新型噬菌体压电传感器快速检测结核分枝杆菌的机理及其药敏应用效果的研究

论文摘要

结核病是目前单因素引起发病率和死亡率最高的疾病。全球有三分之一的人群感染结核分枝杆菌，每年新增800万结核病人，有200万人死于结核病。世界卫生组织于1993年宣布：全球处于结核病紧急状态。引起结核病再次大流行的原因之一是不合理用药导致的耐药菌株的出现。为有效执行DOTS（Directly ObservedTreatment, Short-Course）策略，快速检测结核分枝杆菌和正确选择抗生素治疗成为防治结核病的关键。利用串联式压电石英传感器对环境电参数响应灵敏的特点，将其应用于微生物生长状态监测中，及早得到微生物的生长信息。用串联式压电传感器，分析培养基不同成分对微生物生长压电信号的影响；用单因素分析方法，分析不同成分对耻垢分枝杆菌和结核分枝杆菌生长曲线的影响。将M7H9培养基中成分的作用分为缓冲作用、合成代谢作用、生长促进因子作用，构建分枝杆菌压电检测体系。对压电频移曲线进行分类，将压电频移信号产生的物质基础分为分解代谢所分泌电导成分和合成代谢所吸收电导成分两种类型，分别产生向下的频移曲线和向上的频移曲线，提升对串联式压电微生物传感器频移信号的理论认识。用噬菌体成斑率为指标，研究噬菌体在环境中稳定的条件，保证噬菌体的感染效率；研究噬菌体最佳的灭活方法，减少实验过程出现假阳性。分析钙镁浓度对噬菌体吸附、顿挫感染的影响，得出最佳的钙离子浓度、杀毒剂硫酸亚铁胺浓度。用一步生长曲线研究噬菌体D29与耻垢分枝杆菌作用的特性，分析影响噬菌体生物放大作用的外部环境因素，优化出最适合结核分枝杆菌快速检测的培养基配方。综合考虑噬菌体的稳定条件、灭活条件、一步生长曲线的最优条件和耻垢分枝杆菌在M7H9培养基中压电信号的影响因素，选择适合构建噬菌体生物放大的压电传感器检测培养体系。结核分枝杆菌和耻垢分枝杆菌能被噬菌体D29感染，保护菌体内的噬菌体D29不被硫酸亚铁杀灭。样品中的结核分枝杆菌被作为载体，将加在样品处理液中的噬菌体D29转移到检测池。在检测池中，噬菌体D29裂解结核分枝杆菌释放子代噬菌体，子代噬菌体感染耻垢分枝杆菌，经历快速的感染、复制、裂解的循环过程。这个循环过程构成噬菌体链式生物放大反应，最终得到完全抑制耻垢分枝杆菌生长的结果。样品中结核分枝杆菌的浓度不同，转移到检测池中的噬菌体D29的也浓度不同，完全抑制耻垢分枝杆菌生长所需的循环次数不同，最终导致检测池中耻垢分枝杆菌生长程度不同。当样品中没有结核分枝杆菌充当噬菌体的载体时，则无噬菌体被转移到检测池中，耻垢分枝杆菌的生长不受噬菌体抑制。耻垢分枝杆菌在生长过程中，利用培养基中的电导成分，引起压电传感器产生频移响应信号。不同浓度的结核分枝杆菌引起不同强度的压电频移响应信号。在液体培养基中，充分发挥噬菌体的链式放大作用，提高检测方法灵敏度。应用压电传感器对电参数的灵敏响应，提高检测方法的灵敏度。通过噬菌体D29桥梁作用，将慢速生长的结核分枝杆菌检测，转换成快速生长的耻垢分枝杆菌的检测，大大提高检测速度。噬菌体对结核分枝杆菌的裂解作用，可降低实验风险，安全可靠。耻垢分枝杆菌检测所需要培养基和仪器要求低，成本低廉。用数学模型分析检出时间与溶液中噬菌体浓度的关系，得出检测时间与溶液中1-102pfu/mL噬菌体D29浓度成线性的结果。用双盲对照的原则研究样本处理对检测方法的影响，得出正确的样本处理方法，保证结果的准确度，避免假阳性和假阴性。该方法可以检测102cfu/mL的结核分枝杆菌，检测时间缩短到30小时，具有临床诊断实用价值。噬菌体放大多通道压电传感器法（PA-MSPQC）与Bactec MGIT960法的统计学比较结果，得出两者检测临床样本的灵敏度和特异度一致。但PA-MSPQC法检测时间只需30小时，优于培养法。PA-MSPQC法还可以通过提高噬菌体感染效率，进一步提高方法的灵敏度。防止耐药结核分枝杆菌的出现是控制结核病的关键措施，实现结核分枝杆菌菌株耐药的快速检测，对合理用药和防止耐药菌株的出现有非常重要的意义。我们根据噬菌体只能感染活的结核分枝杆菌的特点，将PA-MSPQC法应用于结核分枝杆菌耐药检测。建立PA-MSPQC法耐药结果的频移标准，根据实验条件和比例法耐药的判别标准，对利福平、异烟肼和乙胺丁醇三种药物，当耻垢分枝杆菌生长引起的频移小于121Hz时，认为菌株对药物耐受；对链霉素药物，当耻垢分枝杆菌引起的压电频移小于92Hz时，判定菌株对链霉素耐药。将双盲实验中，PA-MSPQC法所得的结果与MGIT960法所得结果进行统计学分析，得出PA-MSPQC法与MGIT960法没有统计学差异，能准确检测临床结核分枝杆菌菌株对利福平、异烟肼、乙胺丁醇和链霉素等一线抗结核药物的耐受情况。由于PA-MSPQC法能快速报告实验结果，可以替代传统的培养法用于临床结核分枝杆菌菌株的耐药实验。但是PA-MSPQC同样存在噬菌体感染效率的问题，有可能将未感染噬菌体的结核分枝杆菌当成耐药菌株，影响方法的准确度。因此，优化培养基成分是提高检测方法灵敏度，提高耐药实验准确度的关键。为建立微生物快速传感检测新方法，我们使用石墨烯新材料和核酸序列代替适配体进行初步实验。用化学气相沉积法在铜箔表面制备大面积石墨烯，用拉曼光谱分析在不同气体条件下形成石墨烯的质量，研究氢气流量、温度、基底材料对石墨烯质量的影响，直接制备出可用于电极分析的大面积单层石墨烯。用电化学阻抗谱和循环伏安法研究核酸序列在石墨烯电表面吸附和解离的条件，得出钠的浓度在100mmol/L、镁的浓度在5mmol/L，核酸序列通过π-π堆集作用而吸附，电极表面电子传递阻力增大；在钙、镁离子的存在条件下，吸附的核酸序列与互补序列作用解离，电极表面电子传递阻力减小；电极表面的电子传递阻力的拟合分析得出，电子传递阻力的改变与cDNA浓度成线性关系。适配体是与核酸序列同性质的DNA序列，石墨烯电极和适配体为目标分析物（如病原微生物）的快速传感检测提供可能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 结核分枝杆菌检测的历史与现状
• 1.2.1 涂片检测
• 1.2.2 培养检测
• 1.2.3 血清学检测方法
• 1.2.4 分子生物学方法
• 1.3 结核分枝杆菌的耐药检测
• 1.3.1 结核分枝杆菌耐药的分子机理
• 1.3.2 耐药菌株的检测方法
• 1.4 压电传感技术的进展
• 1.4.1 压电传感器原理和构建
• 1.4.2 压电传感器的分类
• 1.4.3 触液式压电传感器的应用
• 1.4.4 气相压电传感器的响应特点和应用
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 结核分枝杆菌和耻垢分枝杆菌压电检测体系的构建
• 2.1 引言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 分枝杆菌和耻垢分枝杆菌悬液的制备
• 2.2.2 不同糖类的YC培养基的制备
• 2.2.3 仪器设备
• 2.2.4 实验步骤
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 压电石英晶体传感器的构建和电参数响应特性
• 2.3.2 结核分枝杆菌在不同培养基中信号的代谢机理
• 2.3.3 耻垢分枝杆菌在不同培养基中信号的代谢机理
• 2.3.4 结核分枝杆菌和耻垢分枝杆菌在YC和M7H9 上的生长信号差异
• 2.3.5 耻垢分枝杆菌在M7H9 培养基中的响应机理
• 2.4 小结
• 第三章 噬菌体D29 与耻垢分枝杆菌作用的生物学特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 仪器与试剂
• 3.2.1 试剂与菌株
• 3.2.2 仪器与设备
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 耻垢分枝杆菌增殖培养方法
• 3.3.2 结核分枝杆菌培养保存方法
• 3.3.3 噬菌体的增殖培养方法
• 3.4 结果与讨论
• 3.4.1 噬菌体D29 的化学和物理特性
• 3.4.2 耻垢分枝杆菌吸附噬菌体D29 的位点分析
• 3.4.3 噬菌体D29 在耻垢分枝杆菌中的一步生长曲线
• 3.4.4 pH对噬菌体在不同培养基中稳定性的影响
• 3.4.5 阳离子对噬菌体D29 吸附宿主细胞的影响
• 3.4.6 Tween 80 对噬菌体D29 与耻垢分枝杆菌作用的影响
• 3.4.7 硫酸亚铁铵浓度的选择
• 3.5 小结
• 第四章 噬菌体放大多通道压电石英传感器快速灵敏检测结核分枝杆菌
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 检测培养基和样品处理
• 4.2.2 MSPQC检测系统和BACTEC MGIT960 系统
• 4.2.3 实验步骤
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 噬菌体放大多通道压电传感器的构建
• 4.3.2 噬菌体D29 浓度对耻垢分枝杆菌生长信号的影响
• 4.3.3 耻垢分枝杆菌浓度对频移响应曲线的影响
• 4.3.4 钙离子对噬菌体D29 与耻垢分枝杆菌之间作用的影响
• 4.3.5 PA- MSPQC检测结核分枝杆菌的典型响应曲线
• 4.3.6 阳性样本鉴别标准和检测方法下限的确定
• 4.3.7 临床样本的检测
• 4.4 小结
• 第五章 噬菌体压电传感器快速检测结核分枝杆菌药物敏感实验
• 5.1 引言
• 5.1.1 分子生物学检测方法
• 5.1.2 突变位点基因的检测方法
• 5.1.3 表型分析方法
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 试剂与菌株
• 5.2.2 仪器与设备
• 5.3 实验步骤
• 5.3.1 噬菌体溶液的制备
• 5.3.2 耻垢分枝杆菌菌悬液
• 5.3.3 痰样试液的制备
• 5.3.4 实验菌株耐药的处理
• 5.3.5 药物作用效果的检测
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 药物敏感性判定的依据
• 5.4.2 四种抗结核药物的噬菌体压电响应曲线
• 5.4.3 结核菌株耐药和敏感的判定标准
• 5.4.4 PA-MSPQC法与MGIT法药敏结果的比较
• 5.4.5 PA-MSPQC法与MGIT 960 法检测临床菌株报告时间的比较
• 5.5 小结
• 第六章 无标记ssDNA在大面积单层石墨烯电极上吸附解离的电化学阻抗谱分析
• 6.1 引言
• 6.2 实验仪器与试剂
• 6.2.1 实验仪器
• 6.2.2 实验部分
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 化学气相沉积法在铜基底上制备石墨烯的原理
• 6.3.2 化学气相沉积法制备石墨烯的主要影响因素
• 6.3.3 氢气浓度对石墨烯质量的影响
• 6.3.4 石墨烯电极的循环伏安研究
• 6.3.5 石墨烯探针DNA电极与目标DNA作用的电化学阻抗谱
• 6.3.6 ssDNA在石墨烯表面吸附的影响因素
• 6.3.7 ssDNA在石墨烯表面吸附作用力分析
• 6.3.8 氧化石墨烯与石墨烯在与ssDNA作用上的差别
• 6.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录 攻读博士学位期间所发表的学术论文
• 致谢