李森，王源升，余紅偉，李瑜

1.海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學 理學院，湖北 武漢 430033

多重環(huán)介導等溫擴增技術的研究進展

李森1，王源升2，余紅偉2，李瑜2

1.海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033；2.海軍工程大學 理學院，湖北 武漢 430033

環(huán)介導等溫擴增技術（LAMP）是一種新型的核酸放大擴增技術。但是，當前的LAMP技術多是在同一個體系中對單一目標物進行檢測，限制了其工作效率的發(fā)揮。多重LAMP技術就是在同一反應體系中加入多組針對不同靶基因的特異性引物，從而實現(xiàn)對多種目標基因同時進行擴增。我們針對多重LAMP的優(yōu)缺點，對其在病毒、細菌、寄生蟲以及性別篩選等領域的應用做簡要綜述。

多重環(huán)介導等溫擴增；快速檢測；致病微生物

1 LAMP技術的基本原理及局限性

環(huán)介導等溫擴增（loop-mediated isothermal amplification，LAMP）是一種新型的核酸放大擴增技術，由日本榮研公司研究人員所發(fā)明[1]。和傳統(tǒng)的PCR方法相比，LAMP引物可以識別靶基因序列上的6個特異性區(qū)域。內引物FIP由F1c和F2區(qū)域構成，F(xiàn)2區(qū)域和靶基因序列的F2c區(qū)域完美互補；BIP由B1c和B2組成，B2區(qū)域與靶基因的B2c區(qū)域完美互補；內引物與靶基因的響應區(qū)域雜交結合后，在Bst聚合酶的作用下開始鏈的合成，由此觸發(fā)環(huán)介導等溫擴增反應；接下來，外引物F3/B3分別與F3c和B3c結合，各自合成出1條單鏈進而置換出內引物合成的2條單鏈，由于這2條鏈的5′端各自有互補的區(qū)域，因此各自會形成一個環(huán)狀結構；隨后在另一條外引物的作用下，另一端也形成一個環(huán)狀結構，由此形成了LAMP反應的初始啞鈴結構[2]。

通過以自身結構為模板，以3′端的F1區(qū)域為起點，內引物的F1c區(qū)域與啞鈴結構的F1區(qū)域結合，F(xiàn)2區(qū)域和F2c區(qū)域結合，由此觸發(fā)循環(huán)鏈置換放大擴增反應，同樣BIP與啞鈴結構的另一端莖環(huán)結構的B2c區(qū)域互補，啟動下一輪擴增放大。由此周而復始，至LAMP反應結束，擴增體系里產生了大量由相同特異性序列的反向重復片段組成的DNA片段混合物。除了4條內引物之外，環(huán)引物的加入可以加快反應的擴增速率，但并不是LAMP反應所必需的[3]。環(huán)介導等溫擴增的擴增效率使得擴增產物在15～60 min就可以達到初始模板量的109～1010倍[4]。

LAMP的擴增產物可以通過瓊脂糖凝膠電泳進行檢測，由于LAMP產物是大小長短不一的重復序列，因此可以觀察到大小不同的階梯條帶。產物的終點檢測還可以通過加入Sybr GreenⅠ、HNB等核酸染料來進行觀察。由于LAMP的擴增過程中會產生大量焦磷酸根，加上反應體系中存在的鎂離子，可以形成肉眼可見的白色沉淀[5]，據(jù)此榮研公司發(fā)明了基于此原理的濁度儀，從而實現(xiàn)了LAMP反應的實時觀察檢測。除此之外，基于生物發(fā)光技術、雙鏈嵌入式熒光染料和熒光修飾探針等技術都可以實現(xiàn)實時LAMP檢測[6]。

LAMP技術具有快速準確、簡便高效、特異性強及擴增產物檢測方便的特點，可廣泛用于細菌、病毒、真菌、寄生蟲的篩選識別等領域[7-10]。但是，LAMP技術多在同一個體系中對一個目標物進行檢測，限制了其工作效率的發(fā)揮和檢測范圍的擴展。多重LAMP技術就是在同一反應體系中加入多組針對不同目標基因的特異性引物，克服了LAMP一次反應只能檢測一種目標物的局限，從而對多種目標基因同時進行擴增，有效提高了檢測效率，擴展了檢測范圍，節(jié)約了檢測成本。

2 多重LAMP（m-LAMP）技術的應用

2.1 多重LAMP技術在病毒鑒定中的應用

LAMP技術發(fā)明之后就廣泛應用于病毒的篩選鑒定。流感病毒每年冬春季節(jié)會引起3～8周的大面積傳播，傳染性強，傳播迅速，持續(xù)時間長，具有很高的發(fā)病率和死亡率。由于各種流感病毒的發(fā)病癥狀都很類似，發(fā)病程度從溫和的上呼吸道感染到全身性肺炎癥狀不等，因此難以區(qū)分不同的毒株，須借助于實驗室化驗來進行病原分析，所以很有必要發(fā)展一種快捷有效地區(qū)分不同流感病毒的檢測技術。Mahony[11]提出了一種m-LAPM技術來實現(xiàn)對A型流感H1、H3和B型流感病毒的快速診斷。此研究設計了3套引物分別針對A型流感的2個亞型H1、H3和B型流感病毒的保守序列，通過實時熒光和熔解曲線來實現(xiàn)對這幾種流感病毒的區(qū)分。

小麥黃花葉病毒、土傳小麥花葉病毒和中國小麥花葉病毒是常見的小麥病害，為了檢測這3種小麥病毒害，需要一種精確有效的檢測方法。一些傳統(tǒng)方法已被應用，如酶聯(lián)免疫吸附測定（ELISA）和RT-PCR。雖然ELISA經濟有效，但費時費力，檢測限較低。RT-PCR靈敏度高、特異性強、操作簡單，但需要純化和從樣品中提取RNA，在一定程度上限制了其應用推廣。Fukuta[12]等發(fā)展了一種新穎的RT-LAMP技術，通過監(jiān)控核酸擴增和退火過程的實時熒光變化來同時檢測這3種病毒。病毒RNA的提取純化在RT-PCR的分析中是很重要的一步，費事費力且步驟繁瑣。由于LAMP擴增所需的Bst聚合酶不易受植物組織提取物的抑制，因此樣品的初步RNA提取物即可用于RT-LAMP。多重RT-LAMP檢測結果表明，不同病毒的熔解曲線呈現(xiàn)不同的熔解溫度峰值，由此可以分析鑒定這幾種不同的病毒。

口蹄疫病毒是一種急性傳染性病毒，可以感染家養(yǎng)反芻動物、豬和超過70種野生動植物。Yamazaki[13]建立了一種典型的實時熒光多重RTLAMP分析方法用于檢測口蹄疫病毒，第一次報道了RT-LAMP方法可用于高序列變異性的RNA病毒的檢測。為了克服遺傳多樣性，該體系將新設計的4套引物與之前報道的2套引物結合起來檢測口蹄疫病毒。通過實時濁度儀，將300個樣本的擴增結果與RT-PCR結果進行對比，RTLAMP的靈敏度明顯優(yōu)于RT-PCR方法。

呼吸道合胞病毒（RSV）是年輕人和老年人上下呼吸道感染的主要誘因，也是未滿2歲的嬰兒罹患毛細支氣管炎和下呼吸道感染的最重要的一個原因。成人感染RSV的癥狀通常是溫和的，但老年人和免疫功能嚴重低下的患者感染之后會導致病情惡化。Mahony[14]建立了m-LAPM方法快速檢測A、B亞型RSV。分別針對RSV的矩陣基因和B亞型RSV的聚合酶基因設計了6條引物，觀察實時熒光曲線和熔解溫度曲線來進行擴增產物的分析鑒定。通過對275個鼻咽組織樣本的測試，將m-LAMP技術與PCR進行了對比。優(yōu)化后的m-LAMP方法平均擴增時間僅為14.2 min，而PCR需要90～120 min。通過樣本處理制備，大概30 min即可完成RSV的檢測。本方法快速便捷，是目前已知最快的針對RSV的檢測方法。今后通過與微流控技術相結合，可以快速應用于臨床檢測等領域。

Liu[15]建立了一種m-LAPM方法，可同時檢測2種菊花致病病毒CVB和CSVd，檢測限只有傳統(tǒng)PCR方法的1/1000。此方法不僅可以對致病病毒的感染情況進行監(jiān)測，也可以快速啟動控制流行病毒傳播的應急措施。

2.2 多重LAMP技術在細菌鑒定中的應用

細菌的篩選鑒定在臨床檢驗中具有重要意義，約78%的上呼吸道感染者在送診后受到不恰當?shù)目股刂委?，相信抗生素可以預防繼發(fā)性細菌感染，但80%的上呼吸道感染卻是由病毒引起的，而抗生素對于病毒引起的上呼吸道感染并沒有什么用。更重要的是，抗生素的濫用提高了細菌的耐藥性，導致越來越多耐藥細菌的出現(xiàn)。因此，通過有效方法實現(xiàn)對細菌引起的上呼吸道感染的定性和定量分析是至關重要的。Luo[16]創(chuàng)造性地結合LAMP和微流控芯片技術，以特異保守基因為檢測對象，建立了單重、多重、定性、定量和集成LAMP微流控芯片，并應用于肺炎桿菌、甲型流感病毒和肺結核桿菌等重大傳染性病原體的快速診斷和分型。該系統(tǒng)將來有望應用于上呼吸道感染的快速診斷鑒別，從而有效減少抗生素的濫用。

產志賀毒素大腸桿菌是一種引發(fā)胃腸道疾病的致病菌，感染后可能會導致危及生命的后遺癥，因此，志賀毒素基因stx1和stx2一直是檢測的重點。Yoshihiro[17]發(fā)展了一種雙重LAMP檢測策略用于檢測產志賀毒素大腸桿菌的stx1和stx2基因。stx1基因的一條引物標記了熒光基團，另一個基因stx2的引物未標記?；贔RET的原理，如果stx1基因序列被大量擴增，熒光標記的引物與嵌入型染料溴化乙錠結合，導致熒光降低，而stx2基因序列擴增時游離溴化乙錠大量減少，體系中的熒光增強，由此可用于stx1和stx2基因的檢測。

引起腹瀉的食源性胃腸疾病是一個世界性公共衛(wèi)生問題，而其中大部分都是由沙門菌和志賀菌引起的。Shao等[18]建立了一種m-LAMP方法，用于對牛奶中的沙門菌和志賀菌進行同時檢測。在此實驗體系中，分別針對沙門菌的invA基因和志賀菌的ipaH基因設計了2套引物。與傳統(tǒng)的PCR方法1 pg DNA/反應的檢測限相比，此方法對沙門菌和志賀菌基因組DNA的檢測限低至100 fg DNA/反應。

酵母菌常用于食品和飲料的發(fā)酵，但它們也可能導致食物腐壞。食品腐壞是食品行業(yè)的一個嚴重問題，為了避免潛在的健康危害，快速準確地檢測致病菌是食品工業(yè)對消費者的一項重要責任。Kasahara[19]開發(fā)了同時檢測3種致病性酵母菌的m-LAPM反應體系，實驗結果顯示了在同一反應體系中，在相同的引物濃度條件下，多重引物的擴增速率一般情況明顯慢于單重LAMP條件下的擴增速率，由此發(fā)現(xiàn)引物之間的相互干擾在一定程度上影響了等溫擴增反應的進行。在m-LAPM反應體系中，對單一菌株目標DNA的檢測靈敏度與單重LAMP體系相當。

2.3 多重LAMP技術在寄生蟲檢測中的應用

蟲媒傳染病，如瘧疾和絲蟲病，在世界上大部分地區(qū)廣泛流行并威脅人類的健康。蚊子是寄生蟲、細菌和病毒等各種致病性病原體的重要載體，會感染包括人類在內的多種宿主。但一只蚊子體內可以攜帶多種致病性病原體，需要快速高效地得到同時檢測。Aonuma[20]通過設計熒光標記引物，利用m-LAMP方法實現(xiàn)了對波格鼠瘧原蟲和犬惡絲蟲的同時檢測。

牛貝巴蟲病是在一種在熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛傳播的重要蜱傳類疾病，主要由2種牛紅細胞內的原生動物寄生蟲牛貝巴蟲和牛雙芽巴貝斯蟲引起。雖然這2種寄生蟲引起的臨床癥狀相似，表現(xiàn)為發(fā)熱、貧血和黃疸，但牛貝巴蟲引發(fā)的癥狀遠比牛雙芽巴貝斯蟲的更嚴重。急性感染寄生蟲病通常通過血涂片鏡檢確診，而亞臨床感染應通過血清學進行鑒定。傳統(tǒng)PCR方法也顯示了較高的效率和靈敏度，但需要昂貴的儀器和專業(yè)技術人員。Iseki[21]開發(fā)了2套針對牛貝巴蟲和牛雙芽巴貝斯蟲的引物，并加入了限制性內切酶位點，在擴增完成之后進行酶切實驗即可實現(xiàn)對這2種寄生蟲的區(qū)分。

2.4 多重LAMP技術在性別鑒定中的應用

在畜牧業(yè)中，胚胎移植前的性別鑒定有利于增加所需性別的動物數(shù)量。Khamlor[22]分別針對2塊不同的染色體區(qū)域設計了2套引物，S4區(qū)域是雄性胚胎Y染色體所特有的，另一塊區(qū)域是雌雄胚胎所共有的，被用來作為內部控制，以確保檢測的準確性和可靠性。S4區(qū)域的環(huán)引物特別修飾了熒光染料ROX，而共有基因區(qū)域的2條環(huán)引物都修飾了FITC染料。此研究在反應管的蓋子上放置了陽離子聚合物，反應后搖勻即可顯色，綠色沉淀表明只有控制DNA存在，沒有Y染色體，而橙色沉淀表示這2個目標基因都存在。本方法不需要復雜的儀器，通過顯色反應即實現(xiàn)了對雌雄胚胎的肉眼檢測。

對植物的育種與產果，性別決定是最重要的因素之一。番木瓜的性別類型可分為雌雄同體、雄性和雌性。雄花不結果實，與雌雄同體相比，雌花的果實比較少肉，而且包含更多的種子。為了確保作物的經濟價值，就需要產出更多的雌雄同體植株。但由于顯性純合致死，全部雌雄同體的番木瓜種子也不可能存在。因此，Hsu[23]針對6個雄性-雌雄同體的特異標記物開發(fā)了m-LAMP技術，可以有效精確地篩選在幼苗期或生長前期的雌雄同體個體。

3 結語

LAMP技術以其方便快捷、簡便高效、特異性強及擴增產物檢測方便的特點，近年來得到廣泛應用。m-LAPM技術在傳統(tǒng)LAMP技術的基礎上，實現(xiàn)了在同一體系中對多個目標物的同時檢測。但是，m-LAPM由于反應體系存在多種特異性引物，不可避免地產生了引物間互相干擾等問題。同時，由于敏感度極高，假陽性問題也極其容易出現(xiàn)。

隨著與微流控技術、芯片實驗室和毛細管實驗室等微型實驗室技術的結合，m-LAPM的反應體系也越來越微型化和自動化[24-25]。微型實驗室技術在加樣、樣本提取、反應體系構建等方面的優(yōu)良特性，為m-LAPM技術提供了技術支撐，未來m-LAPM技術也將朝著更少試劑消耗、更多樣本加載和更低檢測下限的方向發(fā)展，在一定程度上也將大大降低非特異性擴增和核酸污染的幾率。以LAMP技術為基礎的新型核酸放大檢測將有更高的可靠性及更廣闊的應用前景。

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Development of the Multiplex Loop-Mediated Isothermal Amplification Technology

LI Sen1,WANG Yuan-Sheng2*,YU Hong-Wei2,LI Yu2
1.Department of Naval Architecture Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033;2.College of Science,Naval University of Engineering,Wuhan 430033;China

Loop-mediated isothermal amplification（LAMP）is a novel nucleic acid amplification technique.The present LAMP method employed a set of primers which recognize a total of six regions of the target DNA.In the multiplex LAMP reaction system,many sets of LAMP primers were designed to specifically detect target genes. This paper focused on the application of multiplex LAMP in the detection of virus,bacteria,parasites and sex se?lection.

multiplex LAMP;rapid detection;pathogenic microorganisms

Q81

A

1009-0002（2017）02-0217-05

10.3969/j.issn.1009-0002.2017.02.030

2016-09-01

李森（1989-），男，博士研究生

王源升，（E-mail）qianxun8965@163.com

*Correspinding author,E-mail:qianxun8965@163.com