王華健,張 寧,楊 威,趙志強(qiáng),李 茜,陸 安,田 勇,何 欣,趙興華,4*,李杰峰*
(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)院,保定 071000;2.河北省畜牧獸醫(yī)研究所,保定 071000;3.石家莊市金元康牧藥業(yè)有限公司,石家莊 051130;4.河北省獸醫(yī)生物技術(shù)創(chuàng)新中心,保定 071000)
食源性疾病是食品安全的主要問題之一,據(jù)世界衛(wèi)生組織(World Health Organization, WHO)統(tǒng)計(jì)報(bào)告,全球平均每年有上億腹瀉病例,以兒童死亡率最高,其中超70%疾病由致病微生物所致[1]。自2015年我國系統(tǒng)開展食源性疾病監(jiān)測(cè)以來,新的食源性細(xì)菌感染不斷出現(xiàn),大腸桿菌O157∶H7和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌感染是近年重要的食源性疾病[2]。大腸桿菌O157∶H7是腸出血性大腸桿菌(enterohemorrhagicEscherichiacoli, EHEC)的代表血清型,1999年、2000年相繼在我國安徽和江蘇兩省暴發(fā)流行,并波及中原及西部地區(qū),在華北、東北及華東少數(shù)地區(qū)也出現(xiàn)了散發(fā)病例。沙門菌在我國分布廣泛,劉繼開等[3]調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)除西藏外所有省份均有檢出,最常見血清型為鼠傷寒型和腸炎型,除此之外,近年來,非傷寒型沙門菌(NTS)也被認(rèn)為是我國食源性疾病的主要病原菌。WHO將產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌列為與高住院率和死亡率有關(guān)的主要食源性病原體。2015年,美國疾病預(yù)防控制中心(CDC)報(bào)道了一起由產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌引起的食源性疾病暴發(fā)事件,至少8人因食用藍(lán)鈴(Bule Bell)公司冰淇淋產(chǎn)品患病,導(dǎo)致3人死亡。國外研究發(fā)現(xiàn)生鮮肉中產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌污染最嚴(yán)重,對(duì)四環(huán)素類、氯霉素和青霉素等抗生素耐藥[4-5],國內(nèi)?;覆实萚6]通過對(duì)產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌流行病學(xué)和耐藥性研究也有相似結(jié)論。綜上,大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌在食品中污染嚴(yán)重、危害巨大,針對(duì)這3種食源性致病菌建立一種快速檢測(cè)方法非常必要。
食源性致病菌檢測(cè)方法中,目前最常用的是細(xì)菌分離培養(yǎng)結(jié)合生化鑒定,但該傳統(tǒng)方法費(fèi)時(shí)、費(fèi)力且不能對(duì)食源性致病菌進(jìn)行深入分析。分子生物學(xué)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于食源性致病菌的檢測(cè),基于核酸和熒光標(biāo)記的熒光定量PCR(qPCR)方法作為先進(jìn)的技術(shù)手段,具有特異性強(qiáng)、靈敏度高、耗時(shí)短等優(yōu)點(diǎn)[7]。目前,應(yīng)用qPCR方法針對(duì)一種或多種食源性致病菌的檢測(cè)穩(wěn)定,但未見關(guān)于這3種致病菌的多重qPCR檢測(cè)方法的研究和市場(chǎng)專利產(chǎn)品等。rfbE基因是大腸桿菌O157∶H7的特異基因,rfb基因簇編碼多種將低聚糖單元組裝成特異O抗原所必需的酶[8];沙門菌吸附和侵襲上皮細(xì)胞表面蛋白由invA基因合成,是主要毒力因子且核苷酸序列保守[9];產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌溶血素編碼基因hlyA高度保守和特異[10]。本研究基于3種致病菌保守性基因擬建立一種可同時(shí)檢測(cè)這3種食源性致病菌的多重qPCR方法,用于食品中致病菌污染檢測(cè)。
試驗(yàn)所用標(biāo)準(zhǔn)菌株共10株,目標(biāo)菌株為大腸桿菌O157∶H7(EscherichiacoliO157∶H7,NCTC 12900)、沙門菌(Salmonela)和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌(Listeriamonocytogenes)3種,其余7種供試菌株有大腸桿菌(Escherichiacoli)、表皮葡萄球菌(Staphylococcusepidermidis)、金黃色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)、克雷伯菌(Klebsiellaspp.)、巴氏桿菌(Pasteurella)、豬鏈球菌2型(Streptococcussuistype 2)和糞腸球菌(Enterococcusfaecalis),所有菌株均保存于河北省畜牧獸醫(yī)研究所微生物室菌種保藏庫。
通用型DNA提取試劑盒、M5 GoldStar TaqMan Mixture(北京聚合美生物科技有限公司);溶菌酶(北京索萊寶科技有限公司);營(yíng)養(yǎng)肉湯(nutrient broth, NB)、改良EC肉湯(Modified EC Broth, mEC+n)、改良山梨醇麥康凱瓊脂(Modified Sorbitol MacConkey Agar, CT-SMAC)、緩沖蛋白胨水(buffered peptone water, BPW)、四硫磺酸鹽煌綠增菌液基礎(chǔ)(tetrathionate broth base, TTB)、亞硒酸鹽胱氨酸增菌液(elenite cystine broth, SC)、沙門氏菌顯色培養(yǎng)基(第二代)、李氏菌增菌肉湯基礎(chǔ)(Listeriaenrichment broth base, LB1, LB2)、PALCAM 瓊脂(青島海博生物技術(shù)有限公司);法國科瑪嘉李斯特菌顯色培養(yǎng)基(上海欣中生物工程有限公司)。
Light Cycler?96實(shí)時(shí)熒光定量PCR儀(德國羅氏診斷有限公司)、K5500超微量分光光度計(jì)(北京凱奧科技發(fā)展有限公司)。
登錄NCBI網(wǎng)站,在GenBank中分別下載大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌的保守基因rfbE、invA和hlyA序列。應(yīng)用MegAlign軟件進(jìn)行序列比對(duì),選擇合適的基因序列,應(yīng)用Primer Express 3.0.1軟件設(shè)計(jì)引物和TaqMan探針。引物和探針序列見表1所示,各引物和探針均由上海生工生物工程股份有限公司合成。
表1 引物和探針序列
將大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌分別接種于NB中復(fù)蘇,37 ℃ 培養(yǎng)12 h后進(jìn)行平板培養(yǎng)基分離[大腸桿菌O157∶H7,改良山梨醇麥康凱瓊脂(CT-SMAC)培養(yǎng)基;沙門菌,沙門氏菌顯色培養(yǎng)基(第二代);產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌,PALCAM 瓊脂培養(yǎng)基]。在各平板上挑取單個(gè)菌落于NB中37 ℃ 純培養(yǎng)12 h,取1 mL細(xì)菌純培養(yǎng)液,按通用型DNA提取試劑盒提取各細(xì)菌基因組DNA。用K5500超微量分光光度計(jì)測(cè)定各細(xì)菌DNA模板的濃度和純度,并計(jì)算DNA拷貝數(shù)。DNA模板于-20 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>
分別以目標(biāo)菌株和供試菌株的基因組DNA為模板進(jìn)行擴(kuò)增。反應(yīng)體系:2×M5 GoldStar TaqMan Mixture 10 μL,上下游引物各0.6 μL,探針0.4 μL,DNA模板2 μL,ddH2O補(bǔ)足至20 μL。引物和探針濃度為10 mmol·μL-1。反應(yīng)參數(shù):95 ℃預(yù)變性15 min;95 ℃變性3 s,60 ℃退火并延伸30 s,40個(gè)循環(huán),在每個(gè)循環(huán)的退火延伸階段收集熒光信號(hào)。以NB培養(yǎng)液為陰性對(duì)照,無菌超純水為空白對(duì)照。
以單重qPCR反應(yīng)體系為基礎(chǔ),對(duì)3株目標(biāo)菌株引物和探針的使用量進(jìn)行優(yōu)化,確認(rèn)最優(yōu)多重qPCR反應(yīng)體系。
1.7.1 多重qPCR特異性試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)曲線的建立 同步驟“1.5”提取各目標(biāo)菌株的DNA模板并用ddH2O倍比稀釋為濃度107~103copies·μL-1,將3種目標(biāo)菌株的DNA模板按每個(gè)稀釋度等量混勻并做3個(gè)重復(fù),按優(yōu)化后的qPCR反應(yīng)體系,分別對(duì)大腸桿菌O157∶H7、沙門菌、產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌和其他7株供試菌種進(jìn)行多重qPCR擴(kuò)增,構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.7.2 多重qPCR靈敏性和重復(fù)性試驗(yàn) 同步驟“1.7.1”,將3種目標(biāo)菌株的DNA模板等量混勻,倍比稀釋濃度為107~100copies·μL-1,按優(yōu)化后的反應(yīng)條件進(jìn)行多重qPCR擴(kuò)增確定其靈敏性,每個(gè)稀釋度設(shè)3個(gè)重復(fù)。重復(fù)性試驗(yàn)根據(jù)靈敏性試驗(yàn)選擇合適的DNA模板濃度,每隔5 d做一組重復(fù)性試驗(yàn),共3次。根據(jù)結(jié)果分別計(jì)算批內(nèi)變異系數(shù)(CV%)和批間變異系數(shù)。
在本地超市、農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)和商店中購買120份生鮮肉,包括雞肉41份、豬肉47份、牛肉18份、羊肉14份。以進(jìn)出口行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SN/T 1870—2016《出口食品中食源性致病菌檢測(cè)方法實(shí)時(shí)熒光PCR法》)為基礎(chǔ),按優(yōu)化后的多重qPCR反應(yīng)體系進(jìn)行樣品檢測(cè),同時(shí)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)(GB 4789.36—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 大腸埃希氏菌O157∶H7/NM檢驗(yàn)》、GB 4789.4—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 沙門氏菌檢驗(yàn)》、GB 4789.30—2016《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品微生物學(xué)檢驗(yàn) 單核細(xì)胞增生李斯特氏菌檢驗(yàn)》)進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果對(duì)比,驗(yàn)證多重qPCR方法的準(zhǔn)確性。
應(yīng)用SPSS 21.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
DNA模板濃度和純度(A260nm/A280nm)測(cè)定數(shù)值如下:大腸桿菌O157∶H7分別為166.39 ng·μL-1和1.799,沙門菌分別為272.62 ng·μL-1和1.847,產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌分別為35.905 ng·μL-1和1.967??截悢?shù)計(jì)算公式:DNA拷貝數(shù)=[6.02×1023(copies·mol-1)×DNA濃度(g·μL-1)]/目的基因組的分子量,式中需要的條件有DNA濃度和目的基因組的分子量。沙門菌基因組大小為4.8 Mb,1 bp堿基分子量為652 g·mol-1[11];大腸桿菌O157∶H7基因組大小約4.2 Mb[12];產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌基因組大小約3 Mb[13]。3種目標(biāo)菌株分別進(jìn)行單重qPCR反應(yīng),結(jié)果見圖1所示,擴(kuò)增曲線明顯,其他供試菌株均無擴(kuò)增曲線,表明試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3種目標(biāo)菌株的引物和探針特異性良好。
1.大腸桿菌O157∶H7;2.沙門菌;3.產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌;4~11.其他供試菌株(E. coli、S. epidermidis、S. aureus、Klebsiella、Pasteurella、S. suis type 2、E. faecalis)和空白對(duì)照
以引物和探針濃度為10 mmol·μL-1為基礎(chǔ),對(duì)多重 qPCR 反應(yīng)體系的各引物、探針和Mixture等用量進(jìn)行優(yōu)化,選出最優(yōu)反應(yīng)體系為2×M5 GoldStar TaqMan Mixture 30 μL,3種細(xì)菌混合上、下游引物1.5 μL,混合探針0.6 μL,混合模板4 μL,ddH2O 補(bǔ)足至50 μL。反應(yīng)參數(shù):95 ℃預(yù)變性15 min;95 ℃變性3 s,60 ℃退火并延伸30 s,40個(gè)循環(huán),在每個(gè)循環(huán)的退火延伸階段收集熒光信號(hào)。
多重qPCR特異性試驗(yàn)結(jié)果為3種目標(biāo)細(xì)菌均顯示良好的擴(kuò)增曲線,非目標(biāo)細(xì)菌和空白對(duì)照均無擴(kuò)增,表明優(yōu)化后的多重qPCR反應(yīng)對(duì)大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌具有良好的特異性,且不產(chǎn)生交叉反應(yīng)。多重qPCR標(biāo)準(zhǔn)曲線結(jié)果見圖2,大腸桿菌O157∶H7的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為y=-3.743x+45.675,相關(guān)系數(shù)R2= 0.999,擴(kuò)增效率為85%;沙門菌的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為y=-3.62x+43.13,R2=0.999,擴(kuò)增效率為88.9%;產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌的標(biāo)準(zhǔn)曲線線性方程為y=-3.926x+44.296,R2=0.995,擴(kuò)增效率為80%。R2均大于0.99,表明DNA拷貝數(shù)濃度的對(duì)數(shù)值(X軸)與Ct值(Y軸)之間具有良好的線性關(guān)系,引物和探針的擴(kuò)增效率較高,建立的多重 qPCR 反應(yīng)體系穩(wěn)定。
1.大腸桿菌O157∶H7;2.沙門菌;3.產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌
多重qPCR靈敏性試驗(yàn)陽性結(jié)果判定為Ct≤35[14-15],qPCR試驗(yàn)通常設(shè)定為40個(gè)循環(huán),當(dāng)Ct值>35時(shí),反應(yīng)的隨機(jī)性增大,重復(fù)性試驗(yàn)誤差增加,可能伴隨非特異性產(chǎn)物的影響。大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌的靈敏性均為104copies·μL-1。根據(jù)重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果選擇濃度梯度為107~104copies·μL-1的DNA模板,4個(gè)梯度批內(nèi)變異系數(shù)為0.09%~2.97%,批間變異系數(shù)為0.23%~7.82%。變異系數(shù)只在平均值不為零時(shí)有意義,反應(yīng)單位均值上的離散程度,當(dāng)批內(nèi)變異系數(shù)小于5%~10%,批間變異系數(shù)小于15%~20%時(shí),表明試驗(yàn)結(jié)果可重復(fù)性高,建立的多重qPCR檢測(cè)方法重復(fù)性好,具體數(shù)據(jù)見表2和表3。
表2 多重qPCR批內(nèi)重復(fù)性試驗(yàn)
表3 多重qPCR批間重復(fù)性試驗(yàn)
以國家標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法為對(duì)照,檢驗(yàn)已建立的多重 qPCR方法的準(zhǔn)確性,結(jié)果對(duì)比見表4。市場(chǎng)采集的120份生鮮肉樣品中,國家標(biāo)準(zhǔn)方法檢測(cè)出2份大腸桿菌O157∶H7、13份沙門菌和21份產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌;使用建立的多重qPCR法檢出2份大腸桿菌O157∶H7、14份沙門菌和21份產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌。食品檢測(cè)中用傳統(tǒng)培養(yǎng)法鑒定的陽性樣本與qPCR方法檢測(cè)結(jié)果一致,應(yīng)用qPCR方法檢測(cè)食源性致病菌的陽性檢出率較傳統(tǒng)培養(yǎng)法略高,而多重qPCR方法的檢測(cè)時(shí)間更短。
表4 多重qPCR與國標(biāo)法檢測(cè)對(duì)比試驗(yàn)
傳統(tǒng)的細(xì)菌鑒定需要增殖培養(yǎng)、選擇性培養(yǎng)和生化鑒定3個(gè)步驟,是檢測(cè)食源性致病菌的“金標(biāo)準(zhǔn)”,缺點(diǎn)是耗時(shí)長(zhǎng),通常需要5~6 d,且檢測(cè)靈敏度低、無法進(jìn)行定量分析[14]。目前,已報(bào)道多種食源性致病菌快速檢測(cè)方法[16],除平板檢測(cè)法外,常規(guī)檢測(cè)方法還有化學(xué)分析法和免疫分析法等,這些方法步驟繁瑣、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高,需要高專業(yè)水平人員操作,因此開發(fā)以分子生物學(xué)、免疫分析、生物傳感器、代謝學(xué)、核酸適配體為基礎(chǔ),具有操作簡(jiǎn)單、靈敏、快速和低成本等優(yōu)點(diǎn),具備檢測(cè)復(fù)雜食品樣品中致病菌的方法是主要研究方向。隨著分子生物學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用,實(shí)時(shí)熒光定量聚合酶鏈反應(yīng)(qPCR)已成為一種強(qiáng)大的研究和診斷工具,簡(jiǎn)便、快速、靈敏和特異是qPCR滿足核酸檢測(cè)所需的4個(gè)關(guān)鍵方面[17]。本研究參考多篇文獻(xiàn)報(bào)道的3種致病菌保守基因[11,14,18],以大腸桿菌O157∶H7rfbE基因、沙門菌invA基因和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌hlyA基因設(shè)計(jì)3種致病菌特異性引物和探針,建立多重qPCR方法,進(jìn)行特異性、靈敏性、重復(fù)性和臨床樣品檢測(cè)試驗(yàn)。結(jié)果表明,建立的多重qPCR方法對(duì)3種致病菌均特異性擴(kuò)增;靈敏性高,均達(dá)到104copies·μL-1,目前國內(nèi)多數(shù)多重qPCR方法的研究中[14,19-20]靈敏性檢測(cè)限為102~105copies·μL-1,本研究建立的方法靈敏性符合理論預(yù)期;重復(fù)性良好,批內(nèi)變異系數(shù)為0.09%~2.97%,小于5%,批間變異系數(shù)為0.23%~7.82%,小于10%;臨床樣品檢測(cè)同國標(biāo)法差異小,國標(biāo)法檢測(cè)陽性樣品用本研究方法檢測(cè)結(jié)果均為陽性;檢測(cè)時(shí)間短,僅1 h。
本研究建立的多重qPCR方法在食品檢測(cè)結(jié)果中顯示沙門菌檢出率略高于國標(biāo)法,但所有受污染樣品都被檢出,證明建立的方法具有特異性和有效性,可用于實(shí)際檢測(cè)。微生物在自然環(huán)境中主要有活菌(viable)、活的非可培養(yǎng)狀態(tài)(viable but non-culturable, VBNC)、具有生物活性的死菌(ghosts)以及細(xì)胞膜損傷的死菌(membrane compromised)4種存在狀態(tài)。有研究表明[21],處于VBNC狀態(tài)時(shí)細(xì)菌不能在異養(yǎng)平板上生長(zhǎng),但仍具有新陳代謝、致病性和毒性,從而逃避國標(biāo)法的檢測(cè),成為影響食品安全的隱性污染源,qPCR法作為分子生物學(xué)方法根據(jù)致病菌的特異性基因來檢測(cè),不區(qū)分活菌和死菌,多重qPCR法的陽性檢測(cè)率略高于國標(biāo)法,多篇文獻(xiàn)報(bào)道[14-15,22]也證實(shí)了這一點(diǎn)。多重qPCR反應(yīng)在同一體系下進(jìn)行,大大節(jié)省了試劑和材料,檢測(cè)程序更加精準(zhǔn)、快速[22]。綜上所述,研究建立的多重qPCR方法可作為食品中大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌3種食源性致病菌一種準(zhǔn)確、快速、穩(wěn)定的檢測(cè)手段。
應(yīng)用本研究建立的多重qPCR方法對(duì)保定市市售生鮮肉食品中3種致病菌污染進(jìn)行檢測(cè)分析,采集的120份生鮮肉樣品中,受污染樣品34份,總檢出率為28.33%,檢測(cè)出2份大腸桿菌O157∶H7、14份沙門菌和21份產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌,陽性檢出率分別為1.67%、11.67%和17.50%,其中有3份樣品為沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌混合感染。2010—2016年,河北省共報(bào)告食源性疾病暴發(fā)事件308起,發(fā)病3 152人,死亡25人,病死率為0.79%,其中微生物性是主要致病因素,占24.7%[23]。近年來,河北省對(duì)食源性致病菌污染研究較少,關(guān)于石家莊、滄州和邯鄲等部分地區(qū)流行情況的文獻(xiàn)報(bào)道顯示食源性致病菌存在不同程度污染[24-26],2015年,石家莊市市售食品食源性致病菌總檢出率為25.00%,沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌檢出率分別為4.08%和3.06%;2016—2017年,滄州市食品食源性致病菌總檢出率為22.38%;2014 年邯鄲市食品致病菌監(jiān)測(cè)總檢出率為14.4%,產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌為6.0%,沙門菌為1.3%。綜上所述,不同地區(qū)存在不同程度的食源性致病菌污染,對(duì)食品安全造成潛在威脅,必須加強(qiáng)各地食源性致病菌污染監(jiān)測(cè)和食品衛(wèi)生管理,保障食品安全。
建立了能快速、準(zhǔn)確檢測(cè)食品中大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌3種食源性致病菌的多重qPCR檢測(cè)方法。應(yīng)用該方法對(duì)120份保定市售生鮮肉樣品進(jìn)行檢測(cè),總檢出率為28.33%,大腸桿菌O157∶H7、沙門菌和產(chǎn)單核細(xì)胞李氏桿菌陽性檢出率分別為1.67%、11.67%和17.50%。