用于临床感染细菌精准快速鉴定的新型微流控器件-质谱仪

Bloodstream infections (BSI) rank among the most serious causes of morbidity and mortality in hospitalized patients. The high mortality rate is mainly caused by the difficulty in identifying infected bacteria quickly and accurately using the current blood culture method, which is still regarded as the “Gold Standard” for clinical BSI diagnosis. Therefore, it is highly important to develop a new method for fast and accurate clinical diagnosis of infected bacteria. In this proposal, we plan to develop a method combining the sensitive extraction of bacteria from patients’ blood by microfluidic devices with the identification of bacteria by mass-spectrometry-based bioinformatics. Using such a method, we can avoid the blood culture step, which is usually time-consuming and presents low positive rate. The identification relies on mass spectrometry and bioinformatics, thereby avoiding the reliance on personal experiences of medical staff. In this proposal, we aim at promoting the China domestic production of microfluidic device and mass spectrometry equipment for bacteria identification. In summary, the objective of this project is to identify at least 100 species and 300 strains of clinical pathogens by using the device.

血液感染是住院患者最主要的致病和致死因素之一，其高致死率主要源于当前的临床诊断金标准血液培养法无法快速精准地鉴定感染细菌种类，因此发展用于临床感染细菌精准快速鉴定的新方法对于菌血症的治疗、挽救病人生命具有重大意义。本申请拟开发用于高灵敏度捕获血液及其他体液中细菌的微流控器件及细菌鉴定的质谱和生物信息学方法，绕开细菌培养这一耗时长、阳性率低的过程，实现临床细菌感染种类的直接精准鉴定，推动高端精密微流控器件-质谱仪的国产化。同时，该方法以质谱鉴定和生物信息学数据分析为基础，避免了传统诊断方法高度依赖医疗从业人员个人经验的弊端。在该项目框架下，我们拟实现高准确性地诊断至少100种、300株临床常见致病菌。

临床病原体检测在感染性疾病诊断、用药指导、医院感染控制、抗菌药物管理等多方面均扮演着不可或缺的重要角色。但是传统的微生物检测、鉴定方法仍停留在分离培养形态观察、生化鉴定和血清学分型水平上，检测结果存在不同程度的滞后性和不准确性，因此发展用于临床感染病原体快速、高通量、高灵敏的检测新方法对于临床治疗具有重大意义。.本项目旨在开发用于高效捕获临床样本中病原微生物的微流控新器件、高灵敏度的质谱技术、高准确性的微生物鉴定生物信息学算法和临床常见致病菌的质谱指纹图谱数据库，实现用于病原体快速、高通量、高灵敏度检测的微流控芯片-质谱联用方法。.目前，项目组已经顺利完成了项目的既定目标。形成了一套用于病原体捕获的微流控芯片装置、质谱分析病原微生物的方法和谱图数据分析算法，构建了涵盖2522株、799种微生物的1万6千余张质谱指纹图谱数据库用于相关病原菌的鉴定，实现了从血液、尿液等临床样本中直接捕获病原微生物、检测灵敏度达100 CFU/mL。.共发表标注受本项目资助的SCI论文12篇（第一标注11篇），其中影响因子10以上的2篇，5以上的11篇。申请国家发明专利3件，培养硕士研究生3名、博士研究生3名。在项目资助下，项目负责人乔亮研究员取得了一系列科研成果，依托在微生物质谱分析方面的研究成果，于2020年获批国家自然科学基金优秀青年科学基金项目“微生物组质谱分析”和国家自然科学基金面上项目“基于质谱的细菌耐药性快速检测和抗生素最小抑菌浓度快速测量”。.在应用推广上，我们开发了一款专用于微生物质谱数据分析的开源在线工具BacteriaMS（http://bacteriams.com/），可以实现单种和混合细菌的MALDI-TOF质谱数据分析，包括鉴定、聚类、相似性比对、统计验证等功能。与收费商业软件相比，我们的工具更开放，可以兼容不同仪器平台的数据，在混合菌分析和易混菌鉴定上的效果更好。目前已经在德国马普所化学生态研究所、瑞士洛桑联邦理工大学、香港浸会大学、上海长海医院、光明乳业集团乳业生物技术国家重点实验室、上海市食品药品检验所等单位推广应用，解决了各单位在实际工作中遇到的技术难题，得到了大家的认可。