
結(jié)核病是由結(jié)核分枝桿菌復(fù)合群引發(fā)的一種慢性傳染病,主要通過空氣傳播。肺結(jié)核的主要臨床癥狀包括咳嗽、咳痰,可能伴有低熱、盜汗、消瘦和虛弱等全身癥狀。除肺部外,結(jié)核病還可侵犯肝、腎、腦和淋巴結(jié)等其他器官,成為全球成年人死于傳染病的主要原因。及時(shí)的診斷和治療對控制疫情和提高治愈率至關(guān)重要。以下將簡要介紹結(jié)核病的常見診斷方法。
1、微生物學(xué)檢測
(1)抗酸染色涂片法:結(jié)核分枝桿菌的細(xì)胞壁中含有蠟質(zhì)成分,對酸性染料具有抵抗性。經(jīng)過特定染色后,結(jié)核分枝桿菌呈紅色,背景則呈藍(lán)色。
(2)結(jié)核分枝桿菌培養(yǎng)法:該方法準(zhǔn)確性高,但培養(yǎng)周期長且對實(shí)驗(yàn)室條件要求較高,通常與其他檢測方法結(jié)合使用。
2、免疫學(xué)檢測
(1)結(jié)核菌素皮膚試驗(yàn) (TST):感染結(jié)核分枝桿菌后,免疫系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生特異性細(xì)胞免疫反應(yīng)。將結(jié)核菌素(PDD)以小劑量皮內(nèi)注射至個(gè)體前臂內(nèi)側(cè),如果對結(jié)核菌素敏感,注射部位將出現(xiàn)紅腫和硬結(jié)。
(2)γ干擾素釋放試驗(yàn)(IGRA):IGRA基于免疫系統(tǒng)對結(jié)核分枝桿菌特異性抗原的反應(yīng)。當(dāng)個(gè)體感染結(jié)核分枝桿菌時(shí),體內(nèi)的T細(xì)胞會(huì)產(chǎn)生干擾素-γ(IFN-γ)。IGRA通過測量這些T細(xì)胞在接觸特定抗原后釋放的IFN-γ來判斷是否曾感染過結(jié)核分枝桿菌。
(3)結(jié)核桿菌 IgG 抗體檢測:感染結(jié)核分枝桿菌后,免疫系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生特異性IgG抗體。通過檢測血清中IgG抗體的水平,可以推測個(gè)體是否曾感染過結(jié)核分枝桿菌。
3、影像學(xué)檢測
胸部X光:是影像學(xué)中最常用的初步篩查工具,能夠顯示肺部的異常表現(xiàn),如肺結(jié)核的病灶、浸潤、空洞等。
4、分子診斷技術(shù)
Xpert MTB/RIF:這是一種針對結(jié)核分枝桿菌(MTB)和利福平耐藥性(RIF)的自動(dòng)化分子檢測方法,采用巢式實(shí)時(shí)聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)擴(kuò)增MTB特異性序列rpoB基因,并通過分子信標(biāo)檢測利福平耐藥決定區(qū)的突變。為進(jìn)一步提高檢測的敏感度,美國Cepheid公司推出了第二代系統(tǒng)——Xpert Ultra。
Truenat技術(shù):Truenat技術(shù)是一項(xiàng)基于微量逆轉(zhuǎn)錄PCR和核酸雜交芯片相結(jié)合的結(jié)核病及耐藥結(jié)核病分子檢測技術(shù),包括Truenat MTB、MTB Plus、MTB-RIF Dx 即時(shí)檢測平臺(tái),是一種快速、便攜且低成本的結(jié)核病及耐藥結(jié)核病分子檢測方法,適合在基礎(chǔ)設(shè)施有限的地區(qū)使用。
線性探針技術(shù)(line probe assay,LPA): 該技術(shù)利用生物素化引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增產(chǎn)物與固定于膜上的特異性寡核苷酸探針雜交,根據(jù)酶聯(lián)免疫比色法進(jìn)行結(jié)果解釋。它不僅可用于MTB檢測,還可用于藥物耐藥突變檢測,應(yīng)用平臺(tái)包括GenoType MTBDRplus、GenoType MTBDRsl和Genoscholar NTM+MDRTB。
基因測序:二代測序(NGS)不僅能夠快速識(shí)別結(jié)核分枝桿菌,還可以檢測其對多種抗結(jié)核藥物的耐藥性。全基因組測序(WGS)能夠提供詳細(xì)的耐藥機(jī)制分析和傳播特征,設(shè)備成本高和技術(shù)要求復(fù)雜。
質(zhì)譜技術(shù):是一種通過電場和磁場將運(yùn)動(dòng)的離子按質(zhì)荷比分離并進(jìn)行檢測的方法,可以用于非MTB和MTB的菌種鑒定,具有分辨率高、快速、準(zhǔn)確、需要菌量少的優(yōu)點(diǎn)。
等溫?cái)U(kuò)增技術(shù):該方法可以在恒定溫度下擴(kuò)增特定的核酸序列,能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確檢測結(jié)核分枝桿菌及其耐藥性,提升了結(jié)核病的早期診斷效率。
其他分子檢測技術(shù):關(guān)于結(jié)核桿菌基因及相關(guān)標(biāo)志物的創(chuàng)新性檢測技術(shù)層出不窮,這些技術(shù)在結(jié)核病的早期診斷和監(jiān)測中展現(xiàn)出重要的應(yīng)用潛力。以下是幾種新興技術(shù),它們?yōu)榻Y(jié)核病的快速檢測提供了創(chuàng)新的解決方案:
美國佛羅里達(dá)中央大學(xué)Yulia V. Gerasimova團(tuán)隊(duì)利用分裂探針和視覺信號(hào)放大級(jí)聯(lián),實(shí)現(xiàn)了對耐藥和藥敏結(jié)核分枝桿菌(MTC)基因型的區(qū)分。脫氧核酶(dz)序列被分為兩個(gè)片段,形成分裂的Dz(sDz)鏈。底物結(jié)合臂識(shí)別抑制PDz結(jié)構(gòu)(IPDz)。在特定核酸靶標(biāo)存在時(shí),鏈S和鏈U與靶標(biāo)雜交,形成Dz催化核心,裂解IPDz并釋放PDz。PDz折疊成G-四鏈體,對血紅蛋白具有親和力。hemin-PDz全酶促進(jìn)單電子轉(zhuǎn)移反應(yīng),將無色的(ABTS)轉(zhuǎn)化為可視化的藍(lán)綠自由基陽離子(ABTS+)。特定靶分子觸發(fā)多個(gè)PDz分子的釋放,放大信號(hào)。結(jié)合等溫核酸序列擴(kuò)增,該方法可在不到2小時(shí)內(nèi)檢測到從NASBA提取的0.1 pg和10 pg總RNA中產(chǎn)生的16S rRNA和katG mRNA擴(kuò)增子,并產(chǎn)生可見信號(hào)。[1]
圖1 sDz/PDz級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理
斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院Matthew Bogyo教授設(shè)計(jì)了一種檢測Mtb的新型診斷探針—快速、發(fā)光、廉價(jià)的Hip1 ( FLASH )傳感器,可用于結(jié)核分枝桿菌蛋白激酶Hip 1的檢測,并且可以區(qū)分活細(xì)胞和死細(xì)胞。Hip1是一種細(xì)胞被膜相關(guān)的絲氨酸蛋白酶,對Mtb毒力及其在巨噬細(xì)胞中的存活至關(guān)重要。Hip1切割Mtb蛋白GroEL2,有助于抑制早期巨噬細(xì)胞的促炎反應(yīng)。該團(tuán)隊(duì)將Hip 1的選擇性四肽底物通過中間連接子對氨基芐醇與苯氧基-二氧雜環(huán)丁烷發(fā)光團(tuán)偶聯(lián)。四肽底物對結(jié)核分枝桿菌蛋白激酶Hip 1有較高的選擇性,通過酶催化裂解。在酶切后,苯胺連接子發(fā)生自發(fā)消除,釋放出活化的苯氧基二氧雜環(huán)丁烷發(fā)光體。隨后的化學(xué)激發(fā)和衰減過程導(dǎo)致了光的自發(fā)產(chǎn)生。活的Mtb表達(dá)有活性的Hip1,它處理探針產(chǎn)生光。用靈敏的光度儀測量發(fā)射光,并隨時(shí)間積分,以產(chǎn)生總的發(fā)光信號(hào)[2]。
圖2 快速發(fā)光傳感器Hip1 (FLASH)的設(shè)計(jì)原理
南卡羅萊納大學(xué)劉暢教授通過Click反應(yīng)將抗原轉(zhuǎn)化為DNA探針并定量其特征信號(hào),展示了一種具有多種擴(kuò)增機(jī)制的納米孔檢測方法,可達(dá)原子摩爾水平的檢測限,從而可以定量人血清中循環(huán)結(jié)核分枝桿菌(Mtb)抗原ESAT-6/CFP-10復(fù)合物。首先捕獲抗體修飾的dynabeads從血清樣品中免疫沉淀ESAT-6/CFP-10抗原復(fù)合物,然后特異性結(jié)合檢測抗體修飾的CuO納米顆粒,形成夾心結(jié)構(gòu)。接著,通過磁性分離夾心結(jié)構(gòu),鹽酸釋放Cu+以催化DNA-炔烴(DNA-A)與疊氮基金剛烷(AA)之間的點(diǎn)擊反應(yīng),擴(kuò)增形成DNA-AA。最后,與CB[6]的主客體相互作用形成DNA-AA@CB[6]探針。ssDNA探針通過α溶血素(α-HL)納米孔的產(chǎn)生了高度特征的特征信號(hào),與DNA-A和DNA-AA的非特異性信號(hào)明顯區(qū)分開來。將納米孔對ssDNA的單分子靈敏度與催化擴(kuò)增相結(jié)合,產(chǎn)生一種特征信號(hào)模式,作為一種通用的生物傳感策略用于準(zhǔn)確檢測和定量。[3]
圖3 ESAT-6/CFP-10抗原復(fù)合物定量納米孔法示意圖
四川大學(xué)華西醫(yī)院實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)科應(yīng)斌武教授團(tuán)隊(duì)報(bào)告了一種高靈敏度的視覺免疫分析法,用于檢測尿液樣本中的脂阿拉伯甘露聚糖(LAM)對結(jié)核病的診斷。首先在反應(yīng)孔底部形成雙抗體夾心復(fù)合物,特異性識(shí)別捕獲LAM。然后,鏈霉親和素(SA)加入孔中與生物素標(biāo)記的二抗結(jié)合。然后生物素標(biāo)記的T30探針與SA特異性結(jié)合。LAM濃度與上清液中游離T30的濃度呈負(fù)相關(guān)。上清液轉(zhuǎn)移到離心管中進(jìn)行下一階段反應(yīng),通過原位合成銅納米粒子(Cu NPs)進(jìn)行信號(hào)放大。Cu²⁺與胸腺嘧啶(T)絡(luò)合后,被抗壞血酸還原生成Cu NPs,生成量與游離T30濃度正相關(guān),消耗游離Cu²⁺。最后,鈣黃綠素和量子點(diǎn)(QDs)通過競爭反應(yīng)選擇性識(shí)別Cu²⁺和Cu NPs。反應(yīng)液中Cu²⁺/Cu NPs濃度比隨LAM濃度升高而增加,導(dǎo)致兩種信號(hào)分子的熒光強(qiáng)度減弱,可視化條帶擴(kuò)散長度縮短。[4]
圖4 尿液樣本中LAM的可視化免疫分析示意圖
華東理工大學(xué)張志斌團(tuán)隊(duì)結(jié)合磁珠優(yōu)越的分離能力和雜交鏈反應(yīng)(HCR)優(yōu)良的信號(hào)放大能力,構(gòu)建了一種低成本、無酶、靈敏的MTB IS6110基因序列(MTB DNA)檢測平臺(tái)。MTB DNA與H1偶聯(lián)磁珠(MBs-H1)雜交破壞H1的發(fā)夾結(jié)構(gòu),引發(fā)HCR反應(yīng)。在最佳條件下,該方法對MTB DNA具有良好的熒光響應(yīng),最低檢測濃度低至10 pM。[5]
圖5 基于HCR和MBs的MTB檢測概念示意圖
四川大學(xué)華西醫(yī)院實(shí)驗(yàn)醫(yī)學(xué)科陳飄飄團(tuán)隊(duì)建立了一種同時(shí)分析結(jié)核病患者血液樣本中IP-10和IFN-γ的策略,利用納米材料的選擇性鑒定和無酶核酸擴(kuò)增。以IP-10為例,合成IP-10適配體-P2 dsDNA特異性識(shí)別溶液中的IP-10,從中釋放P2。胸腺嘧啶堿基在HP2末端與Hg²⁺反應(yīng),形成T-Hg²⁺-T發(fā)夾結(jié)構(gòu)。P2通過HP2環(huán)區(qū)識(shí)別,形成P2-HP2 dsDNA,Hg²⁺同時(shí)釋放到混合物中并通過CDs檢測。P2-HP2 dsDNA可被輔助環(huán)2區(qū)識(shí)別,釋放P2參與CHA循環(huán)擴(kuò)增,產(chǎn)生大量HP2-helper 2 dsDNA,釋放更多Hg²⁺到溶液中。以IFN-γ適配體序列為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)CAg⁺- C發(fā)夾結(jié)構(gòu)的P1、輔助鏈1和HP1。溶液中的IFN-γ觸發(fā)CHA反應(yīng),釋放Ag⁺。Ag⁺和Hg²⁺分別被CdTe量子點(diǎn)和CDs選擇性識(shí)別,形成關(guān)斷信號(hào)的報(bào)告模式。而非結(jié)核病患者沒有這種反應(yīng)。[6]
圖6 通過選擇性識(shí)別和CHA同時(shí)均勻敏感熒光定量IP-10和IFN-γ
湖南大學(xué)何鳳姣團(tuán)隊(duì)提出了一種檢測結(jié)核分枝桿菌菌株H37Rv的電化學(xué)傳感。該傳感器包含一個(gè)H37Rv適配體和金納米顆粒修飾的寡核苷酸(AuNPs-DNA)。該實(shí)驗(yàn)室篩選H37Rv適體作為識(shí)別探針。采用多通道串聯(lián)壓電石英晶體(MSPQC)系統(tǒng)檢測H37Rv存在下AuNPs-DNA介導(dǎo)的頻移變化。設(shè)計(jì)了三種金納米粒子修飾的寡核苷酸。這些寡核苷酸分別含有12、12和13個(gè)堿基與37-nt H37Rv適配體雜交。通過Au-S鍵將H37Rv適配體固定在金電極表面。然后通過將適體與設(shè)計(jì)的三個(gè)AuNPs-DNA序列雜交形成導(dǎo)電層。當(dāng)H37Rv存在時(shí),它特異性地與適體結(jié)合,導(dǎo)致AuNPs-DNA與電極分離。導(dǎo)電層因此被適體和細(xì)菌的非導(dǎo)電復(fù)合物所取代。這些變化由MSPQC系統(tǒng)監(jiān)測。該傳感器快速、特異、靈敏,檢測時(shí)間為2 h,檢出限為100 cfu/mL。[7]
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