对M13噬菌体上的桥接连接器进行结构优化,以实现高效亲和力检测肠道病毒A71

《Talanta》:Structural tuning of bridging linkers on M13 phages for high-affinity detection of enterovirus A71

【字体: 时间:2026年02月15日 来源:Talanta 6.1

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  快速检测EV-A71的M13噬菌体颜色生物传感器研究

  
李云柏|杨孝贞|申在焕|库马拉萨米·贾亚库马尔|朴钟弼
韩国忠昂大学BK21 Four食品科学与技术系及绿色技术食品安全研究小组,安城,17546

摘要

肠道病毒A71(EV-A71)是手足口病的主要致病因子,由于它能够直接侵入并引发中枢神经系统的炎症,从而导致严重的、可能致命的神经系统并发症,因此对公共卫生构成了严重威胁。目前的检测方法缺乏快速和灵敏的分析能力,尤其是在废水监测方面。本研究报道了一种经过PEG4-生物素修饰的M13噬菌体,该噬菌体被设计为用于EV-A71的比色检测的分子受体。通过噬菌体展示技术鉴定出了针对VP1的特异性噬菌体配体,并使用基质辅助激光解吸/电离飞行时间质谱(MALDI-TOF)、衰减全反射-傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)和透射电子显微镜(TEM)对其进行了全面表征。优化后的生物传感器对VP1(0.03–3.91 nM,R2 = 0.969)和完整病毒颗粒(102–10? PFU/mL,R2 = 0.974)均表现出良好的线性,检测限分别达到0.22 nM和约102 PFU/mL。这些发现凸显了PEG4-生物素化M13平台在公共卫生监测系统中用于快速、灵敏和现场检测肠道病毒的潜力。

引言

肠道病毒A71(EV-A71)是一种无包膜的单链正链RNA病毒,属于杯状病毒科,是手足口病(HFMD)的主要致病因子。EV-A71对公共卫生构成重大威胁,因为它可以侵入中枢神经系统,尤其是在幼儿中引发严重的神经系统并发症。自1974年在美国首次被发现以来,亚太地区已多次发生大规模疫情[1,2]。虽然HFMD通常表现为5岁以下儿童的手、脚和口腔黏膜上的水疱性皮疹,但某些EV-A71株具有神经嗜性,可导致无菌性脑膜炎、急性弛缓性麻痹和脑炎[3,4]。这些重症病例导致高发病率和死亡率,给医疗和社会经济带来巨大负担。此外,由于缺乏世界卫生组织(WHO)批准的疫苗,EV-A71感染带来的公共卫生风险进一步加剧。
早期和准确的诊断仍然具有挑战性,因为HFMD的皮肤病变在临床上常常与水痘、麻疹或单纯疱疹病毒的病变难以区分[5]。因此,误诊或延迟检测会阻碍及时治疗和控制,从而加速病毒传播并增加长期神经系统后遗症的风险[6,7]。EV-A71主要通过粪-口途径和呼吸道途径传播,包括通过感染者的唾液、痰液或粪便。环境暴露,特别是通过受污染的废水,进一步促进了肠道病毒感染的流行,使得废水处理设施成为病毒控制的关键且具有挑战性的干预点[8]。
目前,尚无抗病毒药物被批准用于治疗EV-A71感染,完全许可的疫苗仅在中国和台湾可用。因此,开发快速准确的诊断方法对于有效管理患者和预防疫情至关重要。传统上,EV-A71的鉴定依赖于将临床样本接种到人类或灵长类细胞系(如RD、HEK293、HeLa和Vero细胞)中进行病毒分离[9]。然而,这些基于细胞培养的检测方法耗时且灵敏度较低,尤其是在感染早期阶段。因此,包括酶联免疫吸附测定(ELISA)、逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)和核苷酸测序在内的分子诊断技术已成为临床检测的标准方法[[10], [11], [12], [13]]。其中,针对VP1区域的RT-PCR检测方法能够高灵敏度和特异性地检测和分型EV-A71。然而,这些分子方法需要复杂的样本预处理、专门的热循环仪器和训练有素的人员,且通常成本较高、分析时间较长[14]。此外,由于EV-A71是一种不耐热的RNA病毒,临床样本的不当储存或运输可能导致RNA降解,从而降低检测效率[15]。
鉴于EV-A71感染具有快速的临床进展和潜在的神经系统并发症风险,迫切需要一种快速、简单且可在现场使用的诊断平台以实现早期检测。在这种情况下,生物传感器技术作为一种有前景的替代方案出现,它们能够灵敏、特异性地检测病毒病原体,同时避免了传统分子检测方法的若干局限性。其中,光学生物传感器——尤其是比色平台——因其直观的视觉读数、最小的仪器要求以及适用于即时检测(PoC)部署而具有吸引力[[16], [17], [18]]。这些特性与对便携式、成本效益高的诊断系统的日益增长的需求高度契合,这些系统能够实现实时病毒监测并支持疫情控制。
M13噬菌体是一种高度适应性的EV-A71抗原生物识别平台,结合了结构稳定性、可调功能性和强目标特异性。噬菌体展示(生物淘选)是一种强大的组合技术,通过反复的结合、洗涤、洗脱和测序循环选择高亲和力肽,所得配体广泛应用于治疗、成像、诊断和生物传感[19,20]。值得注意的是,M13噬菌体具有由大约2700个主要衣壳蛋白(pⅧ)和5个次要衣壳蛋白(pⅢ、pⅥ、pⅦ和pⅨ)组成的丝状结构[21,22]。
在次要衣壳蛋白中,pⅧ和pⅢ可以通过基因工程或化学修饰进行位点特异性功能化。这些特性使M13噬菌体不仅能够作为肽载体使用,还能够作为一种化学可修饰的生物识别平台,通过多价相互作用放大检测信号[[23], [24], [25]]。例如,Lee等人[26]开发了一种与辣根过氧化物酶(HRP)-链霉亲和素(SA)结合的生物素化黑曲霉孢子结合噬菌体,实现了对微量孢子的高灵敏度比色检测,并表现出优于传统抗体基方法的性能。总体而言,这些特性使M13噬菌体成为一种强大的多功能分子探针,适用于临床和环境样本中的病毒、细菌和真菌目标检测。
在本研究中,我们展示了基于噬菌体的比色传感器在快速选择性地检测EV-A71方面的潜力。通过M13噬菌体展示技术筛选和鉴定出具有高亲和力的特异性噬菌体。M13噬菌体的主要衣壳蛋白(pⅧ,约2700个拷贝)通过< />

化学试剂

来自EV-A71 E1/ZS/CHZ/2009菌株的重组EV-A71 VP1蛋白(rEV-A71 VP1)来自法国巴黎的Antibody System公司。牛血清白蛋白(BSA)从美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司购买。蛋白质定量使用比色酸(BCA)蛋白测定试剂盒(Pierce Biotechnology,马萨诸塞州沃尔瑟姆)进行测定。比色检测使用2,2′-偶氮-双(3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸)二铵盐(ABTS)

EV-A71 VP1结合克隆的生物淘选和选择

经过四轮使用Ph.D.-C7C文库的生物淘选后,分离出了对EV-A71 VP1具有高亲和力和特异性的M13噬菌体克隆(图1a)。该文库展示具有CXXXXXXXC一致序列的环状肽,其中末端半胱氨酸之间的分子内二硫键稳定了环结构,增强了结合稳定性和目标识别能力。在连续的选择轮次中,噬菌体的回收率逐渐增加,表明逐渐富集了

结论

在本研究中,我们开发了一种基于PEG4-生物素化M13噬菌体的比色生物传感器,用于快速且无需仪器的EV-A71检测。通过生物淘选鉴定出的肽配体对EV-A71 VP1蛋白具有高亲和力,而受控的PEG4介导的生物素结合实现了高效的SA-HRP驱动的信号放大。这种方法保持了噬菌体的结构完整性和结合功能,这一点通过MALDI-TOF、ATR-FTIR和FE-TEM得到了验证

CRediT作者贡献声明

李云柏:撰写——原始草稿、方法学、研究、数据分析、概念化。杨孝贞:验证、方法学。申在焕:验证、方法学。库马拉萨米·贾亚库马尔:撰写——审阅与编辑、资源获取。朴钟弼:撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金申请。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了韩国国家研究基金会(NRF)的资助(由韩国政府MSIT提供)[资助编号RS-2024-00338698, RS-2025-02233102],以及2024年忠昂大学研究生研究奖学金(生物技术和自然资源学院学术奖学金)的支持。
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