蘇州醫工所宋一之團隊在細菌感染快速診斷研究中取得進展

作者:宋一之、林愷鋮 時間:2022-05-31

  近期,中科院蘇州生物醫學工程技術研究所宋一之團隊聯合浙江中醫藥大學等,共同開展了基于重水標記的單細胞拉曼光譜技術的伊麗莎白菌屬細菌快速藥敏檢測,相關研究文章發表于Frontiers in MicrobiologyIF=5.64,JCR 1區,中科院 2TOP)。 

  伊麗莎白菌屬細菌(Elizabethkingia spp.)是一類非發酵革蘭陰性桿菌,為醫院內感染的重要病原菌之一。該菌可引起腦膜炎、菌血癥、肺部感染等疾病,易感對象為患基礎疾病、長期使用抗生素及免疫功能低下或缺陷等人群,其呈多重耐藥,是一種目前較為罕見但極具臨床挑戰的感染。因此,快速、準確的分析伊麗莎白菌的耐藥特征,可以為感染的有效控制和臨床合理用藥提供依據。 

  宋一之團隊此前曾提出通過重水標記-拉曼光譜聯用技術(Single cell Raman-DIP)檢測細菌的耐藥特性(Song et al, Scientific Reports, 7(1), 16648),在此基礎上優化該技術方案并建立了一種適用于臨床標本藥敏檢測的完整流程即FRAST(Song et al, Analytical Chemistry, 93(12), 5098-5106)。該技術的原理是:耐藥菌在抗生素作用下會持續代謝重水中的氘元素,通過顯微拉曼光譜可以檢測細菌代謝氘后在胞內合成的含有碳-氘化學鍵的生物大分子,從而使不依賴于培養的單細胞水平的快速藥敏檢測成為現實。近年來國內外多個團隊都開展了重水標記-拉曼聯用技術在病原菌藥敏檢測中的應用研究,但該方法在血液感染標本中的適用范圍,以及對較為罕見的以伊麗莎白菌屬為代表的威克斯氏菌科的病原菌的適用性尚無報道。 

  1展示了FRAST技術判斷伊麗莎白屬細菌耐藥的方法。具有代謝活性的伊麗莎白菌代謝氘元素后,其拉曼光譜中的C-H特征信號(2800-3100 cm-1)有一部分偏移產生C-D信號(2040-2300 cm-1),在拉曼光譜中表現為在2170cm-1波數附近的明顯拉曼峰,通過分析拉曼光譜中C-D峰和C-H峰的比值,即可判斷細菌在不同抗生素條件下的代謝活性,反映細菌藥敏情況,因此這一比值也被作者稱為代謝指數(metabolic index)。圖1展示了菌株FMS-007TZ-3在亞胺培南抗生素作用下的拉曼光譜變化,通過代謝指數可以快速的判斷FMS-007對亞胺培南抗生素的最小抑菌濃度(MIC)大于16μg/mL,TZ-3對亞胺培南抗生素的最小抑菌濃度(MIC)為16 μg/mL,二者均對亞胺培南耐藥。 

   1 亞胺培南作用1h后細胞的拉曼光譜及對應的代謝指數,其中,(A)(C)分別為FMS-007TZ-3的拉曼光譜,(B)(D)為對應的代謝指數。

***P < 0.001;ns:沒有明顯差異。 

  在此前已經報道的重水標記-拉曼的藥敏檢測技術的相關研究中,通常對每種抗生素需要檢測較為完整的濃度梯度序列(通常包含6-8個以上的濃度梯度),因此每種抗生素的拉曼光譜采集和分析時間都較長。在本研究中,科研人員提出僅需檢測菌種的敏感、中介和耐藥的三個折點濃度下的代謝指數是否降至陰性對照的70%以下,即可對其耐藥特征做出準確判斷。這一優化方法在項目組收集的31株伊麗莎白屬細菌中得到驗證。 

  血液感染患者若不能得到正確的救治,往往發展為膿毒癥(sepsis)并嚴重危急生命,因此血液感染對病原菌診斷的時效要求更高。在本研究中,建立了血液樣本的FRAST藥敏檢測流程,當血液中病原菌經增殖培養達到106 CFU/ml后,通過血清分離膠管分離血細胞和細菌后,即可按照重水標記-拉曼光譜方法對分離的細菌進行快速單細胞藥敏檢測。該流程示意圖如圖2所示。 

 2 重水標記-拉曼光譜方法對血液感染進行快速單細胞藥敏檢測的流程 

  結果顯示,FRAST方法可在4小時內獲得血液感染的藥敏結果,且與常規方法基本一致:伊麗莎白屬細菌對米諾環素和左氧氟沙星敏感性較好,可作為伊麗莎白菌屬細菌感染治療的首選藥物。 

  Single cell Raman-DIPFRAST技術提供了一種通過分析細菌單細胞水平的代謝程度判斷耐藥性的方法,跳過了傳統流程中對培養的過度依賴,大大縮短藥敏報告時間,在臨床感染中診斷中具有潛在的廣泛應用價值。 

  論文鏈接:https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmicb.2022.876925/full 

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