董曉琳，李志萍，陳　漫，樊洪超，王園園，夏志平，吳永魁

(軍事醫(yī)學科學院軍事獸醫(yī)研究所/吉林省人獸共患病預防與控制重點實驗室，吉林長春 130122)

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液相適配體芯片在食源性致病菌檢測中的應用

董曉琳，李志萍，陳漫，樊洪超，王園園，夏志平*，吳永魁*

(軍事醫(yī)學科學院軍事獸醫(yī)研究所/吉林省人獸共患病預防與控制重點實驗室，吉林長春 130122)

食源性致病菌是引起食物中毒的重要因素，對食源性致病菌的快速和高通量檢測是防止和診斷細菌性食物中毒的有效手段。液相芯片檢測技術具有需樣本量少、高通量等特點。經(jīng)典液相芯片技術是以有機熒光染料編碼的聚苯乙烯微球為載體，新型液相芯片技術是以物理學、光學等編碼的基質為載體，通過制備不同配體功能化的載體，實現(xiàn)對同一液相環(huán)境中多種靶細菌的同時檢測。適配體是一類相比蛋白類抗體特異性高、篩選獲得快、化學穩(wěn)定性強的核酸配體。論文針對核酸適配體分析鑒及以適配體為基礎的新型液相芯片技術在食源性致病菌檢測中的應用進行了綜述。

適配體；液相芯片；食源性致病菌；檢測

近年來，食品安全問題越來越受到人們的關注，其中由病原微生物引起的食源性疾病是食品安全中最重要的問題。因此，快速檢測食源性致病菌是有效地控制和預防病原菌傳播和食物中毒的重要前提。傳統(tǒng)檢測方法特異性好、靈敏度高，但往往只能針對一種細菌且所需時較長(3 d～7 d)。PCR檢測方法速度快、特異性好，但易受食品中復雜基質的影響，導致出現(xiàn)假陰性結果。傳統(tǒng)的ELISA技術，需樣本量大[1]、檢測限較高。為解決這些檢測方法的劣勢，液相芯片技術應運而生。液相芯片技術具有高通量、靈活性好、靈敏度高、特異性強、重復性好等優(yōu)勢，現(xiàn)在已發(fā)展并運用于多種病原微生物[2]、毒素[3]和細胞因子的檢測。

液相芯片，又稱為懸浮陣列，是將探針分子固定于不同編碼微載體的表面，在液相環(huán)境中，每種功能化的編碼載體結合特定的識別分子，再加入熒光標記的報告分子，通過懸浮液態(tài)體系中進行的生物反應，解碼功能化載體的編碼，識別每種結合反應，最終實現(xiàn)高通量生物分子的檢測技術。液相芯片技術包括液相蛋白芯片技術和液相核酸芯片技術。經(jīng)典液相核酸芯片技術與多重(熒光)PCR技術聯(lián)合應用于多種致病菌和病毒的檢測。針對多種病原菌的16 S rDNA、23 S rDNA或者細菌的特征性侵襲基因進行多重(熒光)PCR，將不同的基因特異性探針偶聯(lián)于具有熒光編碼的微球上，通過基因雜交實現(xiàn)對病原菌的檢測。郭啟新等[4]針對金黃色葡萄球菌23 S rDNA、志賀菌iapH、單核細胞增生李氏桿菌iap基因分別設計特異性引物和探針，建立了一種多重PCR與液相芯片技術聯(lián)合應用的檢測方法，檢測結果顯示偶聯(lián)有探針的微球只與其對應的病原菌基因發(fā)生反應，特異性較高。液相芯片技術多用于蛋白、核酸等小分子的檢測。近年來，也有研究應用液相蛋白芯片技術檢測病原菌(大分子)。通過制備抗體功能化微球，將其與目標菌孵育結合后，加入修飾有熒光標簽的檢測抗體，最后分析報告分子的熒光強度，實現(xiàn)對目標細菌的檢測[5-6]。

經(jīng)典液相芯片技術來源于Luminex和BD公司，其核心技術是使用有機熒光染料編碼的微載體去識別不同的生物分子。目前報道了許多微球的編碼技術，包括光學編碼、物理編碼(如以熒光壽命編碼[7]、載體大小編碼[8])、化學編碼和電學編碼。不同編碼技術的聯(lián)合運用產(chǎn)生了更多種類編碼的微載體[9]，進而衍生出很多新型的液相芯片檢測手段。新型液相芯片技術突破了僅且只能依靠流式細胞儀對載體和報告分子進行解碼和分析的技術限制，使得解碼設備更加多樣，報告分子的選擇更加豐富。

適配體于1990年首次報道[10]，是一類短的單鏈寡核苷酸，可以通過體外篩選得到，其折疊形成的空間構象可以高親和力、特異性的與蛋白質、小分子和細菌結合[2-4]。適配體相比抗體而言，具有許多優(yōu)勢，其制備過程簡單，不易受環(huán)境影響(pH、溫度、化學試劑)，能經(jīng)受構象的改變再次使用，易于保存和修飾，從而便于結合其他電化學或光學方法進行微生物檢測、藥物治療等[11-13]。

近年來，以適配體為基礎構建新型液相芯片技術，已逐步引起研究學者的關注。論文就適配體的特異性、親和力鑒定方法，以及基于幾種常見的光學編碼的液相芯片檢測方法做一綜述。

1　適配體篩選與鑒定

1.1核酸適配體

核酸適配體是由指數(shù)富集系統(tǒng)進化技術(systematic evolution of ligands by exponential enrichment，SELEX)篩選獲得。首先體外合成一單鏈寡核苷酸庫(ssDNA或ssRNA)，文庫兩端為固定堿基序列，中間為隨機序列，庫容量約為1020～1030。將該隨機文庫與靶物質混合孵育后，通過離心或者其他技術手段分離得到核酸與靶物質的復合物，將此核酸進行PCR擴增進行下一輪篩選，一般通過8輪～15輪的篩選和擴增獲得候選適配體序列，最后通過生物信息學分析、親和力測定獲得一條或者幾條能高特異性、高親和力結合靶物質的適配體。

1.2核酸適配體鑒定

核酸適配體鑒定研究是獲得高親和力、高特異性適配體的關鍵，通過對每輪的核酸序列親和力測定以確定最佳篩選輪數(shù)，監(jiān)測篩選過程，減少不必要的篩選時間和人力。對適配體候選序列進行親和力測定，最終確定一條或幾條高特異性、高親和力適配體。

由完整細胞為靶分子進行的親和力測定方法包括流式細胞術測定法、熒光定量PCR[14]、放射性同位素標記法[15]等。除此之外，還有一些新的親和力測定技術如毛細管電泳技術等可用于評估微生物或蛋白與適配體候選序列的親和力。

流式細胞術是分析細胞與適配體候選序列親和力的常用手段，通過在適配體候選序列的一端標記熒光分子，然后與細胞孵育、洗滌后分析單個細胞，通過計算結合上標記熒光適配體的細胞陽性率來評估候選序列與靶細胞的結合力，從而監(jiān)測整個篩選過程。Moon J等[16]利用FACS-SELEX(fluorescence activated cell sorting)，經(jīng)過10輪篩選獲得了針對金黃色葡萄球菌高親和力與特異性適配體A14，并使用流式細胞術測定，其解離常數(shù)為3.49 nM±1.43 nM。

親和毛細管電泳是根據(jù)靶分子和配體的濃度變化及靶分子-配體復合物的遷移率變化表征復合物的形成或解離。以aptamer為親和探針，利用其與靶分子在電泳前或電泳過程中的親和作用，可定量分析靶分子以及測定親和常數(shù)。自從German I等[17]將毛細管電泳技術應用于適配體與其靶分子的親和力研究以后，在世界范圍內(nèi)掀起了一股CE-SELEX(capillary electrophoresis，CE)的研究熱潮，但是關于利用毛細管電泳技術測定完整細菌分子與適配體親和力方面的報道很少。Stratis-Cullum D N等[18]首次使用毛細管電泳評估空腸彎曲菌適配體的特異性和親和性，并證明該適配體與其他食源性致病菌如鼠傷寒沙門菌、大腸埃希菌O157:H7沒有明顯的位移和峰型變化。

2　基于適配體構建的新型液相芯片檢測方法

2.1以量子點編碼載體為基礎的液相芯片技術

量子點(quantum dot，QD)是由有限數(shù)目的半導體材料(通常由ⅡB～ⅥB或ⅢB～ⅤB元素組成)制成，量子點的典型尺寸在10 nm～50 nm之間。量子點具有獨特的光學特性，具有分子特性的分立能級結構，可以在小于其發(fā)射波長的任何波長下被激發(fā)，且發(fā)射波長范圍極短(半峰寬約為20 nm～30 nm)，發(fā)射峰對稱。在同一波長下激發(fā)多個量子點，得到多個不同發(fā)射峰的量子點的譜帶，基于量子點的不同熒光顏色和熒光強度進行熒光編碼，從而可以作為多色標記物應用于多組分的分析研究。將不同靶物質的特異性配體偶聯(lián)于不同熒光顏色的量子點表面，可實現(xiàn)同一液相環(huán)境中多種病原菌的檢測。Duan N等[19]將鼠傷寒沙門菌適配體和副溶血性弧菌適配體分別固定于發(fā)射波長為535 nm和585 nm的量子點，通過流式細胞術檢測綠色熒光通道和橙色熒光通道的陽性區(qū)域的細菌數(shù)百分比，實現(xiàn)同時識別副溶性血弧菌和鼠傷寒沙門菌的目的，檢測特異性高且結果可靠。量子點編碼的載體易被流式細胞儀或者熒光分光光度計解碼。由于流式細胞儀也可根據(jù)微載體大小進行解碼，許多學者通過將不同熒光顏色和熒光強度編碼的量子點與不同大小的微球結合，從而產(chǎn)生更多的編碼。在流式細胞儀的分析圖FLn-FLm-FS(n和m分別表示不同的熒光通道)將會生成一種三維空間的編碼庫。

2.2以上轉換熒光納米顆粒為基礎的液相芯片技術

上轉換熒光納米顆粒(upconversion fluorescent nanoparticles，UCNPs)一般是通過在基質(一般為氟化物)中摻入稀土離子(發(fā)光離子)和敏化離子(提高上轉換效率)形成。上轉換納米材料由近紅外線(near infrared ray，NIR)波長激發(fā)(一般為980 nm)，發(fā)射出短波長、高頻率的光。UCNPs發(fā)射譜帶窄，通過摻入鑭系元素的比例不同(Er3+、Tm3+、Ho3+)，調節(jié)發(fā)射的熒光顏色。除此之外，上轉換納米顆粒之間不會產(chǎn)生熒光能量共振轉移，是作為微球編碼的最佳熒光物質。Wu S等[20]通過摻入不同的稀土離子分別制備了3種不同熒光發(fā)射峰的UNCPs，將金黃色葡萄球菌、副溶血性弧菌、鼠傷寒沙門菌適配體偶聯(lián)于多色UNCPs作為分子識別配件，與偶聯(lián)適配體互補序列的磁珠結合后，檢測目標細菌。當樣本體系中含有目標細菌時，功能化UNCPs特異性捕獲靶細菌，從互補序列的磁珠上解離下來，使用980 nm激光器解碼分析磁珠上的UNCPs發(fā)射峰和強度，進而達到鑒別細菌的目的。

2.3以SERS光學編碼載體為基礎的液相芯片技術

表面增強拉曼(surface enhanced raman scattering，SERS)是一個通過依賴生物成像產(chǎn)生光學信號，進而實現(xiàn)檢測的生物傳感器，主要依靠等離子共振材料，比如重金屬(銀、金、銅)等具有納米特性的物質(粗糙的表面和納米顆粒)實現(xiàn)拉曼光譜的增強。在先前的報道中，一些納米材料，如石墨烯、TiO2、QDs均具有SERS特性。在液相芯片技術中，SERS信號分子通常作為一種標記分子修飾在微載體上。2007年，Doering W E等[21]推出Nanoplex技術，NanoplexTMbiotag是將標記有拉曼信號分子的納米顆粒包裹于二氧化硅殼之下，拉曼信號分子的拉曼峰作為一種編碼，廣泛應用于多種檢測實驗中。Zhang H等[22]將金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門菌的特異性適配體分別結合在修飾有拉曼信號分子5,5-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)[5,5′-Dithiobis(2-nitrobenzoic acid)，DNTB]和對巰基苯甲酸(mercaptobenzoic acid，MBA)納米金表面，并制備兩種適配體共同功能化的Fe3O4@Ag 納米顆粒，將功能化的納米金顆粒、Fe3O4@Ag 納米顆粒與靶細菌共同孵育結合，磁性分離后，利用拉曼光譜儀分析DNTB和MBA的拉曼信號，實現(xiàn)液相環(huán)境中細菌的雙重檢測。

2.4其他

隨著液相芯片技術的發(fā)展和應用，許多學者將微載體的合成及修飾作為構建多重生物分子檢測技術的重要環(huán)節(jié)。Ye B F等[23]通過制備不同形狀、不同結構色的水凝膠晶體，構建了以適配體為基礎的新型多重檢測技術，研究中發(fā)現(xiàn)由于光子晶體自身結構形成的多個表面空隙導致強烈的非特異性吸附，利用瓊脂糖凝膠具有良好的生物相容性這一特征，將其包裹于光子晶體表面，結果發(fā)現(xiàn)這樣可以有效封堵微球空隙，提高了功能化光子晶體與靶物質的結合動力學。Wang L等[24]構建食源性致病菌的多重檢測方法時，將聚乙二醇修飾于磁珠表面，通過增加磁珠的水溶性和增長抗體與磁珠之間的距離從而降低位阻效應，促進反應進行，并且研究發(fā)現(xiàn)直接將抗體偶聯(lián)于磁珠表面不能較好的檢測細菌。此外，制定不同模式的信號擴增法提高多重檢測系統(tǒng)的靈敏度、建立以磁性微載體為基礎的自動化多重檢測平臺等正不斷促進液相芯片技術的發(fā)展。

3　小結和展望

液相芯片以其操作簡便、高靈敏度、高通量以及寬的線性測定范圍等優(yōu)點，廣泛應用于多個領域。經(jīng)典液相芯片技術利用流式細胞術解析熒光編碼的微球，分析報告分子的熒光強度，進而實現(xiàn)對目標分析物的定性和定量分析。新型液相芯片技術的出現(xiàn)，打破了僅依靠流式細胞儀分析鑒定的局限，但所需分析設備存在解碼速度慢、價格昂貴、需要專業(yè)人員操作等缺點。在經(jīng)典的多重檢測技術中，生物標簽、分析物和偶聯(lián)有捕獲配體的微載體組成類似夾心酶聯(lián)免疫試驗的復合物，通過分析微載體和生物標簽實現(xiàn)檢測。新型液相芯片技術通常包括偶聯(lián)有生物標簽的捕獲配體和分析物，通過使用相關儀器對生物標簽進行分析、解碼，便可實現(xiàn)分析物的檢測。方法更加便捷、快速，但對捕獲配體的特異性、親和力要求更加苛刻。此外，構建多重液相芯片檢測手段時，還需要花費大量的時間和勞動力，進行配體篩選和功能化載體特異性鑒定工作，以保證功能化載體之間互不干擾，無交叉反應，結果更加穩(wěn)定、可靠。因此，在構建以適配體為基礎液相芯片檢測技術時，制定高效率的篩選方法、鑒定手段，獲得更多種類的高特異性適配體具有重要意義。相信隨著科學技術的不斷發(fā)展，通過對適配體篩選技術及鑒定技術的不斷優(yōu)化，液相芯片技術研究的不斷深入，以適配體為基礎構建的液相芯片檢測平臺將在食源性致病菌檢測領域發(fā)揮更加重要的作用。

[1]張海雷.犬瘟熱病毒抗體液相芯片檢測方法的建立及評價[D].吉林長春：吉林大學,2014.

[2]朱麗萍,顏世敢.動物病原高通量檢測技術[J].動物醫(yī)學進展,2011,32(10):103-106.

[3]盧軍利,葛瑋東,孫建霞,等.核酸適配體技術在食品有害物檢測中的研究進展[J].中國農(nóng)業(yè)科技導報,2015(2):151-158.

[4]郭啟新,張蕾,張柏棋,等.液相基因芯片法同時檢測3種食源性病原菌[J].食品科學,2013,16:191-195.

[5]方珍.應用液相蛋白芯片技術檢測食源性大腸桿菌O157：H7的研究[D].吉林長春：吉林大學,2013.

[6]趙麗,蔡陽,黃偉,等.單核細胞增生李斯特菌液相芯片檢測方法的建立[J].現(xiàn)代食品科技,2014(4):296-300,267.

[7]Huang Y,Zhang H,Chen X,et al.A multicolor time-resolved fluorescence aptasensor for the simultaneous detection of multiplexStaphylococcusaureusenterotoxins in the milk[J].Biosensors and Bioelectronics,2015,74:170-176.

[8]Ye B,Ding H,Cheng Y,et al.Photonic crystal microcapsules for label‐free multiplex detection[J].Advanced Materials,2014,26(20):3270-3274.

[9]Leng Y,Sun K,Chen X,et al.Suspension arrays based on nanoparticle-encoded microspheres for high-throughput multiplexed detection[J].Chem Soc Rev,2015,44(15):5552-5595.

[10]Ellington A D,Szostak J W.Invitroselection of RNA molecules that bind specific ligands[J].Nature,1990,346(6287):818-822.

[11]Yi-Xian W,Zun-Zhong Y E,Cheng-Yan S I,et al.Application of aptamer based biosensors for detection of pathogenic microorganisms[J].Chinese J Anal Chem,2012,40(4):634-642.

[12]楊倩,王全凱,宋戰(zhàn)昀,等.結核分支桿菌核酸適配體研究進展[J].動物醫(yī)學進展,2014,35(12):122-126.

[13]Tan W,Fang X.Aptamers selected by cell-SELEX for theranostics[M].Springer,2015.

[14]Chang Y C,Yang C Y,Sun R L,et al.Rapid single cell detection ofStaphylococcusaureusby aptamer-conjugated gold nanoparticles[J].Sci Rep,2013,3.

[15]Cao X,Li S,Chen L,et al.Combining use of a panel of ssDNA aptamers in the detection ofStaphylococcusaureus[J].Nucleic Acids Res,2009,37(14):4621-4628.

[16]Moon J,Kim G,Park S B,et al.Comparison of whole-cell SELEX methods for the identification ofStaphylococcusaureus-specific DNA aptamers[J].Sensors,2015,15(4):8884-8897.

[17]German I,Buchanan D D,Kennedy R T.Aptamers as ligands in affinity probe capillary electrophoresis[J].Anal Chem,1998,70(21):4540-4545.

[18]Stratis-Cullum D N,McMasters S,Pellegrino P M.Evaluation of relative aptamer binding to campylobacter jejuni bacteria using affinity probe capillary electrophoresis[J].Anal Lett,2009,42(15):2389-2402.

[19]Duan N,Wu S,Yu Y,et al.A dual-color flow cytometry protocol for the simultaneous detection ofVibrioparahaemolyticusandSalmonellatyphimuriumusing aptamer conjugated quantum dots as labels[J].Anal Chim Acta,2013,804:151-158.

[20]Wu S,Duan N,Shi Z,et al.Simultaneous aptasensor for multiplex pathogenic bacteria detection based on multicolor upconversion nanoparticles labels[J].Anal Chem,2014,86(6):3100-3107.

[21]Doering W E,Piotti M E,Natan M J,et al.SERS as a foundation for nanoscale,optically detected biological labels[J].Advanced Materials,2007,19(20):3100-3108.

[22]Zhang H,Ma X,Liu Y,et al.Gold nanoparticles enhanced SERS aptasensor for the simultaneous detection ofSalmonellatyphimuriumandStaphylococcusaureus[J].Biosensors and Bioelectronics,2015,74:872-877.

[23]Ye B F,Zhao Y J,Li T T,et al.Aptamer-based suspension array indexed by structural color and shape[J].J Materials Chem,2011,21(46):18659-18664.

[24]Wang L,Zhao W,O'Donoghu M B,et al.Fluorescent nanoparticles for multiplexed bacteria monitoring[J].Bioconj Chem,2007,18(2):297-301.

Application of Aptamer-based Suspension Array in Detection of Food-borne Pathogens

DONG Xiao-lin,LI Zhi-ping,CHEN Man,FAN Hong-chao,WANG Yuan-yuan,XIA Zhi-ping,WU Yong-kui

(Institute of Veterinary Sciences,Academy of Military Medical Sciences,Key Laboratory of Jilin Province forZoonosisPreventionandControl,Changchun,Jilin,130122,China)

Food-borne pathogens are important factors to cause food poisoning,rapid detection of food-borne pathogens are effective means of prevention and diagnosis of bacterial food poisoning.Suspension array technology is a fast,high-throughput detection method.Classic liquid chip technology is based on the organic fluorescent dye-coded polystyrene microspheres as a carrier,while the new-type suspension array technology is based on physics and optical coding matrix as the carrier,through preparing several different ligands functionalized carriers,the multiplex detections of target bacteria in one liquid environment were achieved.Aptamer have many advantages over antibody in aspects of specificity,rapid screening progress and strong chemical stability.In this article,aptamers identification methods and applications of aptamer-based chip technology in food-borne pathogen detection were reviewed.

aptamer;suspension array;food-borne pathogens;detection

2016-02-29

武漢東湖新技術開發(fā)區(qū)3551光谷人才計劃(第7批)

董曉琳(1990-)，女，河北邢臺人，碩士研究生，主要從事基礎獸醫(yī)學研究。*通訊作者

S852.61

A

1007-5038(2016)08-0104-04