銅綠假單胞菌基因分子分型技術(shù)的研究進展▲

藍如束 羅 丹 何本進 黃盼柳

(1 廣西壯族自治區(qū)江濱醫(yī)院檢驗科，南寧市 530021，電子郵箱：gxlrshu@163.com；2 廣西中醫(yī)藥大學(xué)公共衛(wèi)生與管理學(xué)院生物統(tǒng)計學(xué)教研室，南寧市 530200)

【提要】 銅綠假單胞菌是醫(yī)院常見的條件致病菌，同時也是造成院內(nèi)感染的重要病原菌，可引起多種疾病，嚴重感染時可危及患者生命?；蚍肿臃中图夹g(shù)是追蹤感染源及分子流行病學(xué)分析的重要手段，對于控制醫(yī)院內(nèi)感染、確定流行菌株具有重要意義。本文就銅綠假單胞菌基因分子分型技術(shù)的研究進展進行綜述。

銅綠假單胞菌是一種非發(fā)酵的革蘭氏陰性桿菌，也是常見的條件致病菌，其致病性較強，可引起多種疾病，如囊性纖維化、肺炎、尿路感染、外耳炎、傷口感染、骨和關(guān)節(jié)感染、菌血癥和全身性感染等，嚴重感染時可危及患者生命[1-3]。國際醫(yī)院感染控制聯(lián)盟對全世界703個重癥監(jiān)護病房進行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌是引起院內(nèi)感染的最主要病原菌，其次是鮑曼不動桿菌和肺炎克雷伯氏菌[4]。全國細菌耐藥監(jiān)測報告顯示，在臨床分離的細菌中，銅綠假單胞菌分離數(shù)量排名第四(8.76%)[5]。由此可見，銅綠假單胞菌的感染是不容忽視的問題。近年來，耐多藥和廣泛耐藥銅綠假單胞菌的出現(xiàn)，給臨床治療帶來很大的困難，同時也成為全球公共衛(wèi)生問題[6]。隨著分子分型技術(shù)的快速發(fā)展，臨床上分子分型技術(shù)可用于銅綠假單胞菌的分子分型和同源性分析，對于判斷感染來源、切斷傳播途徑、控制感染蔓延具有非常重要的意義。本文就目前銅綠假單胞菌分子分型技術(shù)的研究進展進行綜述。

1 隨機擴增多態(tài)性DNA

隨機擴增多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA，RAPD)是由美國科學(xué)家Williams等[7]在1990年發(fā)明的一種基因分型方法，是基于PCR技術(shù)的一種分子生物學(xué)方法，可對未知基因組序列的物種進行多態(tài)性分析。該方法以DNA單一引物為模板，通過PCR擴增后經(jīng)凝膠電泳獲得非特異性條帶，若條帶相同則可判斷為同源菌株[7]。RAPD具有穩(wěn)定性較好，分辨率高，不需明確基因組序列即可進行分型，對DNA模板要求質(zhì)量不高，操作簡單等優(yōu)點。但也存在重復(fù)性稍差，不同實驗室間的結(jié)果以及流行菌株特征難以比較的缺點[8]。該方法廣泛應(yīng)用于追蹤醫(yī)院院內(nèi)感染傳染源和疫情處置。Trautmann等[9]利用RAPD檢測重癥監(jiān)護病房患者病灶和自來水中銅綠假單胞菌的基因，發(fā)現(xiàn)有50%的銅綠假單胞菌有相同基因，認為病房的自來水可能是引起患者銅綠假單胞菌感染的主要原因。有學(xué)者[8]通過RAPD發(fā)現(xiàn)銅綠假單胞菌常見基因型對抗生素的耐藥程度和毒力較強，耐藥菌株易發(fā)生醫(yī)院院內(nèi)感染[10]。

2 多位點序列分型

多位點序列分型(multilocus sequence typing，MLST)是于1998年提出的一種基于核酸序列測定的細菌分型方法，該方法是在多位點酶電泳法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。MLST通過PCR擴增菌株的多個管家基因(每株菌株通常有七個或多個管家基因)，并對擴增產(chǎn)物進行測序，將測序數(shù)據(jù)上傳至PubMLST數(shù)據(jù)庫進行序列比對，鑒定菌株的等位基因型與序列類型，通過比較序列類型來判斷菌株是否具有同源性，以此對細菌進行分型[11-12]。銅綠假單胞菌有acsA、aroE、guaA、mutL、nuoD、ppsA和trpE等7個管家基因[13]，其基因引物序列可在PubMLST數(shù)據(jù)庫獲取。MLST具有較強的種內(nèi)分辨率，結(jié)果重復(fù)性好，在不同的實驗室間有良好的可比性[14]。Gomila等[15]應(yīng)用MLST對銅綠假單胞菌的遺傳多樣性進行分析，認為該方法可作為院內(nèi)感染或疫情暴發(fā)的調(diào)查手段。Blanc等[16]應(yīng)用全基因組測序與MLST兩種方法對銅綠假單胞菌進行分子流行病學(xué)研究，結(jié)果顯示兩種方法的同源性分辨率相同。MLST的缺點是操作過程所需的儀器特殊、成本高、費時等，從而限制了其在醫(yī)院的推廣普及[17]。

3 腸桿菌基因間重復(fù)共有序列PCR

腸桿菌基因間重復(fù)共有序列PCR(enterobacterial repetitive intergenic consensus sequence PCR,ERIC-PCR)是一種基于PCR的擴增技術(shù)，其通過對細菌高度保守重復(fù)序列進行擴增，依據(jù)擴增條帶的位置和數(shù)量來判斷是否為同一基因型[18]。銅綠假單胞菌擴增引物序列為：上游引物5′-CACTTAGGGGTCCTCGAATGTA-3′，下游引物5′-AAGTAAGTGACTGGGGTGAGCG-3′[19]。ERIC-PCR法的優(yōu)點是成本低，操作簡單，具有良好的分辨率[20]；同時也存在以下局限性：基因組重復(fù)序列有可能出現(xiàn)突變、缺失等情況，造成擴增無條帶現(xiàn)象；其次PCR產(chǎn)物的長度不能確定,可導(dǎo)致電泳條帶出現(xiàn)顯像模糊、缺失的現(xiàn)象[21]，影響結(jié)果的判斷。臨床上常用ERIC-PCR來判斷菌株的同源性。Zarei等[22]應(yīng)用該方法調(diào)查醫(yī)院重癥監(jiān)護病房環(huán)境、住院患者和病房蟑螂的銅綠假單胞菌，共分離到109株銅綠假單胞菌，經(jīng)ERIC-PCR法分析，結(jié)果顯示，不同來源銅綠假單胞菌的分離株之間存在14個不同的基因組重復(fù)序列指紋圖譜，表明住院患者、重癥監(jiān)護病房環(huán)境和病房蟑螂的分離株具有同源性關(guān)系。盧雯君等[23]對重癥監(jiān)護室分離到的112株耐碳青霉烯類銅綠假單胞菌進行同源性分析，發(fā)現(xiàn)可將112株菌株分為5個基因型，菌株間呈高度同源性，認為病房內(nèi)存在互相傳播的可能。

4 脈沖場凝膠電泳

脈沖場凝膠電泳(pulsed-field gel electrophoresis，PFGE)是利用周期性交替變換電場方向分離大片段DNA的一種方法，在脈沖場凝膠電泳作用下，可有效分離10 kb至10 Mb大小片段的DNA分子，相近和相似的物種DNA分子將出現(xiàn)相似的圖譜，以此判斷其同源性[24]。標本電泳前需利用限制性內(nèi)切酶將物種DNA分子消化分解成大小不一的片段；選擇限制性內(nèi)切酶時，對于已測序的基因組DNA，要求其具有相應(yīng)的識別位點，但如果基因組DNA尚未測序，則可以根據(jù)生物體的G+C含量來選擇限制性內(nèi)切酶；銅綠假單胞菌常用的限制性內(nèi)切酶為SpeⅠ或XbaⅠ[25]。因PFGE的分辨率高，可以對菌株大部分基因組(>90%)進行同源性分析,且不需要合成引物，其已成為醫(yī)院感染暴發(fā)調(diào)查中分子流行病學(xué)研究的重要手段，也被譽為細菌分子分型的“金標準”[26]。但PFGE操作復(fù)雜、費時長(約2～3 d),且需要配備專業(yè)設(shè)備和操作熟練的檢測人員；此外，其還存在電泳結(jié)果的影響因素較多(如電泳的電壓和時間、電泳液的濃度和溫度等)和重復(fù)性較差等缺點[27-28]。該方法常用于病原菌的同源性分析，對疫情處置和控制醫(yī)院院內(nèi)感染起到重要作用，同時還可用于監(jiān)測土壤或水中的微生物。

5 多位點可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列分析

多位點可變數(shù)目串聯(lián)重復(fù)序列分析(multiple-locus variable-number tandem-repeat analysis,MLVA)是一種基于PCR檢測數(shù)目可變串聯(lián)重復(fù)序列的基因分型方法[29-30]，原理是通過PCR擴增串聯(lián)重復(fù)區(qū)并測量擴增產(chǎn)物的大小，再通過凝膠電泳或高分辨率毛細管電泳確定每個位點的重復(fù)數(shù)，根據(jù)重復(fù)數(shù)區(qū)分等位基因，利用MLVABank公共數(shù)據(jù)庫(http://mlva.i2bc.paris-saclay.fr/mlvav4/genotyping/)進行微生物基因分型，可以利用來自多個重復(fù)區(qū)域的一組等位基因?qū)寺∪哼M行鑒定[29]。由于其操作簡單、檢測通量大、不需要配備特殊儀器、成本低、結(jié)果重復(fù)性好、分辨率高、在不同的實驗室之間可相互比較等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于多種細菌的分子分型和溯源性追蹤[31]。隨著該技術(shù)越來越完善，MLVA已成為醫(yī)院流行病學(xué)調(diào)查中主流的克隆性基因分型方法[32]。但缺點是一株菌株需要對多個位點進行擴增，存在檢測工作量大等不足。

6 基于PCR的開放閱讀框分型

基于PCR的開放閱讀框分型(PCR-based open-reading frame typing,POT)是一種基于多重PCR技術(shù)檢測多個開放閱讀框(open-reading frame,ORF)分布情況的方法，其通過凝膠電泳來判斷每個ORF是否缺失，結(jié)果以數(shù)據(jù)1和0的格式顯示，通過十進制換算成POT數(shù)值[33]。銅綠假單胞菌是通過檢測10個小基因島ORF和7個基因島ORF計算得到每株菌株的POT數(shù)值，POT數(shù)值相同的菌株可判斷為具有同源性[34]。該方法具有操作簡便、費用低、重復(fù)性好、檢測時間短(約4 h)、實驗室間的結(jié)果易于對比、設(shè)備需求簡單(只需要普通PCR儀器和瓊脂糖凝膠電泳設(shè)備)等優(yōu)點，可以作為許多國家和地區(qū)普通臨床微生物實驗室的常規(guī)分子流行病學(xué)分析和鑒定細菌遺傳譜系的方法[33]。但與PFGE和MLST相比，POT的分辨率略低[34]。Suzuki等[34]將POT應(yīng)用于銅綠假單胞菌基因分型，通過對不同銅綠假單胞菌(PAO1、PA7、UCBPP-PA14和LESB58)全基因組序列的比較，篩選出17個ORF作為銅綠假單胞菌的標志物。

7 全基因組測序單核苷酸多態(tài)性分型

全基因組測序技術(shù)是通過對病原菌基因組進行測序，以獲得有關(guān)病原菌檢測、鑒定、分型和藥物敏感性等信息[35]。全基因組測序的檢測過程比較復(fù)雜，需要配備特殊儀器和軟件，對檢測人員能力要求較高[36]。近年來,隨著測序技術(shù)的飛速發(fā)展，測試通量增加及成本的降低,該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于臨床和流行病學(xué)調(diào)查中[37]。全基因組測序的明顯優(yōu)勢是在單次運行中可產(chǎn)生數(shù)百萬個讀數(shù),然后通過專用處理軟件進行組裝,最終構(gòu)建菌株基因組的完整核苷酸序列,其具有靈敏度和特異度較高、能夠及時發(fā)現(xiàn)病原菌變異和新的病原體等優(yōu)點[38]。但全基因組測序也存在以下的局限性[36,39]：不能檢測標本中所有微生物，標本中含有低濃度微生物和難破壁的微生物時易出現(xiàn)漏檢；不能分析特定耐藥基因或毒力基因；數(shù)據(jù)處理及其分析需要具有生物信息學(xué)分析能力的技術(shù)人員等。

8 小 結(jié)

由于不規(guī)范使用抗菌藥物而導(dǎo)致院內(nèi)感染的情況時有發(fā)生，但目前細菌表型分型和分子分型技術(shù)均存在不足，因此未能滿足臨床應(yīng)用。隨著分子分型技術(shù)的快速發(fā)展，臨床上迫切需要一種操作簡便、分辨率高、重復(fù)性好、費用低、不同實驗室間結(jié)果有可比性的分型方法。近年來，高通量全基因組二代測序在臨床上普及應(yīng)用，測序成本越來越低，全基因組測序分型將有望替代目前已有的分型方法。各醫(yī)療單位應(yīng)該結(jié)合自身技術(shù)條件選擇適當?shù)姆中头椒ù_定感染源和傳播途徑，及時采取防控措施，減少感染的發(fā)生。