抗磺胺二甲氧嘧啶VHH抗體噬菌體庫的構(gòu)建和鑒定

賀東陽，張齊，張星星，鐘發(fā)剛，張小鶯,3，王金泉

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物醫(yī)學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 新疆農(nóng)墾科學(xué)院省部共建綿羊遺傳改良與健康養(yǎng)殖國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000；3. Department of Biomedical Sciences, Ontario Veterinary College, University of Guelph, Ontario N1G2W1，Canada)

磺胺二甲氧嘧啶(sulfadimethoxine, SDM)是一種磺胺類獸用抗生素，并具有一定毒性作用[1]。由于SDM抗菌譜廣且成本低廉，所以在治療和預(yù)防動(dòng)物傳染病方面的應(yīng)用極其廣泛，然而大量使用磺胺類獸用抗生素會(huì)導(dǎo)致動(dòng)物體內(nèi)以及食品中抗生素藥物殘留，過度攝入可能會(huì)引起過敏、造血系統(tǒng)功能障礙、急性溶血性貧血等不良癥狀，給食品安全帶來潛在的隱患[2]。世界各國針對(duì)SDM在不同的動(dòng)物性食品中的最高殘留限量(maximum residue limit, MRL)給出了明確的規(guī)定，我國SDM在牛、山羊、豬、家禽肌肉中MRL限量為100 μg/kg，肝、腎和脂肪中為100 μg/kg，牛和羊乳中為25 μg/kg；歐盟(EU)設(shè)定了磺胺類藥物在肉類、牛奶和雞蛋等動(dòng)物源性食品中的MRL為100 μg/kg[3]；日本規(guī)定動(dòng)物源性食品中單個(gè)磺胺類藥物的MRL不超過20 μg/kg；英、美等國家規(guī)定肉品中磺胺類藥物的MRL為100 μg/kg[4]。SDM在動(dòng)物源性食品中的殘留問題與食品安全關(guān)系密切，并受到人們廣泛關(guān)注。

傳統(tǒng)的藥物殘留分析主要是利用色譜技術(shù)和免疫檢測等方法進(jìn)行定性定量分析[5]。色譜方法結(jié)果準(zhǔn)確、靈敏，但局限在于待檢樣品需經(jīng)一系列的預(yù)處理，繁瑣費(fèi)時(shí)；此外色譜儀器價(jià)格昂貴，只有專業(yè)人員才能應(yīng)用，臨床難以推廣[6]。免疫學(xué)方法是一種基于抗原抗體特異性結(jié)合而建立起來的方法。目前，國內(nèi)外檢測磺胺類抗生素殘留主要基于多克隆抗體或小鼠雜交瘤細(xì)胞的單克隆抗體。多克隆抗體操作規(guī)程相對(duì)繁瑣，耗時(shí)長，檢測靈敏度不高，有時(shí)容易出現(xiàn)假陽性結(jié)果，且由于多克隆抗體具有多個(gè)抗原表位，特異性較低，檢測過程中容易出現(xiàn)偏差；單克隆抗體雖然特異性較好，但是生產(chǎn)周期長，成本較高[7]。

近年來，基因工程抗體發(fā)展迅速，越來越受到科研工作者的青睞，抗體小型化是基因工程抗體的一個(gè)主要研究趨勢。駝源重鏈單域抗體(variable domain of heavy chain of heavy-chain antibody, VHH)為駱駝科(駱駝、羊駝或美洲駝)及鯊魚體內(nèi)存在的天然缺失輕鏈的單鏈抗體，由3個(gè)互補(bǔ)決定區(qū)(complementarity determining regions, CDRs)構(gòu)成，其晶體結(jié)構(gòu)呈橢圓形，直徑為2.5 nm，長為4 nm[8]。納米抗體的優(yōu)勢在于具有更長的CDR3區(qū)、體積小、穩(wěn)定性高、水溶性好、可在微生物系統(tǒng)中大量合成表達(dá)，已被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測及臨床診斷[9]。本試驗(yàn)采用人工合成的免疫原(sulfadimethoxine-albumin bovine serum, SDM-BSA)免疫駱駝，構(gòu)建抗SDM駝源納米抗體庫，以期為動(dòng)物源性食品中SDM的殘留檢測提供一種新的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)動(dòng)物和試劑

健康新疆雙峰駱駝，由新疆農(nóng)墾科學(xué)院省部共建綿羊遺傳改良與健康養(yǎng)殖國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室提供；弗氏完全/不完全佐劑(FCA/FIA)(Sigma公司，美國)；牛血清白蛋白(BSA)、卵清蛋白(OVA)、N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)、四甲基聯(lián)苯胺(TMB)、二甲基亞砜(DMSO)和RNA Simple Total RNA Kit (天根生物科技公司，北京)；膠回收試劑盒、Axygen Mini Prep質(zhì)粒小量抽提試劑盒(Omega生物科技有限公司，美國)；RNA反轉(zhuǎn)試劑盒(諾唯贊生物科技公司，南京)；pCANTAB-5E噬菌體載體、限制性內(nèi)切酶SfiⅠ、T4連接酶、DNA Marker、輔助噬菌體M13K07(NEB公司，美國)；TRYPTONE、YEAST EXTRACT(OXOID公司，英國)；SDM(國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中心)；HRP標(biāo)記抗M13抗體(Sigma公司，美國)。

1.2 引物設(shè)計(jì)

參考雙峰駝VHH基因序列，利用Primer Premier 5.0軟件設(shè)計(jì)引物，引物序列如表1所示。

表1 文庫構(gòu)建所用引物

1.3 磺胺二甲氧嘧啶人工抗原的合成及動(dòng)物免疫

①A液制備：稱取50 mg BSA溶于2 mL的1 mol/L Na2CO3中冰浴；②B液制備：稱取33.2 mg SDM溶于3 mL 1 mol/L HCl中，完全溶解后冰浴15～30 min；③C液制備：稱取10 mg亞硝酸鈉溶于1 mL蒸餾水中冰?。虎蹹液制備：將C液逐滴加入B液中，搖勻并置冰浴反應(yīng)5 min，淀粉KI試紙進(jìn)行檢驗(yàn)，若變紫，則加少量尿素，直至不再變紫為止；⑤將D溶液逐滴加入A溶液中，反應(yīng)過程中保持pH值為9，在4 ℃攪拌反應(yīng)6 h后，用0.01 mol/L PBS透析3 d，每天換液2次，即制備得SDM-BSA。同理，按此方法制備(sulfadimethoxine-ovalbumin, SDM-OVA)，合成的抗原經(jīng)紫外光譜掃描鑒定后于-20 ℃保存[10]。將合成的人工抗原SDM-BSA與弗氏佐劑等比例混勻并充分乳化(初次免疫使用FCA，之后免疫使用FIA)，采用背部皮下多點(diǎn)注射的方式免疫駱駝，共5次，免疫間隔時(shí)間為2周。

1.4 噬菌體庫的構(gòu)建與庫容測定

分離駱駝外周血淋巴細(xì)胞，提取總RNA，反轉(zhuǎn)錄為cDNA，然后用套式PCR擴(kuò)增出駱駝VHH基因片段。首先使用VHH-First-F、VHH-First-R上下游引物，以cDNA為模板進(jìn)行PCR擴(kuò)增，通過凝膠電泳切膠回收擴(kuò)增片段，然后以回收產(chǎn)物為模板，用VHH-Second-F、VHH-Second-R為上下游引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，得到VHH基因片段。分別用SfiⅠ，NotⅠ限制性內(nèi)切酶進(jìn)行酶切獲得的VHH片段和pCANTAB-5E噬菌體載體，用T4連接酶將VHH片段和pCANTAB-5E載體置于16 ℃連接過夜。將重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到TG1大腸桿菌感受態(tài)細(xì)胞中，取少量菌液涂布于氨芐抗性的LB固體培養(yǎng)板，37 ℃培養(yǎng)過夜。次日計(jì)算庫容量，隨機(jī)挑選單克隆，進(jìn)行PCR擴(kuò)增，用1%瓊脂糖凝膠電泳鑒定噬菌體展示文庫的重組率。然后將從平板上刮下來的菌落用LB培養(yǎng)基重懸，此為噬菌體抗體庫，噬菌體庫經(jīng)實(shí)驗(yàn)室前期鑒定，其庫容為1.08×105CFU，陽性率為96.6%；挑單克隆生長的菌液測序，剩余菌液加入50%終濃度的甘油，分裝凍存于-80 ℃。

1.5 生物淘選與噬菌體克隆的鑒定

1.5.1 SDM噬菌體抗體庫生物淘選

接種至少10倍庫容量的活細(xì)胞于100 mL 2×YT-GA培養(yǎng)基的三角瓶中，37 ℃、220 r/min振蕩培養(yǎng)至OD600約為0.4～0.6。按細(xì)胞數(shù)∶輔助噬菌體=1∶20的比例加入M13K07輔助噬菌體，37 ℃靜置15 min后，37 ℃、220 r/min繼續(xù)振蕩培養(yǎng)30 min，將上述培養(yǎng)物4 500 r/min離心15 min，收集菌體，用100 mL 2×YT-AK培養(yǎng)液重懸菌體，30 ℃，250 r/min振蕩培養(yǎng)8 h；次日取出，10 000 r/min，4 ℃，離心15 min，收集上清，加入1/5體積的PEG/NaCl溶液，混勻后置于冰上放置8～10 h至絮狀沉淀出現(xiàn)。

采用固相淘選方法對(duì)已構(gòu)建的噬菌體展示納米抗體庫進(jìn)行4輪淘選。具體方法如下：1～4輪包被抗原濃度依次分別為：150、75、37.5和18.75 μg/mL，以2% BSA作為第1、3輪封閉液，2% OVA作為第2、4輪封閉液，加入100 μL噬菌體抗體庫至已封閉的酶標(biāo)板孔中(滴度約1×1011CFU)；PBST(含0.5% Tween-20)洗滌10次，PBS洗滌10次；再以50 μL Gly-HCl溶液(pH=2.2)洗脫特異性結(jié)合的噬菌體，加入50 μL Tris-HCl (pH=8.5)中和洗脫物。吸取10 μL洗脫物進(jìn)行滴定，余下的洗脫物擴(kuò)增后用于下一輪淘選。

1.5.2 噬菌體克隆的鑒定

采用phage ELISA方法鑒定篩選的克隆是否能特異性地結(jié)合SDM小分子。取10 μL第4輪洗脫庫，用2-YT培養(yǎng)液梯度稀釋后侵染TG1，然后涂布于氨芐抗性的LB固體培養(yǎng)板上，37 ℃培養(yǎng)過夜。次日，隨機(jī)挑取一定數(shù)量的單菌落接種LB (Amp)液體培養(yǎng)基，37 ℃、220 r/min培養(yǎng)8 h，以1∶100的比例轉(zhuǎn)接，繼續(xù)培養(yǎng)至OD600為0.4～0.5，再加入M13KO7輔助噬菌體，37 ℃靜置30 min，再將其置于37 ℃、220 r/min培養(yǎng)45 min。再加卡那霉素(終濃度為10 ng/mL)，30 ℃恒溫?fù)u床，培養(yǎng)過夜，5 000 r/min離心5 min，收集上清液。將SDM-OVA包被原稀釋成5 mg/mL，100 μL/孔，4 ℃包被過夜，PBST洗滌3次，PBS洗滌3次，隨后加入2% BSA，100 μL/孔， 37 ℃恒溫箱封閉2 h，再加入噬菌體上清液，100 μL/孔，37 ℃孵育40 min，加入HRP標(biāo)記的抗M13抗體，37 ℃孵育40 min，TMB顯色液孵育10 min，50 μL 2 mol/L H2SO4終止，測定450 nm處吸光度。

2 結(jié)果與分析

2.1 PCR擴(kuò)增VHH基因片段

提取駱駝外周血淋巴細(xì)胞總RNA，經(jīng)1%瓊脂糖凝膠電泳分析可見2條清晰條帶28S rRNA和18S rRNA(圖1A)。

M. 2000 bp DNA Marker；1～2. 28S rRNA和18S rRNA；3～4. PCR第一輪擴(kuò)增產(chǎn)物； 5～6. PCR第二輪擴(kuò)增產(chǎn)物圖1 套式PCR擴(kuò)增VHH基因

以總RNA為模板，反轉(zhuǎn)錄為cDNA，用VHH-First-F、VHH-First-R上下游引物，以cDNA為模板，進(jìn)行PCR擴(kuò)增，通過瓊脂糖凝膠電泳驗(yàn)證得到600 bp和900 bp的基因片段(圖1B)。切膠回收600 bp基因片段并以此為模板，用VHH-Second-F、VHH-Second-R為上下游引物進(jìn)行PCR擴(kuò)增，得到400 bp VHH基因片段(圖1C)。

2.2 噬菌體抗體庫質(zhì)量的鑒定

對(duì)隨機(jī)挑取的11個(gè)轉(zhuǎn)化后平板上的單菌落進(jìn)行測序，用DNAMAN軟件分析測序結(jié)果，序列之間顯著不同，且序列符合VHH的典型特征(圖2)。利用進(jìn)化樹系統(tǒng)對(duì)11個(gè)單菌落高變區(qū)氨基酸序列進(jìn)行分析，其中VHH8噬菌體克隆菌落氨基酸序列與其他噬菌體克隆菌落氨基酸序列具有明顯差別，氨基酸序列枝長各不相同，相似度各異(圖3)，證明了噬菌體抗體庫具有良好的多樣性。

注：黑色區(qū)域和灰色區(qū)域表示框架區(qū)域相同的氨基酸序列，方框中的氨基酸序列分別為CDR1、CDR2和CDR3可變區(qū)氨基酸序列圖2 噬菌體展示納米抗體氨基酸序列比對(duì)

圖3 進(jìn)化樹分析噬菌體文庫多樣性

2.3 噬菌體庫生物淘選

經(jīng)過4輪生物淘選，噬菌體的回收率呈現(xiàn)增長的趨勢，雖然在淘選過程中，第3輪的回收率有所波動(dòng)，但結(jié)果表明噬菌體陽性克隆得到了富集，每輪淘選滴定結(jié)果如表2所示；每輪淘選都對(duì)洗脫庫進(jìn)行陽性克隆的鑒定，其結(jié)果如圖4所示。對(duì)第4輪淘選的洗脫庫進(jìn)行滴定，挑取93個(gè)噬菌體克隆，采用phage ELISA方法進(jìn)行鑒定，其中3、4、6、8、9、22、24、32、38等編號(hào)的噬菌體克隆對(duì)SDM具有明顯的結(jié)合力(圖5)。

表2 4輪生物淘選噬菌體庫庫容滴定

A.一級(jí)洗脫庫；B.二級(jí)洗脫庫；C.三級(jí)洗脫庫；D.四級(jí)洗脫庫；M. 2000 bp DNA Marker；1～20.各輪生物淘選隨機(jī)挑取單個(gè)的噬菌體克隆菌落圖4 4輪洗脫庫陽性克隆PCR鑒定

圖5 噬菌體陽性克隆phage ELISA鑒定

3 討論

本研究利用SDS-BSA人工合成抗原免疫雙峰駱駝，擴(kuò)增了駱駝重鏈抗體VHH基因, 建立噬菌體展示VHH免疫文庫。本實(shí)驗(yàn)室前期初步測定庫容量大小在1.08×105CFU，陽性率為96.6%?？贵w庫的庫容量并不高，試驗(yàn)過程中在優(yōu)化載體與目的基因片段連接的摩爾比時(shí)發(fā)現(xiàn)，在連接體系中有酶蛋白和緩沖液鹽離子的存在，可能會(huì)影響和干擾連接產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化，使轉(zhuǎn)化效率大大降低。盡可能減少對(duì)連接產(chǎn)物的干擾和基因片段的損耗，才能提高轉(zhuǎn)化效率，使抗體庫的質(zhì)量得以明顯的改善[11]。對(duì)于轉(zhuǎn)化試驗(yàn)，目前應(yīng)用最多的是電轉(zhuǎn)化法和化學(xué)轉(zhuǎn)化法，都是通過外部附加條件，改變細(xì)胞膜的通透性，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化的過程[12]。宋歡等[13]建庫時(shí)優(yōu)化連接體系，采用電轉(zhuǎn)化的方法構(gòu)建了針對(duì)豬繁殖與呼吸綜合征病毒(PRRSV)非結(jié)構(gòu)蛋白2 (Nsp2)的VHH噬菌體文庫，其庫容為6.5×107CFU；何雷等[14]針對(duì)中東呼吸綜合征冠狀病毒采用電轉(zhuǎn)化法構(gòu)建的噬菌體展示文庫，其庫容達(dá)到1.31×108CFU。相對(duì)于本試驗(yàn)所構(gòu)建的抗體庫，其庫容提高了102～103倍，由此也印證了電轉(zhuǎn)化法效率比化學(xué)轉(zhuǎn)化法效率要高很多。盡管如此，仍然有許多因素會(huì)影響轉(zhuǎn)化效率，VHH基因的多樣性、感受態(tài)細(xì)胞的質(zhì)量、轉(zhuǎn)化時(shí)轉(zhuǎn)化條件的優(yōu)化等都會(huì)對(duì)構(gòu)建抗體庫的質(zhì)量產(chǎn)生重大的影響[15]。

本研究采用了固相淘選方法對(duì)構(gòu)建的SDM駝源納米抗體庫進(jìn)行篩選。每輪篩選時(shí)，封閉液的交替使用、噬菌體投入量、洗脫液中Tween-20的含量、洗脫結(jié)合的時(shí)間及洗脫的次數(shù)等眾多因素都有可能影響淘選結(jié)果[16]?？贵w庫中包含的特異性噬菌體克隆的親和力不盡相同，在整個(gè)淘選過程中，逐輪增加洗滌的次數(shù)及Tween-20的含量，并逐次降低包被抗原的濃度，從而逐輪增加淘選的嚴(yán)苛度，以期獲得高特異性的重組噬菌體。但是也并非嚴(yán)苛度越高，就能篩選到高特異性的噬菌體克隆，這樣可能會(huì)造成特異性的噬菌體克隆的丟失，所以合理地控制淘選的嚴(yán)苛度，才能保障篩選出高親和力的噬菌體。Alshamat等[17]構(gòu)建的納米抗體庫庫容為5×108CFU,陽性率為95.6%，進(jìn)行3輪生物淘選使陽性克隆噬菌體得到明顯富集；而本試驗(yàn)則采用了4輪生物淘選。生物淘選的輪數(shù)視試驗(yàn)的具體情況而定，確保陽性克隆噬菌體得到有效、更好地富集。

4 結(jié)論

本研究構(gòu)建了抗SDM駝源納米抗體庫并對(duì)所構(gòu)建的抗體庫進(jìn)行4輪生物淘選，最終獲得了對(duì)SDM具有明顯結(jié)合力的陽性克隆噬菌體。試驗(yàn)不僅為下游產(chǎn)品的開發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也為SDM在動(dòng)物源性食品中的殘留檢測方法提供了相應(yīng)的參考，其應(yīng)用前景十分廣闊。