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        交叉引物擴增法快速檢測牛病毒性腹瀉病毒

        2023-08-08 01:36:16賀泂杰
        中國乳業(yè) 2023年7期
        關(guān)鍵詞:試紙病牛病原體

        賀泂杰

        中國農(nóng)業(yè)科學院蘭州畜牧與獸藥研究所,甘肅省中獸藥工程技術(shù)研究中心,甘肅蘭州 730050

        0 引言

        牛病毒性腹瀉(Bovine viral diarrhea,BVD)是世界范圍內(nèi)最重要的牛畜疾病之一,不但損害動物福利,而且給牛肉產(chǎn)業(yè)和乳制品工業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失[1]。BVD是由牛病毒性腹瀉病毒(Bovine viral diarrhea virus,BVDV)引起,是單鏈RNA病毒,大小約為12.3 kb,屬于黃病毒科(Flaviviridae)瘟病毒屬(Pestivirus)的代表種。這個屬的成員中還包括羊邊界病毒(BDV)和豬瘟病毒(CSFV)[2]。

        根據(jù)臨床表現(xiàn)將BVD分為急性和慢性兩種。急性型病例常突然發(fā)病,癥狀為厭食,鼻、眼流出漿液性鼻漏,咳嗽,呼吸急促,流涎,精神委頓,體溫達40 ℃,同時伴隨白細胞減少。隨著病情的發(fā)展,病牛鼻鏡糜爛,表皮脫落,舌面上皮壞死,流涎增多,呼氣惡臭,并且發(fā)生嚴重腹瀉,犢牛死亡率高于高日齡的牛。部分病??沙霈F(xiàn)蹄葉炎和趾間皮膚壞死糜爛,進而導致其跛行。成母牛病情嚴重程度不同,但其泌乳量會顯著減少,甚至停止泌乳。慢性病例的病??沙霈F(xiàn)明顯的發(fā)熱癥狀,但體溫高于正常波動,病牛鼻鏡糜爛連成一片,病牛眼角有漿液性分泌物,病??谇挥猩倭棵訝€,但齒齦通常發(fā)紅。多數(shù)病例常出現(xiàn)跛行。大多數(shù)病例在患病2~6 個月后死亡,但也有部分病例病程在1 年以上。妊娠母牛感染BVDV常出現(xiàn)流產(chǎn),或產(chǎn)下先天性免疫缺陷的犢牛,或是小腦發(fā)育不全。在妊娠后期感染BVDV,母牛還可產(chǎn)下免疫耐受的持續(xù)性感染的病牛,不表現(xiàn)臨床癥狀,但免疫水平低下,并可持續(xù)向牛群中釋放病毒,成為該病重要的傳染源[3]。

        PCR檢測被認為是BVDV臨床診斷的“金標準”[4],多重PCR、實時PCR和巢式PCR由于其高靈敏度、特異性、時效性和可重復性,已廣泛應(yīng)用于BVDV檢測[5]。但這些方法有一些固有缺點,如需要昂貴的設(shè)備和對擴增樣品進行后續(xù)操作等,限制了它們的使用范圍[6]。

        交叉引物擴增(Cross-priming Amplification,CPA)是一種新型的等溫擴增技術(shù),可與核酸試紙條帶結(jié)合用于BVDV感染的快速檢測鑒定,是克服上述缺陷的一種替代工具[7]。CPA還允許擴增在沒有任何儀器輔助的情況下實現(xiàn)肉眼可視化,是許多動植物病原體(細菌、病毒等)的有效診斷技術(shù)[8]。本文利用CPA檢測方法,以5'UTR基因為靶點,特異性檢測BVDV的mRNA,利用野外和試驗感染的樣本評估CPA檢測的臨床性能,并與傳統(tǒng)PCR進行檢測效率的比較。

        1 材料與方法

        1.1 糞便樣本

        2022年8月,對甘肅省某牧場100 份出現(xiàn)腹瀉癥狀的犢牛進行抗生素治療但無效,對犢牛腹瀉糞便樣本進行細菌檢測,均呈現(xiàn)陰性。因此,又進行病毒檢測,結(jié)果為BVDV感染。樣本在-80 ℃下儲存,待用。

        1.2 主要試驗材料和試劑

        腸炎沙門氏菌(Salmonella Enteritidis)、大腸埃希菌(Escherichia coli)和彎曲桿菌(Campylobacter)來自于中國廣東環(huán)凱微生物科技有限公司;牛冠狀病毒(Bovine Coronavirus,BCoV)、牛病毒性腹瀉病毒、牛輪狀病毒(Bovine rotavirus,BRV)由本實驗室分離鑒定。

        BstDNA聚合酶、10×TermopolReactionBufer、dNTPs和MgSO4,Takara公司;甜菜堿,美國Sigma公司;一次性核酸檢測試紙,杭州優(yōu)斯達公司;DNA提取試劑盒、凝膠提取試劑盒、質(zhì)粒Mini試劑盒,美國OMEGA公司;GoldView染料,索萊寶科技有限公司。

        1.3 引物設(shè)計

        選擇5'UTR基因作為靶基因設(shè)計CPA檢測引物和探針。利用PRIMER5.0軟件設(shè)計一組CPA引物,分析雙相形成、發(fā)夾形成和引物二聚體。引物包括兩個置換引物(5s和4a)、一個交叉引物2s1a和兩個檢測引物2s和3s。檢測引物2s在5'端標記生物素,3s在5'端標記異硫氰酸熒光素(FITC)。該交叉引物由5'端2s和3'端1a組成。引物見表1。

        表1 CPA引物和探針序列

        1.4 BVDV-CPA反應(yīng)體系建立

        BVDV-CPA反應(yīng)體系如表2。BVDV-CPA反應(yīng)管60 ℃孵育60 min,80 ℃孵育2 min終止反應(yīng)。檢測CPA擴增時,將每種CPA產(chǎn)物5 μL與95 μL磷酸鹽緩沖鹽水(PBS)混合。

        表2 BVDV-CPA反應(yīng)體系

        1.5 BVDV-CPA反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間的優(yōu)化

        將一次性核酸檢測試紙放入稀釋后的樣品中,室溫孵育2 min。同時顯示檢測線和控制線時,反應(yīng)被認為是陽性,而僅顯示控制線時,反應(yīng)被認為是陰性。在56~66 ℃不同溫度和20~120 min不同時間下檢測,確定BVDV引物的最佳反應(yīng)溫度和反應(yīng)時間。隨后用一次性核酸檢測試紙檢測擴增產(chǎn)物。

        1.6 BVDV-CPA靈敏性和特異性

        為評價BVDV-CPA 檢測方法的靈敏度和檢出限度,本試驗以RNase-free water為稀釋液,將BVDV病毒RNA在0.025 6~2 000 pg/μL范圍內(nèi)稀釋5 倍。8 種稀釋度分別為2 000 pg/μL、400 pg/μL、80 pg/μL、16 pg/μL、3.2 pg/μL、0.64 pg/μL、0.128 pg/μL、0.025 6 pg/μL。

        為評估特異性,采用CPA方法對BVDV RNA和其他引起牛腹瀉的病原體[沙門氏菌腸炎(Salmonella Enteritidis)、大腸埃希菌(Escherichiacoli)、彎曲桿菌(Campylobacter)、牛冠狀病毒、牛輪狀病毒]進行特異性評估。所有結(jié)果均采用一次性核酸檢測試紙,進行重復獨立試驗。

        1.7 使用現(xiàn)場采集樣本評估CPA檢測準確率

        采用PCR和基因測序再次確認所檢測樣本均為陽性樣本。使用CPA和PCR檢測現(xiàn)場采集的100 份陽性樣本,將CPA結(jié)果與PCR結(jié)果比較,評估CPA檢測的準確性。PCR反應(yīng)體系如表3。PCR條件為:95 ℃一步初始變性3 min;35 個循環(huán)變性在95 ℃30 s,55 ℃30s,72 ℃延伸1min;最后一步在72 ℃下延伸5 min。PCR產(chǎn)物在含有GoldView染料的1.5%瓊脂糖凝膠上進行電泳,并在紫外線下檢測。

        表3 PCR反應(yīng)體系

        2 結(jié)果

        2.1 最佳擴增溫度和時間

        最佳CPA擴增溫度在56~66 ℃的范圍內(nèi)確定。結(jié)果顯示,在62 ℃和64 ℃時,CPA擴增效果良好。因此,選擇62 ℃作為最佳擴增溫度,用于后續(xù)的CPA反應(yīng)(圖1)。然后確定CPA擴增在62 ℃下后,時間20~120 min的范圍內(nèi)確定。結(jié)果顯示,孵育20 min后出現(xiàn)一條弱線,60 min后觀察到該線顏色最為顯著(圖2)。

        圖1 BVDV-CPA反應(yīng)溫度的優(yōu)化

        圖2 BVDV-CPA反應(yīng)時間優(yōu)化

        2.2 BVDV-CPA具有檢測特異性

        選擇BVDV5'UTR基因作為目標序列設(shè)計CPA引物和探針。BVDV-CPA檢測中使用引物和探針的特異性通過BVDV和其他引起犢牛腹瀉的病原體:基因組進行評估,在62 ℃下擴增60 min后,只有BVDV的基因組呈陽性結(jié)果,這表明BVDV與其他病原體樣本沒有交叉反應(yīng)(圖3)。

        圖3 CPA-BVDV方法的特異性分析

        2.3 BVDV-CPA的檢測閾值

        對RNA進行5 倍連續(xù)稀釋,每次反應(yīng)范圍為2 ng~25.6 fg,重復進行評估。結(jié)果表明,CPA法靈敏度高,檢出限為640 fg(圖4)。

        圖4 BVDV-CPA檢測限度

        2.4 BVDV-CPA的陽性檢出率

        利用100 份現(xiàn)場陽性糞便樣本,評估BVDV-CPA檢測的性能。結(jié)果表明,BVDV-CPA陽性檢出率88%,PCR陽性檢出率為65%(表4)。因此,本研究建立的CPA方法比PCR檢測法具有更高的準確性。

        表4 BVDV-CPA與PCR的準確率對比

        3 討論

        造成牛腹瀉的因素很多,如飼料、畜舍條件等環(huán)境因素[9]以及細菌、寄生蟲、病毒等引起的感染等[10]。后者常常造成該病的診斷難度較大,如不能準確確定致病因素,對癥下藥,會造成病情加重,甚至導致病牛死亡。因此診斷環(huán)節(jié)是防治BVD的關(guān)鍵[11]。本文建立一種檢測BVDV感染的CPA方法。與PCR相比,該診斷技術(shù)不需要復雜設(shè)備,具有簡單讀出系統(tǒng),易于操作,可用于診斷偏遠或資源有限地區(qū)的BVDV檢測。

        在過去十年中,研究人員為簡化病原體檢測做出巨大努力。一些新技術(shù)和設(shè)備已被開發(fā)用于病原體檢測。加快“樣品-結(jié)果-輸出”的疾病檢測[12],這可能為將來疾病診斷技術(shù)發(fā)展提供啟示。其中CPA已被證明在檢測人類、動物和植物病原體方面有效[13],具高特異性和可視化優(yōu)點,為核酸快速診斷提供便利,具有潛在的應(yīng)用前景[14]。本研究設(shè)計引物,并建立一種CPA方法,針對BVDV 5'UTR基因,將CPA反應(yīng)與逆轉(zhuǎn)錄結(jié)合,在恒溫條件下擴增BVDV的RNA,在62 ℃下,用制備好的模板在60 min完成。產(chǎn)生的擴增子與核酸檢測試紙結(jié)合時,使檢測更容易。CPA檢測BVDV的方法具很高特異性,并且在檢測BVDV感染的臨床樣品中被證明有效,陽性檢出率高。CPA檢測在BVDV的現(xiàn)場監(jiān)測中具有良好潛力。同時選擇的BVDV 5'UTR基因保守序列是BVDV1型和2型中的共有序列,因此可以同時檢測出BVDV1型和BVDV2型,但不能區(qū)分這兩種類型病毒。

        在開發(fā)成功的CPA檢測方法過程中,引物設(shè)計至關(guān)重要。為準確檢測,引物在確保特異性和敏感性方面起至關(guān)重要作用,其設(shè)計是CPA的難點之一。由于CPA檢測使用5 個引物來識別目標DNA序列上5 個不同區(qū)域,這使CPA檢測比用2 個引物的傳統(tǒng)PCR更具特異性。同一管中存在多個引物可導致非特異性擴增,導致假陽性和誤導性檢測結(jié)果[15]。在確定最終BVDV 5'UTR CPA引物前,做了大量前期試驗,篩選多套引物,以剔除給出非特異性擴增產(chǎn)物的引物。

        4 小結(jié)

        快速檢測技術(shù)BVDV-CPA操作方便,特異性強,靈敏度高,不需要復雜的試驗設(shè)備,適用于戶外和基層醫(yī)療單位的分析,是一種理想的快速檢測BVDV 的系統(tǒng),在監(jiān)測病毒性疾病方面具有很大潛力。

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