血流感染（BSI）是危及人類(lèi)生命健康的全身性感染疾病，可導致菌血癥、敗血癥和膿毒癥，嚴重者可引起休克、彌散性血管內凝血(DIC)、多臟器功能衰竭乃至死亡。以大腸埃希菌和肺炎克雷伯菌(KP)為代表的革蘭陰性菌是血流感染的主要病原體，在中國由大腸埃希菌和肺炎克雷伯菌引起的血流感染超過(guò)50%。
隨著(zhù)抗菌藥物的廣泛應用，碳青霉烯耐藥腸桿菌科細菌（CRE）流行與耐藥形勢嚴峻。碳青霉烯類(lèi)耐藥肺炎克雷伯菌（CRKP）是CRE血流感染的主要致病菌，長(cháng)期處于高水平流行狀態(tài)，耐藥性日趨嚴重，并伴有較高的病死率。在中國CRKP在CRE分離株中的占比為60%~90%，由于多重耐藥菌株的快速傳播、高死亡率以及缺乏有效的抗菌藥物，CRKP所致BSI在臨床治療方面極具挑戰。
當前對CRKP的鑒定主要采用傳統的藥敏試驗，但非常耗時(shí)，需要數天甚至數周，容易延誤臨床治療的時(shí)機，因此，探索一種快速檢測CRKP的新方法具有重要的臨床意義。
研究成果
近日，南昌大學(xué)第二附屬醫院檢驗科胡龍華教授團隊基于氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用（GC-IMS）技術(shù)，通過(guò)測定CRKP和碳青霉烯類(lèi)抗生素敏感的肺炎克雷伯菌（CSKP）在血培養過(guò)程中產(chǎn)生的代謝性揮發(fā)性有機化合物（VOCs）的特異性改變，實(shí)現了對CRKP的快速鑒定，其研究成果發(fā)表在應用微生物領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)期刊AMB Express上（圖 1），為臨床微生物快速鑒定和藥敏試驗提供了一個(gè)新思路。
圖 1 論文《GC-IMS技術(shù)助力在模擬血培養中耐碳青霉烯類(lèi)肺炎克雷伯菌的鑒定》
胡龍華教授團隊基于KP的4種標準菌株和69株臨床分離株展開(kāi)研究，使用相同的血培養條件，所有菌株產(chǎn)生的VOCs分別在氣相色譜離子遷移譜聯(lián)用儀（FlavourSpec®）上檢測，為了觀(guān)察亞胺培南（IPM，一種碳青霉烯類(lèi)抗生素，具有超廣譜、高效能的抗菌活性，對多種病原體所導致的中重度混合感染有明顯的抗菌作用）對CSKP和CRKP的作用，標準菌株在血培養3h后分別加入終濃度為0.25mg/mL的IPM，并設置4個(gè)連續的時(shí)間點(diǎn)分別對菌液進(jìn)行VOCs的檢測。同時(shí)為了探索鑒定產(chǎn)碳青霉烯酶（CBPM）的KP，對CRKP各亞型加入CBPM抑制劑進(jìn)行研究。相關(guān)的實(shí)驗流程圖詳見(jiàn)圖 2：
圖 2 實(shí)驗研究流程圖
經(jīng)過(guò)細菌培養和檢測，總共檢測出54種VOCs（其中6種VOCs同時(shí)檢測到單體和二聚體），包括4種有機酸、3種醇、3種酯、4種酮、2種吡嗪、2種苯衍生物和30種未定性VOCs?？啥ㄐ?/span>VOCs詳見(jiàn)表 1，同時(shí)發(fā)現KP在培養5h后達到指數生長(cháng)期的終點(diǎn)，后續時(shí)間點(diǎn)其VOCs的變化不明顯，因此相應的研究實(shí)驗均在5h（T2）時(shí)間點(diǎn)開(kāi)展。
表 1 KP血培養種檢測到的可定性VOCs
在CRKP和CSKP的鑒定中，在不添加IPM的條件下，通過(guò)檢測標準菌株的VOCs，發(fā)現5種VOCs在兩個(gè)組別種存在顯著(zhù)性差異，相對于CSKP，CRKP的未定性物質(zhì)3#、21#、28#和正丁醇含量增加，而未定性物質(zhì)30#含量減少（圖 3）。之后主成分分析顯示上述5種VOCs可有效地區分CSKP和CRKP（圖 4），但這一差異會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而消失。
圖 3 檢測到的5種VOCs在CSKP和CRKP組間的含量差異
（ATCC BAA-1706為CSKP標準菌株，ATCC BAA-1705/2146/2524為CRKP標準菌株）
為了進(jìn)一步探究IPM對KP的生長(cháng)代謝以及釋放的VOCs的影響，在標準菌株培養3h（T0時(shí)間點(diǎn)）后，加入終濃度0.25mg/mL的IPM，并在后續時(shí)間點(diǎn)檢測對應的VOCs。結果發(fā)現CRKP組的VOCs和未加入IPM前保持了相同的變化趨勢，而CSKP組的VOCs變化較為明顯，相對于CSKP組，CRKP組的3-甲基丁酸（單體、二聚體）、2-甲基丙烯酸（單體、二聚體）、乙酸、丁二酮和3-羥基-2-丁酮的含量顯著(zhù)升高，而苯甲醛二聚體和丁酮的含量顯著(zhù)降低。同時(shí)在未定性的物質(zhì)中，11種VOCs存在上升的趨勢，而2種VOCs存在下降的趨勢（圖 5）。
圖 4 CSKP和CRKP的PCA圖（未加入IPM） 圖 5 CRKP組VOCs相對于CSKP組的變化（加入IPM后）
在CRKP中，最為常見(jiàn)的是產(chǎn)CBPM的KP，為研究VOCs的檢測是否有助于鑒定產(chǎn)CBPM的CRKP，在標準菌株中加入IPM的同時(shí)，分別設置加入/不加入CBPM抑制劑進(jìn)行對照研究，并在后續的時(shí)間點(diǎn)觀(guān)察VOCs的變化情況。以產(chǎn)A類(lèi)碳青霉烯酶KP為例，結果表明，ATCC BAA-1705菌株在加入CBPM抑制劑后，和未加入CBPM抑制劑相比，出現了5種VOCs（苯甲醛二聚體、2,5-二甲基吡嗪二聚體、2-甲基吡嗪二聚體、丁酮和未定性VOCs15#）含量的上升以及13種VOCs（2-甲基丙烯酸單體和二聚體、丙酸單體和二聚體、乙酸、3-羥基-2-丁酮和7種未定性物質(zhì)）含量的下降（圖 6）。通過(guò)PCA分析顯示CBPM抑制劑的加入可鑒定ATCC BAA-1705為A類(lèi)產(chǎn)CBPM的CRKP（圖 7）。與之相似的是，加入CBMP抑制劑后，產(chǎn)B類(lèi)碳青霉烯酶KP（ATCC BAA-2146）的VOCs發(fā)生了特異性改變。
圖 6 ATCC BAA-1705菌株加入CBPM抑制劑后的VOCs變化 圖 7 加入CBPM抑制劑后的標準菌株VOCs的PCA圖
針對臨床分離的菌株，也先后通過(guò)加入IPM進(jìn)行了CRKP的研究，以及加入CBPM抑制劑進(jìn)行對產(chǎn)CBPM的CRKP的鑒定探索。本次研究涉及69例臨床分離株，其中25例CSKP和44例CRKP，在44例CRKP中，包含20例KPC陽(yáng)性株、15例NDM陽(yáng)性株、4例IPM陽(yáng)性株和5例CBPM陰性株。
加入IPM后，相對于CSKP，各亞型的CRKP均出現了部分VOCs的顯著(zhù)性變化（表 2，圖 8）。結果表明IPM的加入可有效地鑒定產(chǎn)CBPM的CRKP，包括KPC陽(yáng)性菌株、NDM陽(yáng)性菌株和IPM陽(yáng)性菌株。
表 2 CRKP臨床分離株加入IPM后相對于CSKP的VOCs變化
圖 8 加入IPM后各亞型CRKP產(chǎn)生的VOCs的變化（相對于CSKP）
針對臨床分離株，通過(guò)VOCs的檢測鑒定產(chǎn)CBPM的CRKP，同標準菌株同樣的實(shí)驗操作方法，以加入B類(lèi)酶抑制劑（DPA）為例，在T2時(shí)間點(diǎn)對VOCs進(jìn)行檢測，結果發(fā)現在加入DPA后，部分VOCs出現了顯著(zhù)的變化，包括KPC陽(yáng)性株出現了4種VOC的升高和8種VOCs的降低；NDM陽(yáng)性株出現了8種VOCs的升高和11種VOCs的降低；相比于NDM陽(yáng)性株，IPM陽(yáng)性株出現了1,2-乙二醇的升高和3-羥基-2-丁酮以及4種未定性VOCs的降低（圖 9）。
圖 9 臨床分離株加入IPM和CBPM抑制劑后的VOCs的變化情況
綜上所述，本研究得到以下的結果：①通過(guò)血培養瓶中VOCs的相對組分檢測，可實(shí)現對KP的鑒定。②在加入IPM后，CSKP和CRKP釋放的VOCs的差異得到了進(jìn)一步證實(shí)，從而發(fā)現了識別和鑒定CRKP的潛在VOCs指標。③CBPM抑制劑的加入使相應菌株中特異性VOCs的組成發(fā)生了明顯的變化，從而為CBPM表型的檢測提供了一種新的方法，為臨床引起BSI常見(jiàn)的KP的鑒定和耐藥性評估開(kāi)辟一種快速的新方法。針對上述的研究結果，后續有待于進(jìn)一步深化研究，開(kāi)展更大規模的臨床多中心驗證以及前瞻性研究。
關(guān)于GC-IMS技術(shù)
氣相色譜-離子遷移譜聯(lián)用（GC-IMS）技術(shù)是將氣相色譜的高效分離與離子遷移譜的痕量快速分析優(yōu)勢相結合，經(jīng)過(guò)二次分離后得到保留時(shí)間、漂移時(shí)間和信號強度的三維譜圖，實(shí)現對各類(lèi)樣品中VOCs的痕量檢測，目前廣泛應用于風(fēng)味、泛環(huán)境和醫學(xué)檢測領(lǐng)域的研究。設備具有高靈敏度、適應性強、操作簡(jiǎn)便、快速分析的特點(diǎn)，相關(guān)的檢測流程示意圖詳見(jiàn)圖 10，本研究對于KP產(chǎn)生的VOCs的檢測操作均在氣相色譜離子遷移譜聯(lián)用儀（FlavourSpec®）上完成。
圖 10 GC-IMS檢測原理流程示意圖
