袁 生,王聰穎,郭錦玥,黃淑堅(jiān),溫 峰
(佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 生命科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 佛山 528225)
豬輪狀病毒(porcine rotavirus, PoRV)是導(dǎo)致仔豬流行性腹瀉的主要病原之一,可以引起仔豬腹瀉、厭食和嘔吐等癥狀,嚴(yán)重威脅著養(yǎng)豬業(yè)的健康和發(fā)展。隨著檢測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展,PoRV的檢測(cè)技術(shù)不斷更新?lián)Q代,主要有病原學(xué)、免疫學(xué)和分子生物學(xué)等鑒別診斷方法,為PoRV的防控提供了有效的應(yīng)對(duì)措施。
PoRV常與一些腸道病毒混合感染使病情加速惡化,造成難以挽回的嚴(yán)重?fù)p失。更經(jīng)濟(jì)高效且靈敏的PoRV鑒別診斷技術(shù)對(duì)保障養(yǎng)豬業(yè)健康發(fā)展具有重要的意義。近年來(lái),隨著分子生物學(xué)診斷方法的迅速發(fā)展,諸如常規(guī)反轉(zhuǎn)錄PCR(reverse transcription PCR, RT-PCR)、熒光定量反轉(zhuǎn)錄PCR(reverse transcription fluorescence quantitative PCR, RT-qPCR)、熒光環(huán)介導(dǎo)逆轉(zhuǎn)錄等溫?cái)U(kuò)增(reverse transcription loop-mediated isothermal amplification, RT-LAMP)、二代測(cè)序、RNA原位雜交檢測(cè)(ISH-RNA)和Luminex xTAG等分子診斷技術(shù)的應(yīng)用推動(dòng)了PoRV診斷方法的快速發(fā)展。本文綜述了PoRV診斷方法的研究進(jìn)展,為PoRV的診斷提供新思路。
PoRV是呼腸孤病毒科輪狀病毒屬的成員[1]。PoRV無(wú)囊膜包被,形狀類似車輪,在電鏡下觀察病毒粒子直徑大小約為70 nm,其基因組由11個(gè)獨(dú)立片段的雙股正鏈RNA組成,共編碼6種結(jié)構(gòu)蛋白(VP1~VP4、VP6和VP7)和6種非結(jié)構(gòu)蛋白(NSP1~NSP6),其中第11節(jié)段編碼NSP5和NSP6兩種非結(jié)構(gòu)蛋白[2]。該病毒粒子從內(nèi)到外可分為核衣殼、內(nèi)衣殼和外衣殼。核衣殼由VP1、VP2和VP3組成。VP6蛋白是構(gòu)成輪狀病毒內(nèi)衣殼蛋白的主要成分。VP4和VP7蛋白共同構(gòu)成輪狀病毒的外層衣殼結(jié)構(gòu)蛋白[3]。
結(jié)構(gòu)蛋白VP1具有核糖核酸聚合酶的特性,與PoRV的復(fù)制密切相關(guān)[4]。此外,結(jié)構(gòu)蛋白VP2和非結(jié)構(gòu)蛋白NSP5對(duì)PoRV的復(fù)制具有重要意義[5]。在先天性免疫應(yīng)答中,結(jié)構(gòu)蛋白VP3可以阻止細(xì)胞寡聚腺苷酸合酶途徑的激活,非結(jié)構(gòu)蛋白NSP1在干擾宿主的自然免疫應(yīng)答中扮演著重要角色,因此NSP1和VP3對(duì)先天免疫拮抗的結(jié)構(gòu)和機(jī)理基礎(chǔ)提供了重要見解[6]。衣殼的外層由VP7和VP4組成,可誘導(dǎo)病毒中和抗體,并且對(duì)PoRV的外形及外殼蛋白的穩(wěn)定和病毒的成熟非常重要。VP4由胰蛋白酶切割產(chǎn)生VP8(28 kDa)和VP5(60 kDa)片段,它們能促進(jìn)PoRV與宿主細(xì)胞結(jié)合的能力[7]。結(jié)構(gòu)蛋白VP6是介導(dǎo)粘膜免疫的特異性抗原,具有很強(qiáng)的免疫原性[8]。與此同時(shí),非結(jié)構(gòu)蛋白在PoRV生命鏈中也發(fā)揮著重要作用。其中,非結(jié)構(gòu)蛋白NSP2參與PoRV的形成,以及基因組復(fù)制和病毒組裝[9]。在重組病毒過(guò)程中產(chǎn)生的NSP3能誘導(dǎo)細(xì)胞poly(A)結(jié)合蛋白的核聚集[10]。盡管PoRV是無(wú)囊膜病毒,但病毒附著到細(xì)胞膜后,會(huì)采用已經(jīng)裂解的VP4蛋白的融合機(jī)制,通過(guò)質(zhì)膜穿孔進(jìn)入細(xì)胞,這是除了受體介導(dǎo)途徑之外的另一種病毒進(jìn)入途徑[3]。NSP6是由基因11的異相開放閱讀框(open reading frames, ORFs)編碼的核酸結(jié)合蛋白,雖然其ORFs存在于大多數(shù)PoRV中,但NSP6非病毒復(fù)制所必需[2]。
豬輪狀病毒病是由PoRV引起的豬急性腸道傳染病[11]。其基本特征為嘔吐、腹瀉和脫水。在臨床中,仔豬在感染該病后初期采食量減少、精神不振、行為懶散和伴發(fā)嘔吐癥狀,并且其腹瀉最為嚴(yán)重,糞便呈水樣或糊狀,顏色為黃色或黑紅色[12]。成年豬表現(xiàn)精神不濟(jì)、食欲減退和腹瀉,母豬則可出現(xiàn)流產(chǎn)和死胎癥狀。
剖檢后發(fā)現(xiàn)患病豬的病理性變化主要集中于消化道,特別是小腸。其胃內(nèi)充滿沒(méi)有消化的乳凝塊和乳汁,且胃壁松弛[13]。腸道內(nèi)有黑色或黃色水樣內(nèi)容物,腸壁變薄變透明,腸系膜的淋巴結(jié)異常腫大,腸絨毛縮短,可以看見發(fā)生增生的隱窩細(xì)胞和浸潤(rùn)的淋巴細(xì)胞[14]。
豬A型輪狀病毒、豬B型輪狀病毒和豬C型輪狀病毒與仔豬的腹瀉密切相關(guān)。近年來(lái),在日本、巴西和美國(guó)的豬腹瀉樣本中分離到了豬H型輪狀病毒,且證實(shí)這一新型輪狀病毒也是造成仔豬腹瀉的病原之一[15]。PoRV引起的仔豬腹瀉一般發(fā)生于早春、深秋和寒冬,且各個(gè)年齡階段的豬均表現(xiàn)易感。其中,2~6周齡仔豬發(fā)病多,死亡率在50%以下[16]。自2010年底以來(lái),中國(guó)多地大規(guī)模爆發(fā)了由PoRV引起的仔豬嚴(yán)重腹瀉。Xue等[17]從山東10個(gè)出現(xiàn)腹瀉的農(nóng)場(chǎng)采集到1~3月齡的乳豬和斷奶豬共226份樣本,其中有65份(28.76%)檢測(cè)到PoRV。隨后,Zhang等[18]在華南5個(gè)省份的168個(gè)養(yǎng)豬場(chǎng)收集了總共2 987個(gè)樣本進(jìn)行檢測(cè),結(jié)果顯示PoRV常與豬流行性腹瀉病毒(porcine epidemic diarrhea virus, PEDV)、豬Delta冠狀病毒(porcine delta coronavirus, PDCoV)和豬傳染性胃腸炎病毒(transmissible gastroenteritis virus, TGEV)等腸道病毒混合感染。
3.1.1 細(xì)胞培養(yǎng)分離病毒 根據(jù)病毒的細(xì)胞噬性,選擇相應(yīng)的原代細(xì)胞或傳代細(xì)胞系進(jìn)行病毒分離及培養(yǎng)。Bohl等[19]在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),將臨床PoRV陽(yáng)性樣品經(jīng)胰蛋白酶處理后,接種于恒河猴胎腎細(xì)胞(MA104),成功地分離出輪狀病毒(rotavirus, RV),解決了細(xì)胞分離培養(yǎng)RV的問(wèn)題。隨后,馬士博等[20]對(duì)PoRV HeBei-12株的生長(zhǎng)特性進(jìn)行研究,繪制了生長(zhǎng)曲線并確定了病毒在MA-104細(xì)胞上的最佳繁殖時(shí)間。雖然已經(jīng)成功分離培養(yǎng)出PoRV,但是細(xì)胞分離培養(yǎng)病毒周期較長(zhǎng),并且操作難度大、成本高,不利于對(duì)臨床樣品進(jìn)行大規(guī)模檢測(cè)。
3.1.2 電鏡觀察 基本原理是利用電鏡直接觀測(cè)樣本中是否存在病毒顆粒。其中,實(shí)驗(yàn)室常用直接電鏡檢測(cè)法和免疫電鏡檢測(cè)法。王振玲等[21]用直接電鏡檢測(cè)法觀察到病毒顆粒形態(tài)結(jié)構(gòu),并鑒定出PoRV。當(dāng)PoRV與PEDV和TGEV等其他病毒混和感染時(shí),可以使用免疫電鏡檢測(cè)法,通過(guò)特異性抗體捕捉病毒,觀察聚集的病毒抗原復(fù)合物來(lái)進(jìn)行鑒定,還可以采取多價(jià)抗體,滿足同時(shí)檢測(cè)其他與腹瀉相關(guān)病毒的要求[22]。Benfield等[23]比較了病毒細(xì)胞分離培養(yǎng)、免疫電鏡檢測(cè)法和熒光抗體技術(shù)檢測(cè)PoRV的敏感性,發(fā)現(xiàn)免疫電鏡檢測(cè)法敏感性強(qiáng)于熒光抗體技術(shù)和病毒細(xì)胞分離培養(yǎng)。
3.2.1 乳膠凝集 乳膠凝集試驗(yàn)是采用乳膠粒子作為載體的間接凝集試驗(yàn)。該方法操作簡(jiǎn)單、成本低且檢測(cè)快,但需要具備充足的經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷結(jié)果。Sanekata等[24]改進(jìn)了一種能快速確診PoRV的簡(jiǎn)便凝集試驗(yàn)方法。Sobanski等[25]使用超聲懸浮處理病毒顆粒后進(jìn)行乳膠凝集試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)檢測(cè)PoRV抗原的靈敏度比改進(jìn)前提高了32倍。這些改進(jìn)舉措大大推動(dòng)了乳膠凝集檢測(cè)方法的應(yīng)用。
3.2.2 免疫膠體金 主要是利用膠體金免疫顯示技術(shù),包被診斷標(biāo)記物對(duì)靶定的抗原或抗體進(jìn)行檢測(cè)。崔曉辰等[26]利用豬A型輪狀病毒OSU毒株(G5型)VP6蛋白的特異性單克隆抗體制作豬A型輪狀病毒膠體金免疫層析試紙條,可以檢出5.4 μg/mL純化的PoRV OSU毒株抗原和1.0×103.4TCID50/mL病毒。這種方法與其他免疫學(xué)檢測(cè)方法相比,檢測(cè)效率高、特異性強(qiáng)、敏感性好,且可視化檢測(cè)結(jié)果。
3.2.3 ELISA 利用生物素-親和素系統(tǒng),對(duì)檢測(cè)物靶定的辣根過(guò)氧化物酶標(biāo)記的抗原或抗體進(jìn)行顯色,并通過(guò)顯色程度對(duì)檢測(cè)物進(jìn)行定性甚至是定量。Memon等[27]通過(guò)使用VP6靶向的兔多克隆抗體,開發(fā)了一種快速、高度特異性和靈敏的抗原捕獲酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定(AC-ELISA)方法,且AC-ELISA的檢出限與常規(guī)逆轉(zhuǎn)錄聚合酶鏈反應(yīng)基本一致。王婧怡等[28]利用ELISA檢測(cè)方法對(duì)感染PEDV、PoRV和TGEV的發(fā)病種豬血清樣品進(jìn)行了血清學(xué)檢測(cè),證實(shí)PoRV感染率最高。
3.3.1 RT-PCR 在RT-PCR中,將病毒RNA逆轉(zhuǎn)錄為cDNA,針對(duì)病毒基因組的保守區(qū)域設(shè)計(jì)引物,通過(guò)聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增目的基因。趙鳳菊等[29]建立豬A型輪狀病毒NSP4基因RT-PCR檢測(cè)方法,該方法最低檢測(cè)濃度為13.17 pg/μL,應(yīng)用該方法對(duì)臨床樣品進(jìn)行了檢測(cè),樣品陽(yáng)性率為90%,與GenBank中其他豬A型輪狀病毒NSP4基因序列同源性均在98%以上。在此RT-PCR基礎(chǔ)上,逐漸延伸出多重RT-PCR診斷技術(shù),可同時(shí)檢測(cè)多種豬源病毒。Ding等[30]建立PEDVN基因、TGEVN基因、豬A型輪狀病毒VP7基因、豬庫(kù)布病毒(Porcine Kobuvirus, PKoV)多聚蛋白基因、豬札幌病毒(porcine sapporo virus, PoSaV)多聚蛋白基因和PDCoVN基因的多重RT-PCR檢測(cè)方法,該方法的檢測(cè)限為100~101 ng cDNA。結(jié)果表明多重RT-PCR適用于PoRV,這種方法靈敏度好且效率高,可應(yīng)用于多種病原感染的臨床鑒別診斷。
3.3.2 RT-qPCR RT-qPCR可根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康倪x擇嵌入染色劑,是對(duì)特異性核酸序列進(jìn)行檢測(cè)的高敏感度技術(shù)。許夢(mèng)怡等[31]根據(jù)TGEVM基因、PEDVM基因和PoRVVP2基因序列,成功建立了這3種病毒的TaqMan探針多重RT-qPCR方法。該方法對(duì)PoRV檢測(cè)靈敏度為4.96拷貝/μL,PoRV組內(nèi)重復(fù)試驗(yàn)的C.V.最大值和組間重復(fù)性試驗(yàn)的C.V.最大值均不超過(guò)5%,表明該方法重復(fù)性好。用此方法對(duì)這3種病毒樣本進(jìn)行檢測(cè),均沒(méi)有交叉反應(yīng),表明此方法特異性好,但是探針等材料價(jià)格昂貴,所以試驗(yàn)成本較高。隨后,李軍等[32]對(duì)TGEVS基因、PEDVS基因和PoRVNSP基因建立了多重RT-qPCR方法,PoRV的最低檢測(cè)量為25拷貝/μL,組內(nèi)和組間變異系數(shù)小于5%,該方法與商品化的試劑盒檢測(cè)結(jié)果符合率達(dá)100%。RT-qPCR與RT-PCR相比,靈敏度高、特異性強(qiáng)且效率高。Jia等[33]基于雙引物寡核苷酸(DPO)的RT-qPCR方法,針對(duì)TGEVN基因、PEDVN基因、PDCoVN基因和PoRVVP7基因,在臨床樣本中準(zhǔn)確鑒別PEDV、TGEV、PoRV和PDCoV。結(jié)果表明,與傳統(tǒng)引物相比,DPO引物擁有更寬的退火溫度范圍,且具有更高的引物特異性,但是DPO引物的3'-或5'-端有超過(guò)3個(gè)核苷酸與DNA模板不匹配,導(dǎo)致PCR擴(kuò)增效率將大幅降低。該方法對(duì)PEDV、TGEV、PoRV和PDCoV臨床標(biāo)本的檢測(cè)限分別為8.63×102拷貝/μL、1.92×102拷貝/μL、1.74×102拷貝/μL和1.76×102拷貝/μL。與傳統(tǒng)的RT-PCR方法相比,該方法的檢測(cè)精度更高,為PoRV的鑒別診斷提供一種有效的手段。除此之外,Liu等[34]成功建立出PEDV、TGEV、豬A型輪狀病毒、豬C型輪狀病毒和豬圓環(huán)病毒2(porcine circovirus 2,PCV2)多重RT-qPCR。在這項(xiàng)研究中通過(guò)擴(kuò)增序列大小不同,檢測(cè)和區(qū)分不同的病毒,實(shí)現(xiàn)了PoRV的快速高效率的鑒別診斷。隨后,曲雅新等[35]成功建立PoRVVP6基因、PoSaVRdRp基因和豬星狀病毒(porcine astrovirus,PAstV)ORF1基因的三重PCR檢測(cè)方法。Wen等[36]建立了基于EvaGreen熒光染料和熔解曲線分析的多重RT-qPCR方法,在一個(gè)封閉的單管中同時(shí)檢測(cè)TGEV、豬A型輪狀病毒、豬C型輪狀病毒、PEDV和PCV2,根據(jù)5種病毒對(duì)應(yīng)5個(gè)不同的Tm值,在多種病原中成功鑒別診斷出PoRV。該方法對(duì)這5種病毒的檢測(cè)靈敏度較高,檢出限為5~50 拷貝/μL,且重復(fù)性好,Tm和循環(huán)閾值的變異系數(shù)分別小于0.32%和2.86%,對(duì)90份現(xiàn)場(chǎng)樣品進(jìn)行單、多重RT-qPCR檢測(cè),符合率為91.1%。所以EvaGreen多重RT-qPCR是一種快速,靈敏且低成本的診斷工具,可以適用于PoRV的常規(guī)檢測(cè)。
3.3.3 RT-LAMP RT-LAMP是在等溫條件下完成體外核酸擴(kuò)增反應(yīng)的一種新型分子檢測(cè)技術(shù),唯一需要的設(shè)備是恒溫加熱塊或水浴。此外,當(dāng)在熒光染料存在時(shí),可以用肉眼直接觀察反應(yīng)結(jié)果,且染料還可以使用熒光檢測(cè)器來(lái)跟蹤反應(yīng)過(guò)程。胡興義等[37]依據(jù)GenBank的PoRVVP7基因保守區(qū)序列,設(shè)計(jì)了6條特異性引物,通過(guò)對(duì)外引物與內(nèi)引物濃度比、Bst DNA聚合酶濃度、Mg2+濃度、dNTP濃度和反應(yīng)條件等進(jìn)行優(yōu)化,成功建立和應(yīng)用PoRV RT-LAMP檢測(cè)方法。隨著RT-LAMP技術(shù)的成熟發(fā)展和廣泛應(yīng)用,Wang等[38]通過(guò)RT-LAMP成功區(qū)分PoRVN基因和其他導(dǎo)致仔豬腹瀉的病毒。該方法檢測(cè)迅速、靈敏度比傳統(tǒng)PCR高100倍,對(duì)PoRV的臨床診斷提供了一種新型的方法。
3.3.4 二代測(cè)序技術(shù) 該方法通過(guò)直接對(duì)種間和種內(nèi)水平的病毒株進(jìn)行測(cè)序,可以深入地描述快速變異病毒群體之間的遺傳多樣性,并且在一代測(cè)序技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了變革。Vidal等[39]通過(guò)二代測(cè)序技術(shù)調(diào)查了在豬場(chǎng)中爆發(fā)的16例豬腹瀉相關(guān)病例,其中檢測(cè)出豬A型輪狀病毒,且其VP7和VP4基因發(fā)生了突變。緊隨其后,Cortey等[40]通過(guò)二代測(cè)序技術(shù)檢測(cè)了47個(gè)農(nóng)場(chǎng)中腹瀉新生仔豬糞便,探討了西班牙腹瀉新生仔豬糞便中RNA病毒的多樣性,只使用提取的總RNA,而不需要任何擴(kuò)增步驟,其中所獲得的結(jié)果代表樣本中大多數(shù)存在的RNA病毒,并且發(fā)現(xiàn)了豬B型輪狀病毒和豬C型輪狀病毒幾種新的VP7和VP4基因。雖然該方法成本高昂,但是它利用了高通量測(cè)序平臺(tái),對(duì)物種的基因組進(jìn)行分析,能更快更好的監(jiān)測(cè)新物種的出現(xiàn)及其流行,并且該技術(shù)已成功應(yīng)用于豬糞便病毒基因組的多樣性鑒定。
3.3.5 ISH-RNA ISH-RNA是一種用于檢測(cè)福爾馬林固定石蠟包埋(FFPE)組織切片中特定核酸序列的方法。與PCR相似,ISH基于RNA序列,但具有識(shí)別組織損傷中核酸的能力。傳統(tǒng)ISH技術(shù)特異性好,但是短核苷酸序列的標(biāo)記效率較低且敏感性有限。Resende等[41]開發(fā)了一種新穎的ISH-RNA,用來(lái)檢測(cè)PoRVVP6基因,通過(guò)同時(shí)檢測(cè)1個(gè)或2個(gè)探針,研發(fā)出一種用于檢測(cè)豬A型輪狀病毒、豬B型輪狀病毒和豬C型輪狀病毒的雙鏈分析的ISH-RNA技術(shù)。雖然該方法僅能檢測(cè)103個(gè)PoRVRNA拷貝/mL,但是通過(guò)特異性雜交信號(hào)的放大克服了經(jīng)典ISH技術(shù)的局限性。新的ISH-RNA檢測(cè)可用于PoRV的常規(guī)調(diào)查,以防控PoRV廣泛流行,但仍處于初步探索階段。
3.3.6 Luminex xTAG 該方法采用Luminex 特有的通用標(biāo)簽,通過(guò)標(biāo)簽序列與反標(biāo)簽序列的專一性互補(bǔ)配對(duì),進(jìn)行核酸試驗(yàn)優(yōu)化。Shi等[42]建立了一種檢測(cè)PEDVM基因、PDCoVM基因、TGEVN基因和PoRVVP6基因等11種病毒性腹瀉病原的Luminex xTAG多重檢測(cè)方法。現(xiàn)有的多重PCR方法只針對(duì)2個(gè)或3個(gè)靶向基因,不能適應(yīng)高通量檢測(cè)。然而,Luminex xTAG檢測(cè)技術(shù)革新了在單一反應(yīng)中同時(shí)檢測(cè)和定量多個(gè)核酸的方法,這種方法甚至可以少量使用。由于該方法具有較高的特異性和敏感性,比常規(guī)多重PCR方法更敏感且更特異,已逐漸用于病原鑒定。
PoRV是目前引起仔豬腹瀉較為普遍存在的病原之一,嚴(yán)重制約養(yǎng)豬業(yè)發(fā)展。近幾年,隨著PoRV鑒別診斷方法地推陳出新,病原學(xué)診斷方法存在方法單一和操作難度系數(shù)大,免疫學(xué)診斷方法成本高和效率低等問(wèn)題,正逐漸被分子生物學(xué)診斷方法所替代。RT-PCR檢測(cè)方法已經(jīng)由單一RT-PCR向多重RT-PCR方向發(fā)展,并且多重RT-PCR和單一RT-PCR的檢測(cè)結(jié)果基本一致;RT-qPCR檢測(cè)方法已經(jīng)克服傳統(tǒng)PCR缺點(diǎn),操作簡(jiǎn)便、特異性強(qiáng)且靈敏度高,但是由于探針等材料昂貴,所以檢測(cè)成本高;RT-LAMP檢測(cè)結(jié)果容易出現(xiàn)假陰性;二代測(cè)序技術(shù)具有高通量,但是測(cè)序時(shí)間長(zhǎng)且成本高;ISH-RNA沒(méi)有DNA原位雜交檢測(cè)(ISH-DNA)效果好,因?yàn)镽NA理化性質(zhì)不穩(wěn)定,空氣中存在廣譜性的RNA酶,在試驗(yàn)操作中RNA易被降解,所以ISH-RNA應(yīng)用不廣泛;Luminex xTAG特異性好且敏感度高,比常規(guī)PCR檢測(cè)效果好,已經(jīng)逐漸被廣泛應(yīng)用。目前由PoRV引起仔豬腹瀉已經(jīng)成為養(yǎng)豬業(yè)亟需解決的問(wèn)題,但市面上仍缺少特效藥及成熟的疫苗進(jìn)行治療與防控。開發(fā)更快捷更靈敏的檢測(cè)技術(shù),對(duì)掌握該病流行規(guī)律至關(guān)重要。