Blood culture-free ultra-rapid antimicrobial susceptibility testing
免血培养超快速抗生素敏感性试验
论文信息：Tae Hyun Kim, Junwon Kang, Haewook Jang, Hyelyn Joo, Gi Yoon Lee, Hamin Kim,Untack Cho, Hyeeun Bang, Jisung Jang, Sangkwon Han, Dong Young Kim, Chan Mi Lee,Chang Kyung Kang, Pyoeng Gyun Choe, Nam Joong Kim, Myoung-don Oh, Taek Soo Kim, Inho Kim, Wan Beom Park & Sunghoon Kwon
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-024-07725-1
主讲人：聂准，2024年12月29日
研究背景
1.感染与脓毒症的临床重要性
细菌感染若未能及时识别和治疗，可能会进展为脓毒症或脓毒性休克，这些是全球主要的死亡原因之一。全球每年脓毒症影响超过4000万人，死亡率高达20-50%，且在美国，脓毒症的经济负担约为250亿美元。
2.脓毒症的治疗与预后
脓毒症的治疗效果严重依赖于治疗的及时性。早期启动靶向抗微生物治疗被视为改善临床预后的关键因素，且及时的抗生素治疗能够显著提高患者的存活率。
3.抗生素敏感性测试（AST）在治疗中的挑战
目前，用于选择最佳抗生素治疗方案的AST流程非常耗时，通常需要至少2-3天的周转时间（TAT）。因此，临床医生往往需要在等待AST结果的同时，先行使用经验性广谱抗生素治疗。在初期治疗阶段，由于缺乏及时的药敏结果，往往会导致不适当的药物处方，这可能影响患者的存活。
4.现有药敏试验的局限性
传统的肉汤稀释方法依然是主流技术，这些方法需要较长的时间来完成，且依赖于血培养步骤来放大病原体数量。尽管新兴的技术（如微流控、纳米阵列、单细胞分析等）已被提出用于加速AST，但病原体数量低、血液成分干扰等问题仍然限制了其广泛应用。血培养与其局限性血液样本中的微生物负荷极低，远低于血细胞的数量，因此血培养步骤（BC）是关键环节，用于放大病原体的数量，为后续的病原物种鉴定和AST提供基础。然而，血培养的周期较长，且难以进一步缩短，因此其仍然是AST过程中不可或缺的一部分。
5.基因组学方法与表型方法的局限性
虽然基于基因组的抗生素敏感性检测（如PCR、基因组测序等）为快速诊断提供了可能，但这些方法通常面临灵敏度不足的问题，尤其在低细胞数和血液成分干扰的情况下。此外，遗传抗药性与表型耐药性不总是存在相关性，因此基因组方法并不能完全替代表型的敏感性测试。
研究内容
1.实验方案优化
2.使用不同种类和浓度的细菌，鉴定sβ2GPI纳米颗粒捕获率
3.使用37种不同细菌通过QmapID平台得到认证
4.进行低通量药敏试验测定
要点：
β2糖蛋白I肽能够特异性地与病原体结合，从而使得病原体可以从血液中分离出来，避免了传统血培养步骤中所需的长时间培养。这种策略不仅提高了病原体回收的效率，也加速了AST的流程。使用形状编码的微盘和单链DNA探针，能够在3小时内验证细菌特异性基因的存在。
作者采用了一种低接种量的AST芯片，这种低接种量芯片的应用使得在微生物负荷较低的情况下，仍能够进行有效的最小抑制浓度（MIC）测定和敏感性分析，从而提高了AST的效率和准确性。为了自动化敏感性/中介/抗性（SIR）决策，作者开发了一种新型的图像处理算法，减少了手动评估所需的时间，并提高了测试的准确性。实时物种鉴定与药物敏感性表型评估的结合该平台能够在同一流程中同时完成微生物物种鉴定和药物敏感性表型评估。该方法显著减少了药物敏感性结果的周转时间，理论上减少了40-60小时的时间，大大提升了临床治疗的及时性。
在临床验证方面，该研究招募了190名疑似感染的住院患者，结果表明该平台在物种鉴定方面实现了100%的匹配率，且在回顾性AST测试中，6例临床分离菌株的分类一致性达到了94.90%。这些结果证明了该平台在实际应用中的高准确性和可靠性，显示了其在临床环境中潜在的应用前景。与现有医院AST工作流程相比（通常需要48-72小时），该平台的理论周转时间为13 ± 2.53小时，该平台的显著时间优势能够帮助临床医生更快做出抗生素治疗决策，对提升患者预后具有重要意义。通过采用该超快速AST方法，临床医生能够迅速获得患者病原体的药物敏感性信息，从而减少不必要的经验性治疗，避免抗生素滥用，提升治疗效果，并降低患者死亡风险。
总结与展望：
作者提出了一种基于表型的超快速药敏试验（uRAST）平台，能够直接从患者的全血中进行抗生素敏感性分析，避免了对血液培养的需要。此外，我们还引入了一种高灵敏度、无血培养的菌种鉴定平台(QmapID)，可在其工作流程中提供同步的物种信息，这对于精确的药敏试验结果的解释至关重要。与商业化的、基于医院的药敏试验方法相比，该方法在理论上将减少40-60小时以上的周转时间，使抗生素处方能快速获得。最后，作者通过设计了一项临床研究，并将该技术应用于总共190名住院的疑似感染患者进行验证。
