發熱、咳嗽、腹瀉和厭食等癥狀(Karki等人,2022年)。犬類的神經系統癥狀通常是致命的,幸存者會表現出持續的神經功能障礙,需要終生管理(Iribarnegaray等人,2024年)。因此,快速準確的CDV診斷方法對于及時識別亞臨床攜帶者和在感染早期提供病因治療至關重要,從而防止臨床癥狀惡化并遏制病毒向易感宿主的傳播。
雖然常規臨床發現可以為CDV感染提供初步診斷支持,但由于無癥狀攜帶者的普遍存在以及感染動物在病毒早期階段缺乏特異性臨床表現,這些發現不足以進行確診(Rivera-Martínez等人,2024年)。因此,實施經過驗證和標準化的CDV診斷方法對于生成重要的流行病學數據以指導治療策略、優化疫情控制方案和降低高密度犬群中的傳播風險至關重要。傳統的檢測方法由于CDV的致病特性或檢測方法的局限性,不適合快速、方便和準確的CD診斷。病毒分離雖然具有確診能力,但耗時較長(數天至數周),不適合臨床使用(Elia等人,2006年;Rivera-Martínez等人,2024年)。目前,如ELISA等血清學檢測方法具有相對較高的靈敏度和特異性,但之前的疫苗接種和/或感染狀態可能會影響檢測結果(Egerer等人,2022年;Elia等人,2006年;Sarchahi等人,2022年)。相比之下,核酸檢測方法可能是一種更可靠的檢測方法,能夠應對不同情況(Wang等人,2018年)。盡管逆轉錄-聚合酶鏈反應(RT-PCR)和定量逆轉錄聚合酶鏈反應(RT-qPCR)具有高靈敏度,但它們需要專用設備和受過培訓的人員,限制了其在即時檢測(POCT)中的應用(Becker等人,2024年;Hu等人,2022年;Zhou等人,2023年)。因此,迫切需要快速、無需設備且可在現場使用的診斷工具。
規律間隔的短回文重復序列簇和相關核酸酶(CRISPR-Cas)系統為快速和敏感的分子診斷提供了潛在應用(Chen等人,2018年;Gootenberg等人,2018年)。CRISPR-Cas系統是一種RNA引導的適應性免疫系統,可保護細菌和古菌免受外來核酸的入侵(Abudayyeh等人,2016年;Barrangou等人,2007年;Marraffini和Sontheimer,2008年)。CRISPR-Cas13a系統通過識別和檢測目標RNA序列來激活Cas核酸酶的切割/降解活性,無差別地切割附近的單鏈RNA(ssRNA)。實驗研究表明,CRISPR-Cas13a具有單堿基對識別能力(Gootenberg等人,2017年),這是保持核酸識別高準確性的關鍵特性。在檢測系統中添加兩端標記有熒光素或抗原的單鏈RNA作為報告分子,最終檢測結果可通過qPCR儀器或側向流動條帶顯示,肉眼可見。結合等溫擴增步驟(如重組酶聚合酶擴增(RPA)/重組酶輔助擴增(RAA)技術,在37–42°C溫度范圍內擴增核酸,基于CRISPR-Cas13a的檢測方法通常可以實現敏感和快速的檢測過程(Zhang等人,2022年)。近年來,基于CRISPR-Cas系統的核酸檢測技術在快速準確診斷主要人類和動物傳染病方面取得了顯著成功,如2019冠狀病毒病(COVID-19)、丁型肝炎病毒(HDV)、戊型肝炎病毒(HEV)、非洲豬瘟病毒(ASFV)、禽流感病毒(AIV)、猴痘病毒和傳染性胃腸炎病毒(TGEV)(Hu等人,2022年;Wang等人,2024a;Wang等人,2024b;Wu等人,2023年)。在本研究中,我們旨在建立一種結合RAA、側向流動條帶和CRISPR-Cas技術的新型平臺,用于CDV RNA檢測,該方法既準確又靈敏,操作快速簡便,不再受操作者和設備的限制,有助于CD的治療和預防。
我們開發了一種便攜式的RAA-CRISPR-Cas13a檢測方法,用于CDV RNA檢測,整合了HUDSON技術(加熱未提取的診斷樣本以滅活核酸酶),可在1.5小時內使用qPCR儀器或側向流動條帶獲得結果,提供了前所未有的速度、靈敏度和操作靈活性。這種方法在資源有限的環境或極端天氣條件下尤其有價值,因為傳統診斷方法在這種情況下不方便使用。
章節片段
病毒和臨床樣本
我們在實驗室中分離并保存了犬瘟熱病毒(CDV)株、chaphamaparvoviruses(ChPV)株(Li等人,2023年)、犬皰疹病毒(CHV)株和犬冠狀病毒(CCoV)株。疫苗株經典犬腺病毒-2(CAV-2)和犬副流感病毒(CPIV)購自美國林肯市的Zoetis公司。從中國哈爾濱的不同獸醫醫院收集了20份組織樣本(Chang等人,2020年)。結合CRISPR-Cas13a的側向流動條帶檢測
對于側向流動檢測(LFD),在poly U的5’端標記FAM,在poly U的3’端標記生物素,形成FAM-RNA-生物素報告基因。對于陰性樣本,測試條帶的抗FAM抗體與FAM-RNA-生物素完全結合,結合物被Control(C)線上的生物素配體捕獲。在陽性樣本反應中,Cas13a切割了報告RNA,金顆粒、抗FAM抗體和FAM結合物積累在討論
自從發現CDV感染近三個世紀以來,由于其高傳染性和死亡率,這種病毒對寵物、毛皮經濟動物和野生動物構成了全球性威脅。最近的研究表明,其宿主范圍正在擴大,對社會經濟穩定性和公共衛生的風險也在增加(Karki等人,2022年;Uhl等人,2019年)。為了抑制病毒傳播并減少損害,檢測病毒是關鍵環節。
結論
總之,我們開發并驗證了一種快速、靈敏的RAA-CRISPR-Cas13a平臺,用于CDV檢測,可在1.5小時內實現無需儀器的診斷,并與RT-PCR保持100%的一致性。該系統結合了等溫擴增和CRISPR-Cas13a的特異性,能夠檢測到1.6×102拷貝/μL的CDV cDNA質粒,并區分其他犬類病原體。仍有許多有意義的改進方向
倫理聲明
動物研究得到了東北農業大學機構委員會的批準。研究符合當地法規和機構要求。科學寫作中生成AI的聲明
作者聲明在寫作過程中未使用AI和AI輔助技術。CRediT作者貢獻聲明
姜玉軒:寫作 – 審稿與編輯,撰寫原始草稿,概念構思。楊在興:軟件,方法學,研究。楊佳梅:軟件,研究,數據管理。李一凡:可視化,方法學,研究。劉家琪:可視化,方法學。趙莉莉:項目管理,資金獲取,概念構思。葛俊偉:寫作 – 審稿與編輯,驗證,監督,資金獲取,概念構思。利益沖突聲明
作者聲明沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。致謝
作者衷心感謝國家重點研發計劃(2021YFF0703000)、中央政府指導地方科技發展專項資金(ZY25JD15)以及東北農業大學的SIPT項目(S202410224051)的財政支持。圖形摘要圖由BioGDP.com制作。