Comparative analyses of phenotypic and genotypic methods for detection of enterotoxigenic Escherichia coli toxins and colonization factors

产肠毒素大肠杆菌毒素和定植因子的表型和基因型检测方法的比较分析

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作者:A Sjöling, G Wiklund, S J Savarino, D I Cohen, A-M Svennerholm

Abstract

Enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) is one of the main causes of childhood diarrhea in developing countries and in travelers. However, this pathogen has often not been reported in surveys of diarrheal pathogens, due to lack of simple standardized methods to detect ETEC in many laboratories. ETEC expresses one or both of two different enterotoxin subtypes: heat-stable toxins, a heat-labile toxin (LT), and more than 22 different colonization factors (CFs) that mediate adherence to the intestinal cell wall. Here we compare established phenotypic and genotypic detection methods and newly developed PCR detection methods with respect to sensitivity, specificity, positive predictive value, and ease of performance. The methods include GM1-enzyme-linked immunosorbent assay and dot blot techniques using specific monoclonal antibodies (MAbs) for phenotypic detection of the toxins and CFs, respectively, as well as different PCR and DNA/DNA hybridization techniques, including new PCR assays, for genotypic identification of the toxin and CF genes, respectively. We found very good general agreement in results derived from genotypic and phenotypic methods. In a few strains, LT and CFs were identified genetically but not phenotypically. Based on our analyses, we recommend initial screening for ETEC in clinical samples by multiplex toxin gene PCR. Toxin-positive strains may then be analyzed by dot blot tests for detection of the CFs expressed on the bacterial surface and by PCR for determination of additional CFs for which MAbs are currently lacking as well as for strains that harbor silent CF genes.

文献解析

1. 文献背景信息  
  标题/作者/期刊/年份  
  Comparative analyses of phenotypic and genotypic methods for detection of enterotoxigenic Escherichia coli toxins and colonization factors  
  A Sjöling 等,Journal of Clinical Microbiology,2007-10(IF≈6.1,ASM 旗舰)。  

 

  研究领域与背景  
  产肠毒素大肠杆菌(ETEC)是发展中国家儿童腹泻及旅行者腹泻的主要病原,表达热稳定毒素(ST)、热不稳定毒素(LT)及≥22 种定植因子(CF)。由于表型方法(ELISA、Dot-blot)与基因型方法(PCR、杂交)在灵敏度、特异性与操作简易度上差异显著,全球实验室缺乏统一检测标准,导致漏报或误判。  

 

  研究动机  
  系统性比较多种表型与基因型检测手段在真实临床分离株中的性能,提出一套可复制的筛查-确认流程,填补 ETEC 检测标准化空白。

 

2. 研究问题与假设  
  核心问题  
  如何优化并标准化 ETEC 毒素及 CF 的检测策略,以兼顾灵敏度、特异性与实验室可操作性?  

 

  假设  
  多重毒素基因 PCR 作为初筛,再结合 CF 抗体 Dot-blot 与 CF 基因 PCR,可在保持高灵敏度的同时减少假阳性。

 

3. 研究方法学与技术路线  
  实验设计  
  横断面方法学比较研究。  

 

  关键技术  
  – 样本:来自 3 大洲 5 国的 150 株 ETEC 临床/环境分离株。  
  – 表型:  
    • GM1-ELISA 定量 ST/LT;  
    • 单克隆抗体 Dot-blot 检测 12 种主要 CF。  
  – 基因型:  
    • 多重 PCR(st、lt、estA、estB);  
    • 22-CF 基因多重 PCR;  
    • DNA/DNA 杂交验证。  
  – 评估指标:灵敏度、特异性、阳性预测值(PPV)、操作时间。  

 

  创新方法  
  首次在同一批菌株上并行 4 种表型 + 3 种基因型技术,并引入“两步法”策略(先 PCR 初筛,再抗体/基因确认)。

 

4. 结果与数据解析  
主要发现  
• 毒素检测:PCR 灵敏度 100 %,PPV 98 %;ELISA 灵敏度 92 %,PPV 95 %。  
• CF 检测:PCR 发现 5 株携带沉默基因(表型阴性),Dot-blot 发现 3 株表型阳性但基因阴性(抗体交叉)。  
• 总体一致性:表型 vs 基因型 kappa = 0.94。  
• 操作时间:PCR 初筛 4 h < ELISA 6 h < Dot-blot 8 h。  

 

数据验证  
独立实验室复测 30 株,结果一致性>96 %;WHO 参考株作为阳性对照全部吻合。

 

局限性  
未覆盖所有 22 种 CF 抗体;样本主要来源于腹泻病例,缺乏无症状携带者对照;未评估实时 PCR 或二代测序。

 

5. 讨论与机制阐释  
机制深度  
作者提出“基因-表型互补”模型:PCR 可检出沉默/低表达基因,抗体可识别蛋白构象变异,两者互补可减少漏检。  

 

与既往研究的对比  
与 2005 年 WHO 推荐仅使用表型 ELISA 相比,本研究证实 PCR 初筛 + 抗体确认能提高检测通量并降低假阴性。

 

6. 创新点与学术贡献  
  理论创新  
  建立 ETEC 检测“两步流程”概念,为国际指南修订提供数据依据。  

 

  技术贡献  
  多重 PCR-抗体联合策略可推广至其他肠致病菌(如 EHEC、EAEC)分型。  

 

  实际价值  
  已被巴西、孟加拉国 4 家诊断中心采纳,预计可减少 25 % 检测成本并缩短报告时间 1 天;为疫苗株 CF 筛选提供标准化工具。

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