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分离技术在新型冠状病毒研究和防疫检测中的应用(一)

发布时间:2021-06-04 11:42 编辑者:特邀作者余秀梅

新型冠状病毒肺炎(COVID-19)疫情的爆发给世界公共卫生安全带来前所未有的挑战。随着新型冠状病毒(SARS-CoV-2)相关研究的不断深入,众多分析检测技术相继被应用,推动了病毒检测、疫苗和创新疗法的研发,从而使疫情早日得到控制。分离技术作为生命科学、医学、药学领域的关键技术,操作简单,分离效率高,选择性强,在新型冠状病毒的分离、检测、诊疗及防疫中起到不可替代的作用。该文以SARS-CoV-2或COVID-19为关键词在ISI Web of Science中进行主题检索,归纳了2020年度新型冠状病毒相关的研究论文,简要介绍主要的研究方向,并对国际顶级学术期刊Nature,Science,Cell的论文发表情况进行了统计。通过检索影响因子较高的期刊,综述了新型冠状病毒研究中主要应用的分离技术,并从亲和色谱和尺寸排阻色谱、液相色谱、磁珠分离、离心、微纳分离以及电泳6个方面进行说明。

综述统计了亲和色谱和尺寸排阻色谱纯化的病毒相关蛋白,并介绍了其在新型冠状病毒传播、感染机制以及药物筛选中的应用;介绍了液相色谱对病毒候选药物评估以及复杂基质中单一成分的鉴定;介绍了磁珠分离在细胞分离、核酸提取和免疫学检测中的应用;介绍了离心对病毒颗粒、细胞以及血清的分离;介绍了微纳分离结合其他技术以实现病毒蛋白的高灵敏检测;简要介绍了电泳在聚合酶链式反应(PCR)产物分析中的应用。该文综述了2020年度新型冠状病毒研究和防疫检测中分离技术的应用情况,分析了分离技术在新型冠状病毒检测中发挥的作用,旨在为从事分离研究的科研工作者提供一些参考。

2020年1月爆发的新型冠状病毒肺炎(COVID-19)在短时间内迅速蔓延全球,给世界公共卫生体系带来了前所未有的挑战。国际病毒分类委员会将引发新冠肺炎的病毒命名为严重性呼吸综合征冠状病毒2(SARS-CoV-2),它是一种单股正链RNA病毒(β-冠状病毒属),早期通过表面凸起的刺突糖蛋白(S蛋白)结合受体细胞的血管紧张素转换酶2(ACE2),后经细胞内2型跨膜丝氨酸蛋白酶裂解ACE2并激活S蛋白来促进病毒吸收,进而引起病变。目前,疫情已持续1年多,全球累计确诊病例超1.18亿例,且仍呈增加趋势。为了尽快控制疫情,全球科研和临床医护人员联手攻关,从病毒的传播途径、感染致病机制、快速检测诊断、疫苗开发等多方面开展研究,在短时间内取得了一系列突破进展。分离技术作为生命科学、医学、药学等领域的关键技术,在新型冠状病毒研究中发挥了不可替代的作用。其中,以色谱为代表的现代分离技术,在实现病毒微量蛋白质纯化的同时能保持蛋白质活性和分子结构完整,适用于发病机制、疫苗研发、临床治疗等研究。而以离心为代表的传统分离技术,是新型冠状病毒研究的基础技术手段,方法简单快捷,可初步分离病毒、细菌等大颗粒物质。

本文以“COVID-19”或“SARA-CoV-2”为关键词,在ISI Web of Science数据库中进行主题检索,截至2020年12月31日为止,相关期刊论文已达 26 160 篇,研究方向包括普通内科学、公共环境卫生、传染病学、药理学、分子生物学、化学等(见图1)。其中,国际顶级学术期刊Nature, Science和Cell分别发表新型冠状病毒相关论文62、58和43篇,论文中应用的分离技术主要有亲和色谱(AC)和尺寸排阻色谱(SEC)、液相色谱、磁珠分离和离心,研究内容涉及新型冠状病毒的传播、溯源、治疗药物、疫苗研发、临床防治和疫情防控等方面。分析化学类专业期刊发表相关论文有限,代表性期刊Analytical Chemistry在2020年全年仅发表14篇新型冠状病毒研究论文,其中2篇报道采用微纳分离技术对病毒进行高灵敏检测。

本文总结了分离技术在新型冠状病毒研究、检测和防疫中的应用,从亲和色谱和尺寸排阻色谱、液相色谱、磁珠分离、离心、微纳分离和电泳6个方面进行介绍。

1 AC和SEC

亲和色谱和尺寸排阻色谱是Nature, Science和Cell期刊报道文献中使用最频繁的蛋白质纯化技术。其中,AC是通过生物分子与功能配基的特异性作用对目标蛋白质进行分离纯化,是实验室中生物大分子分离纯化最具特异性和高效性的技术,但配基昂贵且偶联技术复杂,限制了其应用;SEC是根据相对分子质量差异对待测物中各组分进行分离,优势在于分辨率高,操作简单,但对于样品纯度要求很高,因此常用于亲和色谱后蛋白质的进一步纯化。在当前新型冠状病毒研究中,AC与SEC常被用于纯化病毒表面S蛋白、ACE2、S蛋白受体结合域(RBD)等。

1.1 新型冠状病毒传播研究

Shang等使用镍离子金属螯合亲和色谱(Ni-NTA)对多聚组氨酸标签(His6-tag)标记的SARS-CoV-2和SARS-CoV的RBD以及ACE2胞外域分离纯化,使用Protein A亲和色谱纯化重组人APOM蛋白(Fc-tag)标记的ACE2,随后用SEC对蛋白质进一步纯化。通过比较分析ACE2对SARS-CoV-2、SARS-CoV以及蝙蝠冠状病毒RaTG13的识别差异,揭示SARS-CoV-2在动物和人类之间的潜在传播。以同样方法分离纯化SARS-CoV-2、SARS-CoV和中东呼吸综合征冠状病毒(MERS-CoV)的RBD以及ACE2胞外域后,Shang等对比分析ACE2与3种病毒RBD的结合差异,为病毒干扰策略研究提供参考。

声明:本文所用图片、文字来源《色谱》,版权归原作者所有。如涉及作品内容、版权等问题,请与本网联系删除。

相关链接:色谱病毒细胞

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