曾偉偉,王英英,尹紀(jì)元,湯亞方,李瑩瑩,王 慶,高彩霞,2,任 燕,劉 春,石存斌
(1.中國水產(chǎn)科學(xué)研究院珠江水產(chǎn)研究所,廣東省水產(chǎn)動物免疫技術(shù)重點實驗室, 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁藥創(chuàng)制重點實驗室,廣州 510380;2.天津農(nóng)學(xué)院水產(chǎn)學(xué)院,天津,300384)
草魚(Ctenopharyngodonidellus)是我國最主要的淡水魚養(yǎng)殖品種[1],其產(chǎn)量約占整個淡水魚養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)的20%。然而,由草魚呼腸孤病毒(grass carp reovirus,GCRV)引起的草魚出血病的頻繁爆發(fā),嚴(yán)重制約了草魚養(yǎng)殖業(yè)的健康發(fā)展[2]。GCRV主要危害當(dāng)年的草魚魚苗,死亡率一般為 30%~50%,最高可達(dá) 60%~100%[3-4],GCRV具雙層衣殼,病毒粒子平均直徑為60~70 nm,二十面體對稱,無囊膜,基因組由11條分節(jié)段的雙鏈RNA組成[5]。目前己報道有30多個分離株,包括854、861、873、991、 HZ08、JX09-01、 JX09-02、 GD108、109、HGDRV株等[6-11],通過現(xiàn)有的分離株基因組序列信息,我國的GCRV分離株可分為3個基因型[4,6-7,12]。當(dāng)前,全國各地分離到的流行株中,三類亞型均有報道,有單獨感染,也有混合感染,目前導(dǎo)致草魚出血病流行和暴發(fā)主要是以HZ08為代表株的GCRV-Ⅱ型為主,占了90%以上[6,13],因此,近年來無論是基礎(chǔ)研究還是應(yīng)用研究,主要聚焦于GCRV-Ⅱ[6,14-15 ]。
GCRV-Ⅱ接種常見的魚類細(xì)胞均不能產(chǎn)生致細(xì)胞病變效應(yīng)(cytopathic effect,CPE),但對魚體的致病力則比較強(qiáng)[16]。由于GCRV-Ⅱ感染細(xì)胞沒有CPE現(xiàn)象,使得對于該病毒的分離、鑒定及病毒含量的測定等都帶來了一定的不便。無論是關(guān)于GCRV-Ⅱ的病原學(xué)及致病機(jī)理等基礎(chǔ)研究,還是抗病毒藥物及疫苗等防控產(chǎn)品研制,都涉及到如何測定該病毒的含量和病毒滴度問題。近幾年來,研究人員建立了多種測定GCRV-Ⅱ病毒含量的方法,劉寶芹等[17]根據(jù)GCRV HZ08 株S7 基因保守區(qū)序列,設(shè)計了一對能特異性擴(kuò)增引物和TaqMan 探針,建立了HZ08 株熒光定量PCR(quantitative PCR,qPCR)方法,用于HZ08株這一類型病毒的快速檢測和定量分析。之后,黃綺雯等[18]對這一方法進(jìn)行了改進(jìn),根據(jù)所有已知GCRV-Ⅱ分離株的S2基因保守區(qū)域序列,設(shè)計引物和TaqMan 探針,建立了GCRV-Ⅱ病毒qPCR方法,可用于當(dāng)前所有GCRV-Ⅱ分離株的快速檢測和定量分析。曾偉偉等[19]以接種GCRV-Ⅱ病毒的細(xì)胞培養(yǎng)板為抗原板,以免疫弱毒疫苗的草魚血清為抗體,通過反應(yīng)條件優(yōu)化,建立了檢測GCRV-Ⅱ病毒及其血清抗體的免疫過氧化物酶單層細(xì)胞試驗(immunoperoxidase monolayer assay,IPMA)方法,該方法可用于GCRV-Ⅱ型的流行病學(xué)調(diào)查、疫苗免疫效果評價及抗原抗體檢測,結(jié)合計算半數(shù)細(xì)胞感染量(50% tissue culture infective dose,TCID50)的方法,亦可用于GCRV-Ⅱ病毒滴度的測定。Wang等[20]利用抗GCRV-Ⅱ病毒S10基因編碼蛋白抗體建立了間接免疫熒光試驗(indirect fluorescent assay,IFA),可用于檢測GCRV Ⅱ在細(xì)胞內(nèi)增殖情況和病毒滴度。qPCR、IPMA和IFA三種方法均可以用于GCRV-Ⅱ的含量測定,但目前還未有系統(tǒng)的比較過這三種方法的優(yōu)劣,在何種情況下需要用哪一種或哪幾種方法更加合適和可靠。本研究系統(tǒng)比較qPCR、IPMA和IFA三種方法檢測和定量分析GCRV-Ⅱ的特異性、敏感性、可靠性及檢測結(jié)果的相關(guān)性,為后續(xù)GCRV-Ⅱ的基礎(chǔ)研究及產(chǎn)品開發(fā)過程中病毒含量測定方法的選擇提供指導(dǎo)。
Medium199(M199)培養(yǎng)基、0.25%-EDTA胰蛋白酶和胎牛血清(FBA)均為GIBCO公司產(chǎn)品;Premix Ex Taq(Probe qPCR),PrimeScript RT reagent Kit(Perfect Real Time)均為大連寶生物公司產(chǎn)品;E.Z.N.A.Total RNA Kit為OMEGA公司產(chǎn)品;HRP標(biāo)記的羊抗兔 IgG二抗(HRP-IgG)和 3-氨基-9-乙基咪唑(AEC)為Sigma 公司產(chǎn)品; 其他化學(xué)試劑為國產(chǎn)分析純。ABI QuantStudio 6 Flex熒光定量PCR儀為美國應(yīng)用系統(tǒng)公司ABI產(chǎn)品; PICO 17型離心機(jī)、CO2培養(yǎng)箱為德國Thermo公司產(chǎn)品;數(shù)碼倒置熒光顯微鏡(Eclipse Ti-S)為日本尼康公司產(chǎn)品。
GCRV I型GZ1208株、GCRV Ⅱ型Huan1307及HZ08株、鯉春病毒血癥病毒(spring viremia of carp virus,SVCV)、大口黑鱸虹彩病毒(largemouth bass ranavirus,LMBV)、錦鯉皰疹病毒(koi herpers virus,KHV)均由本實驗室分離并保存,GCRV Ⅲ型HGDRV株由中國水產(chǎn)科學(xué)研究院長江水產(chǎn)研究所曾令兵研究員惠贈。草魚吻端成纖維細(xì)胞(proboscis snout into fibers,PSF)由本實驗室建立并保存,用于GCRV病毒的增殖。鯉魚腦細(xì)胞系(common carp brain ,CCB)由德國 KHVD 參考實驗室贈送,用于SVCV、LMBV和KHV的增殖。兔抗GCRV-Ⅱ陽性血清和陰性血清由本實驗室制備并保存。
qPCR 檢測方法參照黃綺雯等[18]建立的方法,略有修改,簡要步驟如下:參照試劑盒說明書進(jìn)行病毒核酸提取和反轉(zhuǎn)錄制備cDNA;qPCR擴(kuò)增引物和探針分別為:上游引物 F:5′-CCGGATACTCACCA-3′,下游引物R:5′-CGCTGATGTAATTGATGCC-3′,擴(kuò)增片段大小為156 bp;TaqMan探針序列:5′FAM-GGA TCA TTT ACG TCG TAT T-TAMRA3′,長19 bp;qPCR反應(yīng)體系為Premix Ex Taq(Probe qPCR)(2×)12.5 μL,PCR 上下游引物各0.5 μL(終濃度均為 0.25 μmol/L),TaqMan探針1.0 μL(終濃度為0.25 μmol/L),ROX Reference DyeⅡ(50×)0.25 μL,DNA或cDNA 模板2 μL,加ddH2O 至總體積為25 μL。qPCR反應(yīng)程序為:預(yù)變性1個循環(huán),95 ℃ 30 s; 擴(kuò)增反應(yīng)40個循環(huán),變性 95 ℃ 5 s,60 ℃ 退火/延伸 35 s。
IPMA主要方法參照曾偉偉等[19]建立的方法,略有修改,簡要步驟如下:將病毒感染PSF細(xì)胞或CCB細(xì)胞,感染5 d后先后用-20 ℃預(yù)冷的甲醇固定,0.5% triton X-100的PBS(pH7.4)透化處理,5%脫脂奶粉的PBS 37 ℃封閉作用1 h或者4 ℃封閉過夜,然后加入兔抗GCRV Ⅱ 陽性血清和陰性血清,37 ℃ 濕盒孵育1 h,PBS洗3次;加入稀釋的HRP標(biāo)記的羊抗兔 IgG二抗(HRP-IgG),37 ℃ 濕盒孵育1 h,PBS洗3次,加入底物ACE,室溫顯色 15 min,3%雙氧水封閉,在倒置顯微鏡(Nikon,Eclipse Ti-S)下觀察并拍照。
IFA主要方法參照Wang等[20]建立的方法,略有修改,簡要步驟如下:將PSF細(xì)胞或CCB傳代至共聚焦專用細(xì)胞培養(yǎng)板中,將病毒稀釋至1.0× 103拷貝/μL后接種細(xì)胞。感染5 d后取出用-20 ℃預(yù)冷的甲醇固定,再用0.5% triton X-100的PBS透化處理;然后用5%脫脂奶粉的PBS 37 ℃封閉作用1 h或者4 ℃封閉過夜;將兔抗GCRV-Ⅱ陽性血清和陰性血清用PBS 進(jìn)行1∶200倍稀釋,加入各抗原孔和細(xì)胞對照孔,每孔50 μL,37 ℃ 濕盒孵育1 h,PBS洗3次;加入FITC標(biāo)記的羊抗兔 IgG二抗,每孔300 μL,37 ℃ 濕盒孵育1 h,PBS洗3次;加入用PBS稀釋至終濃度為5 μg/mL 的PI,室溫作用10 min,進(jìn)行細(xì)胞核染色處理;以50% 甘油-PBS封片鏡檢,在聚焦熒光顯微鏡下(Nikon,ECLIPSE 80i)觀察結(jié)果并拍照。
將GCRV-Ⅱ HuNan1307分離株接種PSF細(xì)胞7 d后收集的細(xì)胞病毒液用qPCR[20]的方法測定其初始濃度約為8.6× 105拷貝/μL,將該細(xì)胞病毒液用滅菌的PBS(pH7.4)10倍梯度稀釋至10-6次方,使病毒液濃度為8.6× 105~8.6× 10-1拷貝/μL 7個濃度梯度。分別用qPCR、IPMA和IFA三種方法對各濃度梯度的HuNan1307病毒液進(jìn)行檢測,每個濃度作3個重復(fù),均取100 μL。其中IPMA和IFA同時結(jié)合TCID50法,通過 Reed and Muench計算方法[21]來測定病毒的滴度,比較三種方法檢測GCRV Ⅱ的靈敏度差異。
將GCRV GZ1208(GCRV-I)、HuNan1307(GCRV-Ⅱ)、HZ08(GCRV-Ⅱ)和HGDRV(GCRV-Ⅲ)株病毒均稀釋到1×103拷貝/μL濃度后分別感染PSF細(xì)胞,SVCV、LBMV和KHV均稀釋到1×103拷貝/μL濃度后分別感染CCB細(xì)胞,感染5 d后分別用上述描述的GCRV-Ⅱ三種檢方法進(jìn)行檢測,比較三種方法的特異性,每個樣品設(shè)置3個重復(fù),同時分別設(shè)定未感染病毒的空白細(xì)胞作為陰性對照。
經(jīng)病毒分離和PCR檢測鑒定,30份疑似草魚出血病GCRV陽性和30份GCRV陰性血清共60份臨床樣品,分別用qPCR、IPMA和IFA方法對這60份樣品進(jìn)行檢測,評價這三種方法的診斷敏感性及診斷特異性。
為了比較qPCR、IPMA和IFA三種方法在GCRV-Ⅱ定量上的相關(guān)性,將PSF細(xì)胞傳代至12孔細(xì)胞培養(yǎng)板中,待細(xì)胞長至單層鋪滿85%左右時,將HZ08和HuNan1307兩株GCRV-Ⅱ分離株稀釋至1.0× 103拷貝/μL后接種至PSF細(xì)胞(具體步驟見1.4)。在感染后3、7和14 d 每組分別采集3個平行重復(fù)孔的細(xì)胞病毒液。分別取等量的病毒液采用qPCR、IPMA和IFA進(jìn)行定量分析,其中qPCR測定病毒基因組拷貝數(shù),IPMA和IFA則結(jié)合TCID50試驗來測定病毒的滴度。采樣SPSS 22.0對三種方法的檢測結(jié)果進(jìn)行回歸分析,建立qPCR檢測的病毒拷貝數(shù)、IPMA和IFA檢測的病毒TCID50兩兩之間的線性關(guān)系。
qPCR、IPMA和IFA三種方法分別對7個濃度梯度的GCRV-Ⅱ型草魚呼腸孤病毒HuNan1307分離株的檢測結(jié)果顯示,qPCR、IPMA和IFA三種方法檢測的最低限分別為8.6拷貝/μL、86拷貝/μL和86拷貝/μL,qPCR的檢測靈敏度比IPMA和IFA高一個數(shù)量級(見表1)。
表1 三種檢測方法分析靈敏性比較結(jié)果Tab.1 The results of detection sensitivity comparison
注:其中P表示檢測為GCRV-Ⅱ陽性,N表示檢測為GCRV-Ⅱ陰性。
分別用qPCR、IPMA和IFA三種方法檢測GCRV HuNan1307、HZ08、GZ1208、104、SVCV、LBMV、KHV、PSF細(xì)胞和CCB細(xì)胞。結(jié)果顯示,三種方法的特異性均較好,GCRV-Ⅱ型分離株GCRV HuNan1307和HZ08三種方法檢測均為陽性,而其它病毒株和未感染病毒的對照細(xì)胞均為陰性(見表2)。
表2 三種方法分析特異性檢測結(jié)果Tab.2 The results of analysis specificity comparison
注:其中P表示檢測為GCRV-Ⅱ陽性,N表示檢測為GCRV-Ⅱ陰性。
分別用qPCR、IPMA和IFA三種方法對30份為GCRV陽性和30份為GCRV陰性共60份臨床樣品進(jìn)行檢測。結(jié)果表明,qPCR檢測為陽性的29份,為陰性的31份,其中1份陽性樣品被檢測為陰性,其診斷敏感性和特異性分別為96.7%(29/30)和100%(30/30);IPMA檢測為陽性的32份,為陰性的28份,其中2份陰性樣品被檢測為陽性,其診斷敏感性和特異性分別為100%(30/30)和93.3%(28/30);IFA檢測為陽性的30份,為陰性的30份,其診斷敏感性和特異性分別為100%(30/30)和100%(30/30)。qPCR與IPMA方法相比,29份qPCR檢測為陽性的IPMA檢測到28份陽性,1份陰性,31份qPCR檢測為陰性的IPMA檢測到27份陰性,4份陽性, IPMA方法對qPCR方法的診斷敏感性和特異性分別為96.6%(28/29)和87.1%(27/31);qPCR與IFA方法相比,29份qPCR檢測為陽性的IFA檢測到28份陽性,1份陰性,31份qPCR檢測為陰性的IFA檢測到29份陰性,2份陽性,IFA方法對qPCR方法的診斷敏感性和特異性分別為96.6%(28/29)和93.5%(29/31);IPMA與IFA相比,32份IPMA檢測陽性IFA檢測30份陽性,2份陰性,28份IPMA檢測為陰性IFA檢測均為陰性,IFA對IMPA的診斷敏感性和特異性分別為93.8%(30/32)和100%(28/28)。
表3 三種檢測方法對60份已知臨床樣品檢測結(jié)果Tab.3 The results of 20 clinical specimens tested with qPCR,IPMA and IFA.
注:其中P表示檢測為GCRV-Ⅱ陽性,N表示檢測為GCRV-Ⅱ陰性。
將HZ08和HuNan1307兩株GCRV-Ⅱ分離株感染PSF細(xì)胞后,分別取感染后3、6、9、12和15 d的細(xì)胞毒液采用qPCR、IPMA和IFA進(jìn)行定量分析,其中qPCR測定病毒基因組拷貝數(shù),IPMA和IFA則結(jié)合TCID50試驗測定病毒的滴度,來比較三種方法對GCRV-Ⅱ病毒定量分析的相關(guān)性。三種方法測定HZ08株感染PSF細(xì)胞后3~15 d的病毒含量分別是:qPCR為2.6×104~9.6×105拷貝/mL,IPMA為8.3×103~7.8×104TCID50/mL,IFA為9.2×103~8.6×104TCID50/mL,也就是說qPCR檢測的病毒拷貝數(shù)大約比IPMA和IFA的病毒滴度值分別大8~12倍和7~11倍,相差一個數(shù)量級左右,而IPMA和IFA之間的檢測結(jié)果則沒有顯著差異;三種方法測定HuNan1307株感染PSF細(xì)胞后3~15 d的病毒含量分別是:qPCR為6.8×105~1.7×107拷貝/mL,IPMA為5.3×104~7.7×105TCID50/mL,IFA為5.6×104~8.9×105TCID50/mL,也就是說qPCR的檢測的病毒拷貝數(shù)大約比IPMA和IFA的病毒滴度值分別大13~24倍和12~22倍;而IPMA和IFA兩種方法的檢測結(jié)果則沒有顯著性差異。SPSS對三種方法的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)性分析表明,其擬合曲線分別為:Y(IPMA,TCID50/mL)=23.629X-536 174(qPCR,拷貝/mL)(R2=0.996)、Y(IFA,TCID50/mL)=20.318X-575 062(qPCR,拷貝/mL)(R2=0.995)和Y(IPMA,TCID50/mL)=1.161X-1 176(IFA,TCID50/mL)(R2=0.999)。由此可見,三種方法對于GCRV-Ⅱ病毒的定量檢測結(jié)果具有較好的相關(guān)性。
表4 三種檢測方法對GCRV-Ⅱ病毒定量的相關(guān)性分析Tab.4 Comparison of qPCR,IPMA and IFA for the quantitation of GCRV-Ⅱ.
由于GCRV-Ⅱ毒株接種常見的魚類細(xì)胞都沒有CPE,這一特性給GCRV-Ⅱ病毒的分離、鑒定、病原學(xué)研究和疫苗等防控產(chǎn)品的開發(fā)造成了較大的困擾。獸醫(yī)上,常見無CPE產(chǎn)生的病毒有豬瘟病毒、豬圓環(huán)病毒等,科研人員針對這些病毒,建立了間接免疫熒光試驗(IFA)、免疫過氧化物酶單層細(xì)胞試驗(IPMA)、熒光定量PCR(qPCR)等多種病毒檢測和病毒含量測定的方法[21-23],應(yīng)用病原學(xué)基礎(chǔ)研究和防控產(chǎn)品的開發(fā)。針對GCRV-Ⅱ 病毒,科研人員也先后建立qPCR、IPMA、IFA等方法用于病毒的檢測和含量測定,每種方法都有各自的優(yōu)勢和不足,本研究從靈敏度、特異性和相關(guān)性多方面詳細(xì)比較了三種GCRV-Ⅱ檢測方法的特點。
分析靈敏性測試結(jié)果表明,qPCR、IPMA和IFA三種方法檢測的最低限分別為8.6 、86和86拷貝/μL,qPCR的檢測靈敏度最高,比IPMA和IFA高一個數(shù)量級;三種方法檢測GCRV HuNan1307和HZ08 GCRV-Ⅱ型分離株均為陽性,其它病毒株和未感染病毒的對照細(xì)胞均為陰性,表明這三種方法的分析特異性均較好。采用這三種方法對已知的臨床樣品進(jìn)行檢測,結(jié)果表明,qPCR、IPMA和IFA三種方法的診斷敏感性和特異性分別為96.7%和100%、100%和93.3%以及100%和100%。qPCR在診斷敏感性方面較差一點,也就是說qPCR方法可能存在一定的漏檢概率,雖然前面通過對病毒純培養(yǎng)物進(jìn)行分析敏感度研究表明,qPCR的分析敏感度高于IPMA和IFA,但是檢測臨床組織樣品時,由于組織樣品成分更為復(fù)雜,qPCR方法需要先提取組織樣品的總RNA再進(jìn)行反轉(zhuǎn)錄,病毒核酸有可能被降解而導(dǎo)致無法檢測到。與常規(guī)PCR相比,qPCR不僅能定性,更能直接定量,因只需在加樣時打開一次蓋子,隨后完全是閉管操作,可以有效地防止擴(kuò)增過程中出現(xiàn)交叉污染和假陽性且整個過程只需1 h左右,該技術(shù)不僅加快了檢測速度也有效地提高了檢測的靈敏度和準(zhǔn)確度,特別適用于在早期病毒含量較低時檢測和病原學(xué)研究過程中的定量分析。雖然IPMA在診斷特異性方面相對遜色一些,這可能與直接通過可見光肉眼觀察判定結(jié)果存在一定誤判有關(guān), IPMA方法的底物顯示棕褐色有較好的識別度,同一樣品IPMA和IFA方法測定的TCID50結(jié)果也相近,加之IPMA操作無需昂貴的熒光顯微鏡,用于GCRV-Ⅱ定量分析比IFA更容易實現(xiàn)。IFA方法的診斷敏感度與IPMA一樣,但是診斷特異性稍優(yōu)于IPMA方法,兩種方法整個反應(yīng)原理和步驟均相似,唯一不同的是最后的結(jié)果觀察階段,IFA是通過熒光顯微鏡檢測熒光信號來判定檢測結(jié)果,有助于特異性的提高。
從前面的結(jié)果分析可以看出,qPCR、IPMA和IFA三種方法對GCRV-Ⅱ病毒的檢測和定量分析結(jié)果存在一定的差異,但都保持了較好的一致性和相關(guān)性,qPCR方法測得的病毒拷貝數(shù)含量比IPMA和IFA測得的TCID50值都高出一個數(shù)量級左右。Wang等[20]比較了GCRV-Ⅱ 分離株HZ08和GCRV-I分離株JX0901 qPCR和IFA定量檢測結(jié)果的相關(guān)性,也存在相似的規(guī)律,不同的是qPCR結(jié)果測得的病毒拷貝數(shù)結(jié)果比IFA測得的TCID50結(jié)果高兩個數(shù)量級,這可能跟不同的病毒分離株特異性有關(guān)系。如采用qPCR和IFA測定水中感染性人腺病毒和JC多瘤病毒的含量時,兩種方法的檢測結(jié)果具有較好的相關(guān)性[24],但通過qPCR測定的Tulane病毒拷貝數(shù)與通過細(xì)胞方法測得的TCID50之間卻沒有這種明顯的相關(guān)性[25]。雖然Wang等[20]證明qPCR和IFA的結(jié)果之間存在相關(guān)性,但并沒有量化他們之間的關(guān)系。牛成明等[23]將IFA測得的豬瘟兔化弱毒TCID50與兔體感染量(RID)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析和擬合,建立了兩者間的線性數(shù)量關(guān)系。本研究也參照這個方法,在三種方法檢測結(jié)果具有較好相關(guān)性的基礎(chǔ)上,分別對qPCR測得病毒拷貝數(shù)及IPMA和IFA測得的TCID50進(jìn)行回歸分析,建立了兩兩之間相互的線性數(shù)量關(guān)系。由于qPCR測得的只是病毒核酸的含量,并不能反映具有感染性病毒的真正含量,也就是說qPCR無法直接測定病毒滴度。IPMA和IFA方法測得的TCID50,直接檢測的是具有感染性的病毒含量,但這兩種方法實施起來周期長,實驗條件和技術(shù)都相對較高,普通實驗室無法實現(xiàn)。本研究建立了病毒拷貝數(shù)和TCID50的線性關(guān)系后,通過qPCR方法就可以測算GCRV-Ⅱ的病毒滴度,為該病毒的滴度測定提供了一種新的選擇,對于GCRV-Ⅱ的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究均有一定的意義。