发表年：2025年
杂志：Nature Food
中文标题：基于磁珠辅助成像转码系统的Argonaute介导的数字传感器用于多重食源性病原体检测
原英文标题：

Multiplexed food-borne pathogen detection using an argonaute-mediated digital sensor based on a magnetic-bead-assisted imaging transcoding system

原文链接DOI：

https://doi.org/10.1038/s43016-024-01082-y

摘要

食源性疾病每年导致6亿人患病和42万人死亡，世界卫生组织将其列为全球公共卫生的主要威胁之一。传统的病原体检测方法如微生物培养、免疫分析和PCR技术虽然可靠，但存在耗时长、灵敏度低或易受污染等问题。本文提出了一种基于**Clostridium butyricum Argonaute（CbAgo）和磁珠（MBs）**的数字核酸检测平台（d-MAGIC），能够在不进行DNA扩增的情况下，实现多重、超灵敏的食源性病原体检测。该平台利用CbAgo的双向导引精确切割活性，通过两步反应切割荧光-淬灭报告分子，并结合荧光编码的磁珠作为多探针，实现了多重病原体的同时检测。通过人工智能（AI）算法“Panda”对荧光图像进行解码，d-MAGIC平台在10^1到10^7 CFU/ml的范围内表现出广泛的检测能力，检测限低至6 CFU/ml。该方法简化了传统数字检测的复杂流程，展示了在食品安全领域的巨大应用潜力。

研究背景

食源性疾病是全球公共卫生的重大挑战，每年导致数百万人患病和数十万人死亡。常见的食源性病原体包括沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌等，它们广泛存在于各种食品和环境样本中，可能引发严重的健康问题，如肠道炎症、腹泻、呕吐、慢性肾病甚至死亡。因此，开发快速、灵敏且多重的病原体检测方法对于预防和控制食源性疾病的爆发至关重要。

传统的病原体检测方法主要包括微生物培养、免疫分析和PCR技术。微生物培养虽然可靠，但耗时长，通常需要数天才能得到结果。免疫分析虽然快速，但灵敏度较低，且需要昂贵的抗体。PCR技术（包括实时定量PCR）因其高灵敏度和准确性被视为金标准，但其DNA扩增步骤容易受到环境气溶胶的污染，导致假阳性结果。近年来，基于CRISPR-Cas系统的数字液滴PCR（ddPCR）技术因其超灵敏性和准确性在核酸检测中崭露头角，但其多重检测能力有限，且需要复杂的微流控芯片和设备。

为了克服这些局限性，本文提出了一种基于Argonaute（Ago）蛋白和**磁珠（MBs）**的新型数字核酸检测平台（d-MAGIC）。Argonaute是一类由核酸引导的内切酶，具有高度的特异性，能够在室温下进行DNA切割。与CRISPR-Cas系统不同，CbAgo能够在无需DNA扩增的情况下，通过两步反应精确切割目标DNA，并生成新的引导链用于进一步的特异性切割。此外，磁珠作为信号载体，能够通过荧光编码实现多重检测，并通过AI算法对荧光图像进行解码，简化了传统数字检测的复杂流程。

d-MAGIC平台的创新之处在于：（1）结合了CbAgo的精确切割能力和磁珠的荧光编码技术，实现了无需DNA扩增的多重、超灵敏检测；（2）利用微米级磁珠作为数字化和编码载体，简化了传统液滴数字化的方法，并具有抗干扰能力；（3）通过AI算法优化了检测系统，实现了高效的荧光图像解码和定量信号分析。该平台在食品安全领域具有广泛的应用前景，能够快速、准确地检测食品中的多重病原体，为食品安全风险评估提供了强有力的工具。

研究图文详解

图1：

图1a：展示了针对三种食源性病原体（沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和单核细胞增生李斯特菌）设计的特异性引导DNA（gDNA），并通过CbAgo进行两步切割反应。

图1b：描述了磁珠-酪胺-链霉亲和素（MB-TA-SA）复合物的制备过程，以及荧光编码的实现。

图1c：展示了荧光编码磁珠的成像和AI解码过程，通过CLSM获取荧光图像，并通过AI算法进行解码和定量分析。

图2：

图2a：展示了CbAgo的两步切割机制，通过初级切割生成的短DNA片段作为新的引导链进行次级切割。

图2b-2k：通过MALDI-TOF/TOF、凝胶电泳、圆二色光谱等技术对CbAgo和MB-TA-SA复合物进行了表征，验证了其结构和功能。

图3：

图3a：展示了荧光编码磁珠的成像过程和AI解码算法“Panda”的工作流程。

图3b-3d：比较了AI解码、手动计数和ImageJ软件的计数结果，验证了AI解码的准确性和一致性。

图4：

图4a-4d：展示了d-MAGIC平台对单一食源性病原体的检测能力，检测范围从10^1到10^7 CFU/ml，检测限低至6 CFU/ml。

图4e-4j：验证了d-MAGIC平台的特异性和抗干扰能力，表明其在复杂样本中仍能保持高灵敏度和准确性。

图5：

图5a-5d：展示了d-MAGIC平台对三种食源性病原体的多重检测能力，检测范围与单一检测一致，且回收率在91%到113%之间，表明其在复杂样本中的优异表现。

图6：

图6a-6e：通过实际食品样本（如虾、鸡蛋和鸡肉）的检测，验证了d-MAGIC平台在实际应用中的准确性和可靠性，并与qPCR方法进行了对比，结果显示两者具有良好的一致性。

总结和展望

本文提出的d-MAGIC平台代表了食源性病原体检测领域的一项重大突破。传统的检测方法如微生物培养、免疫分析和PCR技术虽然各有优势，但都存在一定的局限性。微生物培养虽然可靠，但耗时长；免疫分析虽然快速，但灵敏度较低；PCR技术虽然灵敏，但易受污染且需要复杂的DNA扩增步骤。d-MAGIC平台通过结合CbAgo的精确切割能力、磁珠的荧光编码技术和AI算法的图像解码，成功实现了无需DNA扩增的多重、超灵敏检测，极大地简化了检测流程，并提高了检测的准确性和稳定性。

d-MAGIC平台的创新之处在于其多重检测能力和抗干扰性能。通过CbAgo的两步切割反应，平台能够精确切割目标DNA，并生成新的引导链用于进一步的特异性切割。这种机制不仅提高了检测的特异性，还避免了传统CRISPR-Cas系统的非特异性切割问题。此外，磁珠作为信号载体，能够通过荧光编码实现多重检测，并通过AI算法对荧光图像进行解码，简化了传统数字检测的复杂流程。AI算法“Panda”不仅能够准确分类、分级和计数磁珠，还能根据荧光强度进行定量分析，进一步提高了检测的灵敏度和准确性。

在实际应用中，d-MAGIC平台展示了广泛的检测范围和低至6 CFU/ml的检测限，能够快速、准确地检测食品中的多重病原体。通过对实际食品样本（如虾、鸡蛋和鸡肉）的检测，d-MAGIC平台与qPCR方法的结果具有良好的一致性，表明其在食品安全领域的巨大应用潜力。此外，d-MAGIC平台在复杂样本中的优异表现，进一步证明了其在食品安全风险评估中的可靠性。

展望未来，d-MAGIC平台的应用前景不仅限于食品安全领域，还可以扩展到临床核酸检测、环境监测等多个领域。随着AI技术的不断发展，d-MAGIC平台的解码算法有望进一步优化，提高检测的效率和准确性。此外，未来的研究可以探索将d-MAGIC平台与便携式设备结合，实现现场快速检测，为食品安全和公共卫生提供更加便捷的解决方案。

总之，d-MAGIC平台通过结合CbAgo的精确切割能力、磁珠的荧光编码技术和AI算法的图像解码，成功实现了无需DNA扩增的多重、超灵敏检测，为食品安全风险评估提供了强有力的工具。随着技术的不断进步，d-MAGIC平台有望在食品安全、临床诊断和环境监测等领域发挥更大的作用，为全球公共卫生安全做出重要贡献。