基于mVOCs指纹图快速质谱鉴定菌血症病原体的研究

Early identification of the pathogenic bacteria is critical for successful control of bacteremia, existing bacterial identification methods takes too much times, rapid bacteremia detection method urgently need to be updated. Microbial volatile organic compounds (mVOCs) are a large class of small molecule volatile metabolites produced by bacteria in its biological processes. Previously, we used a new mass-spectrometric technology, which were developed by our team, to detect mVOCs, and successfully identified three strains of cocci based on mVOC fingerprints. In the study, we proposed that the existence of different pathogens characteristic mVOCs fingerprints.We will collect the headspace gas in positive blood culture bottles (take bacterial colony as samples if necessary), extractive electrospray ionization mass spectrometry (EESI-MS) will be applied to detect mVOCs from standard strains and clinical isolates; principal component analysis（PCA） will be performed to obtain molecular markers or mVOC fingerprints of different pathogens; multi-stage tandem mass spectrometry will be used to determine the molecular structure; create mVOC fingerprints gallery of different pathogens; and finally, analysis of the advantage of this method over traditional identification methods in terms of turnaround time. Aims to develop a rapid pathogen identification of bacteremia based on mVOC fingerprints, provide experimental evidence for early symptomatic control bacteremia.

早期明确病原体是临床有效控制菌血症的关键，现有细菌鉴定方法耗时过长，亟待研究快捷准确的新型检测方法。细菌挥发性代谢产物(mVOCs)是细菌在生命活动过程中产生的一大类小分子挥发性产物，我们前期应用自主研发的电喷雾萃取电离质谱（EESI-MS）技术检测mVOCs，并通过mVOC指纹图对三株相似度很高的球菌进行了有效区分。据此我们提出:不同病原菌存在独特的mVOCs指纹图,可通过EESI-MS检测予以快速鉴定。本研究拟采集血培养阳性报警瓶上层气体或菌落，应用EESI-MS等技术检测标准菌株及临床分离株mVOCs，通过主成分分析等获得不同病原菌特征性质谱标志物或mVOCs指纹图，利用多级串联质谱技术确定标志物的分子结构式，建立不同病原菌的mVOCs指纹图库，并分析该方法在周转时间上对于传统细菌鉴定方法的优势。旨在研发一种基于mVOCs指纹图的菌血症病原体快速鉴定新方法，为早期控制菌血症提供依据。

不同病原菌存在独特的VOCs谱，VOCs指纹图的质谱检测可用于血流感染病原体的快速鉴定。本课题应用APCI-MS等质谱技术结合碰撞诱导解离和主成分分析等方法，对临床常见血流感染病原菌和结核分枝杆菌复合群的特异性VOCs标记物或mVOCs指纹图进行了探讨。通过收集可疑菌血症患者和确诊无菌血症患者血培养，同时用标准菌株和临床菌株构建模拟血培养，对血培养上层气体和菌落上层气体行VOCs质谱检测，发现菌血症血培养中各病原菌特异的VOCs与固体培养中相应菌株的VOCs一致，同时明确了各病原菌的VOCs释放规律，初步筛查可能的菌种特异性VOCs信号峰和VOCs谱峰，部分相对特异性的信号可在培养早期（<5h）即可迅速增加；经碰撞诱导解离技术行串联质谱分析，确定了临床常见病原菌的特异生物标志物：如吡咯啉、吲哚和硝基苯酚分别存在于铜绿假单胞菌、大肠埃希菌和念珠菌属中，异戊酸和异丁酸存在于金黄色葡萄球菌中，鲍曼不动杆菌的三甲胺和二甲基乙酰胺信号特异性增强，而肺炎克雷伯菌的硝酸和甘氨酸信号增强；其次，主成分分析可明确的鉴别生物学特性上相似的多种葡萄球菌、多种阴性杆菌和念珠菌。此外，本课题进一步确定了结核分枝杆菌复合群的特异性标记物烟酸甲酯，且在培养第9天，肉眼可见菌落之前即可检出；对VOCs谱经主成分分析可准确鉴别结核分枝杆菌复合群与多种在生物学特性和临床感染上相似的菌属。综上所述，本研究在基于mVOCs指纹图的病原菌快速质谱鉴定方面奠定了扎实的工作基础，为菌血症病原菌的快速诊断提供重要的实验室依据。本项目资助发表SCI论文5篇，中文核心论文3篇。培养硕士生3名，均已取得硕士学位。项目投入经费47万元，支出410047.76万元，各项支出基本与预算相符。剩余经费59952.24万元，剩余经费计划用于本项目研究后续支出。