MALDITOFMS技術在臨床微生物實驗室中的應用前景

質譜技術在臨床微生物實驗室中的應用前景

引言

自20世紀80年代起, 質譜技術就已經成為科學研究中用于蛋白分析的強大工具。隨著技術的不斷成熟和廣泛使用, 其在微生物檢驗常規診斷中的作用越來越受到關注, 基質輔助激光解析電離飛行時間質譜技術(matrix-assisted laser desorption/ionization-time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)已經進入臨床微生物實驗室用于病原菌鑒定, 與傳統的表型鑒定及分子生物學技術相比, MALDI-TOF MS快速、準確、成本低廉。本刊本期集中刊登“ 質譜技術在臨床微生物檢驗中的應用” 專題, 旨在使臨床和實驗室工作者對其有一個全面的認識和了解。

一、MALDI-TOF MS目前的應用現狀

傳統的細菌鑒定流程通常是:根據細菌在不同培養基上的生長情況和菌落形態, 應用一些簡便、快速的試驗如革蘭染色、觸酶、氧化酶等進行初步分類, 然后通過手工生化試驗或自動鑒定系統等來完成鑒定^[1, 2]。雖然有些試驗幾分鐘即可完成, 但大部分情況下, 完成常規細菌鑒定至少需要8~18 h或更長的時間(如苛養菌)。分子生物學如聚合酶鏈反應(polymerase chain reactuin, PCR)、DNA 芯片、微陣列技術等方法雖然敏感性高, 但費用高昂, 且對操作人員、設備和環境有較嚴格的要求, 不適合常規應用。MALDI-TOF MS是將完整的病原菌細胞(intact-cell, IC)直接進行檢測, 無需蛋白提純, 樣本準備很簡便, 也有人稱之為 IC MALDI-TOF MS。許多研究表明, IC MALDI-TOF MS敏感性很高, 可以區分表型相似甚至相同的菌株, 提供屬、種、型水平的鑒定。目前報道使用質譜進行微生物鑒定方面的問題主要集中在質譜數據庫容量和有些特定種屬無法明確區分上。

二、質譜專題收錄論文的主要內容

此次專題共刊登1篇綜述和4篇論著。綜述文章“ MALDI-TOF MS在臨床微生物檢驗中的應用” , 從MADLI-TOF MS的基本原理、在微生物鑒定中的應用、在科研中的應用等三方面比較全面地介紹了目前MALDI-TOF MS在臨床微生物實驗室應用的現狀及前景。質譜技術對以葡萄球菌和鏈球菌為代表的革蘭陽性球菌鑒定到種水平的準確率> 99%, 對腸桿菌科細菌鑒定到種水平的準確率為96.60%, 非發酵菌為98.75%, 結核分枝桿菌為94.90%, 非結核分枝桿菌為94.60%, 對以擬桿菌屬為代表的厭氧菌可以達到97.50%, 以酵母菌為主的真菌為97.30%。對臨床常見分離菌鑒定到種水平的準確率很高, 使質譜技術在臨床微生物實驗室中得到廣泛應用。另外, 從陽性血培養和尿液樣本中直接鑒定病原菌作為一個研究方向也在大量的研究嘗試之中, 尚未完全應用于常規鑒定。利用特異峰值的分析對耐藥基因、血清分型、毒力等的研究也在不斷進行中。

本專題中“ MALDI-TOF MS在中段尿樣本細菌直接檢測中的應用” 一文, 應用MALDI-TOF MS快速、直接檢測中段尿樣本中的細菌, 嘗試建立中段尿快速細菌檢測和鑒定方法。其結論與國外相關研究相似:涂靶板之前必須將尿液樣本進行離心處理; 較高的細菌計數可以提高鑒定到種的正確率; 如果是2種以上細菌混合感染, 鑒定結果是否正確取決于2種細菌的比例。該方法可比常規尿培養鑒定方法提早40 h左右報告鑒定結果。

血流感染是一種嚴重的感染性疾病, 當血培養瓶報告陽性時, 微生物實驗室只能給臨床醫師暫報涂片結果, 較快明確病原菌是微生物實驗室亟待解決的課題。目前國內、外很多學者嘗試分子生物學方法如實時熒光定量PCR以及其它一些快速方法如微陣列技術、雜交探針、流式細胞術等直接從血培養陽性瓶中鑒定細菌。近幾年還有一些研究使用MALDI-TOF MS直接從陽性瓶中鑒定細菌。該方法首先最重要的一步是將細菌從細胞組分中分離出來, FERRONI等^[3]在樣本中環節做了很大的改進, 血培養瓶報陽性后, 應用溫和去污劑裂解細胞膜, 這一步只需要幾分鐘, 從而使整個鑒定過程縮短到不足30 min。本專題中“ 分離膠促凝管聯合 MALDI-TOF MS直接檢測血培養陽性細菌” 一文, 采用分離膠促凝管預處理方法, 其優點是成本低廉, 速度快(平均15 min/樣本), 安全性好, 沒有過多的轉移、洗滌等工序, 不容易引起氣溶膠等生物安全風險。缺點是純度不佳, 由于沒有額外的洗滌步驟, 最終得到的菌體富集物始終還是含有部分細胞碎片, 其對革蘭陽性菌和革蘭陰性菌的檢出率分別為80.10%和86.90%; 聯合法對念珠菌的檢出率較低, 僅為22.20%, 還有進一步提升和改進的空間, 期待通過方法學的改進使質譜技術直接實時鑒定血培養陽性瓶中細菌成為可能。

有學者將MALDI-TOF MS 與其它方法做比對進行細菌鑒定, 得出的結論是質譜技術對常規分離細菌的鑒定正確率相對于其它方法而言較高。“ Microflex^TM MALDI-TOF MS和Vitek 2 Compact全自動微生物分析系統對腸桿菌科細菌鑒定能力的比較” 一文, 將關注點放在腸桿菌科細菌上, 這2種儀器對細菌種的鑒定符合率分別為97.10%和83.30%, 對于陰溝腸桿菌復合群內的陰溝腸桿菌、霍氏腸桿菌和路德維希腸桿菌, 普通變性桿菌復合群中的普通變形桿菌和潘氏變形桿菌, 液化沙雷菌群中的液化沙雷菌, 小腸結腸耶爾森菌群中的小腸結腸耶爾森菌, 質譜技術通常可以鑒定到種水平, 而后者只能鑒定到群, 印證了質譜技術對于常規分離細菌鑒定到種的正確率較高的結論。

“ 兩種MALDI-TOF MS系統快速鑒定血培養中白念珠菌以外酵母樣真菌” 一文, 比較了2種不同MALDI-TOF MS系統對白念珠菌以外酵母樣真菌的鑒定率, 目前市場上有不同廠家的質譜儀盡管原理相似, 但各有自己的特點, 該文的結論指出Autoflex MALDI-TOF MS 對念珠菌尤其是近平滑念珠菌復合體鑒定的分辨率較高, 但本研究對比的菌株數略少(59株, 包括11種真菌), 結論需要更大、更多樣化樣本的支持。如在LACROIX等^[4]的兩種質譜技術在念珠菌鑒定的研究中, 樣本量達到1 383株, 最終2種方法的鑒定正確率均為98.30%, 相差并不顯著。

本次質譜專題收錄的文章主要涉及到鑒定方法的比對和從血培養陽性及尿液樣本中直接檢測鑒定細菌, 這也是近幾年國內外相關研究的熱點, 我們也期待有更多質譜應用方面的研究, 推動質譜技術在臨床微生物領域的應用范圍進一步擴大。

三、MALDI-TOF MS未來的發展方向

近年來, 越來越多的臨床微生物實驗室開始引入MALDI-TOF MS進行常規樣本的細菌和真菌鑒定, 隨著研究的不斷深入, MALDI-TOF MS的應用領域也將變得越來越廣泛, 主要有3個方面:在流行病學中的應用、從患者樣本中直接檢測病原菌和對耐藥機制的檢測。

(一)流行病學

微生物實驗室、感染控制人員和臨床醫師面臨的挑戰之一是在某個臨床菌株暴發流行時可以得到菌株代表分類的特異數據, 如沙門菌、鏈球菌等, 為了準確得到血清型、亞型或其它分類, 實驗室必須耗費更多的時間做進一步檢測, 而且許多菌株分型需要特殊的試驗方法、儀器、耗材等。因此, 條件有限的實驗室就需要外送做檢測, 可能導致檢測時間延長、丟失重要的流行病學數據、增加檢測費用、結果不準確等。但如果在微生物實驗室內快速、準確完成重要數據的結果將會幫助臨床醫師、護士、感控人員和衛生機構處理、追蹤感染病原菌并掌握其流行狀況。目前, 通過大量菌株的群、屬、種分析, 以及許多菌株分型研究的深入, MALDI-TOF MS所具備的鑒定這些高度相關菌株的能力將使臨床微生物實驗室的影響力提升。將來可能出現更加精密的MALDI-TOF MS儀器, 不但可以鑒定病原菌, 同時可以快速、準確地提供菌株的流行病學數據, 這將使臨床微生物實驗室在醫院感染控制、病原菌暴發、耐藥菌國家監測及生物防御等領域扮演重要角色。

(二)MALDI-TOF MS直接從患者樣本鑒定細菌

因為不需要對目標物質進行擴增以及其鑒定病原菌的高敏感性, MALDI-TOF MS直接從樣本中檢測細菌的能力可能取代PCR。通過對這些患者樣本處理方法的改良, 主要包括去除蛋白、核酸、細胞碎片等可以影響分析的組分, MALDI-TOF MS直接從樣本中進行細菌鑒定的能力會進一步提高。以下是直接從不同樣本類型中鑒定的報道。

1.尿液樣本

目前的研究表明, 對于計數> 10⁵的尿液樣本, 通過低速離心去除細胞碎片和白細胞, 高速離心得到細菌, 再用甲酸和乙腈處理得到蛋白用于質譜分析, 鑒定準確率> 90%^[5, 6]。存在的問題是MALDI-TOF MS尚不能對混合感染的尿液進行準確鑒定; 沒有標準化的尿液前期處理流程。而上述的處理流程是目前被證實較簡便、快速且保證質譜鑒定準確的方法^[6, 7]。總之, MALDI-TOF MS在單一細菌的尿液樣本中直接檢測具有很強大的、準確的鑒定能力。

2.腦脊液

細菌性腦膜炎是臨床最嚴重的感染之一, 快速、準確的檢測非常重要, 目前通過MALDI-TOF MS直接檢測腦脊液細菌的研究較少, 有一份報道肺炎鏈球菌引起的腦膜炎, 前期處理流程與尿液樣本相似^[8]。

3.血培養陽性瓶中直接鑒定

目前有許多從陽性血培養瓶中準確鑒定病原菌的方法, 但由于使用的軟件不同, 血培養瓶(培養系統)不同, 因此, 無法客觀地比較這些方法的優劣。有的研究認為提取細胞蛋白優于完整細胞分析, 無碳顆粒的血培養瓶會得到準確的鑒定率, 而含有碳顆粒的血培養瓶則結果不好^{[9, 10, 11, 12]}。總之, 從血培養瓶中直接檢測細菌和真菌可以顯著地縮短鑒定時間^[13, 14], 隨著研究的深入, 這些檢測方法也會進一步改進, 以獲得更方便可行的操作和更高的敏感性, 提高革蘭陽性菌及念珠菌等病原菌的檢出能力。

(三)耐藥性檢測

微生物實驗室不但要提供精確的病原菌鑒定結果, 同時還要檢測其敏感性, 為臨床醫生提供治療依據。常規的藥物敏感性試驗方法比較費時, 一些酶聯免疫、凝集等方法只能局限于少數細菌。MALDI-TOF MS可為耐藥基因檢測提供一個很好的平臺, 可以分析幾乎所有的耐藥機制, 目前報道的方法主要基于下列幾種原理:分析抗菌藥物及被修飾后的產物; 分析細胞組分; 分析核糖體DNA甲基化; 檢測突變等。

1.通過抗菌藥物的變化檢測酶活性

如直接檢測β -內酰胺酶活性, 檢測方法基本相似:收集新鮮培養的待測細菌, 與β -內酰胺分子反應后, 用MALDI-TOF MS檢測β -內酰胺分子及其降解產物的特異峰^[15, 16]。有文獻報道通過檢測美羅培南及其降解產物, 證實了30株產IPM-7、VIM-2的銅綠假單胞菌, 產VIM-1、KPC-2、NDM-1的腸桿菌產生碳青霉烯酶, 其敏感性和特異性均超過95%。檢測β -內酰胺酶尤其是碳青霉烯酶的方法已經應用于一些常規實驗室^{[17, 18, 19, 20, 21]}。

2.MALDI-TOF MS直接檢測耐藥決定基團

對多耐藥細菌蛋白組學的研究可以建立耐藥機制相關的主要蛋白指紋圖譜, 最近一種檢測耐萬古霉素腸球菌的方法已經被證實有效。這種方法可以在微生物實驗室用于vanB陽性屎腸球菌的快速檢測^[22]。用MALDI-TOF MS區分耐甲氧西林金黃色葡萄球菌和甲氧西林敏感金黃色葡萄球菌時有一定挑戰, 盡管有相關研究, 但方法需要進一步優化和驗證^[23]。到目前為止, 還沒有一種方法可以檢測其它的如β -內酰胺酶耐藥決定基團的特異性峰值^[24]。

3.分析細胞壁組分

幾乎一半以上的抗菌藥物的作用靶位位于細胞壁上, 因此, 細菌細胞壁在抗菌藥物耐藥中的重要性不言而喻。其它抗菌藥物則需要越過細胞壁屏障到達它們的作用靶點。對革蘭陰性桿菌外膜蛋白的蛋白組學和基因組學研究表明, 膜孔蛋白、外排泵、脂多糖等細胞組分系統主要是通過對不同抗菌藥物泵入和泵出的調節而表現耐藥的^[25]。十二烷基硫酸鈉-聚丙烯酰胺凝膠電泳及2D電泳結合MALDI-TOF MS指紋圖譜可以用來鑒定耐藥和敏感菌株表達水平不同的外膜及周漿蛋白, 建立一個綜合的數據庫來研究各種細胞組分, 在耐藥檢測中發揮不同的作用^[26, 27]。

4. 檢測耐藥機制

MALDI-TOF MS通過分析DNA來檢測耐藥機制, 如可以通過檢測單核苷酸多態性來鑒定SHV-型、TEM-型超廣譜β -內酰胺酶等^[28, 29]。

5.抗菌藥物檢測

MALDI-TOF MS檢測的相對分子質量范圍較大, 而抗菌藥物的相對分子質量通常< 1 000因此, 基質和較高的背景干擾使得這項技術在檢測抗菌藥物時變得復雜。LIN等通過方法學的改進, 目前已成功檢測出水楊酰胺等6種抗菌藥物, 未來這種方法有可能用于耐藥機制及檢測血樣本中的微生物毒素和藥物等^[30]。

隨著質譜數據庫及分析軟件的不斷更新, 所有病原菌鑒定的時間都會縮短。盡管一些方法目前還不能常規應用于微生物實驗室, 但隨著這些檢測方法的不斷優化和標準化, 一定會有廣闊的應用前景。實驗技術不斷發展, 使得臨床微生物實驗室從曾經最慢速服務的實驗室逐步轉變為一個可以快速、準確為患者提供結果的充滿活力的新實驗室。我們相信MALDI-TOF MS在未來一定會在臨床微生物實驗室扮演更重要的角色。