细菌感染往往需要快速处理,如果能及时诊断并使用最有效的抗生素治疗细菌感染患者,效果最好。但是,目前确定哪种抗生素将杀死病原体的实验需要几天才能出结果,因此,患者在等待诊断的同时,通常会被开具广谱抗生素。据美国疾病控制与预防中心(CDC)最新发布的《抗生素耐药威胁报告(2019年)》显示,抗生素的过度使用导致了耐药性微生物的出现,美国每年发生280余万例耐药菌感染,导致3.5万例死亡。


新方法可快速找到治疗细菌感染的最佳抗生素 4小时内出结果

图片来源:Broad Institute of MIT


麻省理工学院布罗德研究所(Broad Institute of MIT)、哈佛大学和麻省总医院(Massachusetts General Hospital, MGH)的科学家开发了一种新的诊断方法,能让医生在数小时内而不是数天内准确找到最佳抗生素。这种快速检测方法有望应用于任何细菌感染的抗生素检测。相关研究成果发表在11月25日的《Nature Medicine》杂志上。


新方法可快速找到治疗细菌感染的最佳抗生素 4小时内出结果

论文截图


哈佛医学院和MGH该研究的负责人Deborah Hung表示:“能够快速、准确地找到最佳抗生素将极大地改善感染患者的护理,同时确保大家能够正确而高效地应用抗生素。”


两种方法胜过一种


目前抗生素敏感性试验(AST)的传统“表型”方法是,从病人身上进行细菌取样,然后在有多种抗生素的培养皿中培养,观察哪种药物可以抑制细菌的生长。这些基于生长的化验是准确的,但是需要几天才能得到结果。较新的抗生素抗性基因方法是在细菌DNA中寻找已知的能产生耐药性的突变,这种方法速度更快,但准确性更低,因为耐药性可能来自检测中没有包括的基因突变。


布罗德研究所等开发的新的诊断方法,称为通过RNA检测的基因型和表型AST(即GoPhAST-R),结合了这两种方法的优点,可以4小时内提供结果。


在研究中,研究人员发现,在接触抗生素几分钟后,培养皿中培养的同种细菌的耐药性和药物敏感性显示出不同的信使RNA (mRNA)表达模式,反映了它们基因活性的差异。科学家们借助机器学习算法,来识别最能区分药物敏感性和耐药菌的mRNA转录因子。然后,GoPhAST-R使用这些转录因子对药物敏感性未知的样品进行分类。 通过寻找药物敏感性的信使RNA,该测试可以快速识别一个生物体对某些药物的敏感性,而不受潜在抗药性遗传因素影响。


该方法还分析mRNA转录序列,以揭示细菌是否携带已知会引起耐药性的关键基因。将这种基因型数据与基于表型表达数据相结合,可以提升GoPhAST-R的性能。科学家们发现,在对细菌菌株进行分类时,新方法的准确度为94%至99%。


检测速度更快


研究人员证明,GoPhAST-R可以识别出临床常用的三种主要抗生素类别——卡巴培南、氟喹诺酮和氨基糖苷的敏感性;以及五种常见具有耐药性的病原体——大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、鲍曼不动杆菌、金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的敏感性。他们证明了该检测方法的临床应用潜力,使用GoPhAST-R快速测定了来自MGH微生物临床实验患者样品中病原体对环丙沙星敏感性。


为了使GoPhAST-R的运行速度更快,该团队与一家名叫NanoString的生物技术企业合作,使用其下一代RNA检测平台NanoString Hyb&Seq。与标准临床实验室方法需要28-40小时相比,该仪器允许GoPhAST-R在血液培养检测出细菌后4小时内测出抗生素敏感性。


该实验领导者Bhattacharyya表示:“如果将其用于临床,GoPhAST-R能有助于改变传染病的诊断和治疗,同时有助于防止耐药性超级细菌的进一步出现和传播。”


论文链接:Roby P. Bhattacharyya et al. Simultaneous detection of genotype and phenotype enables rapid and accurate antibiotic susceptibility determination, Nature Medicine (2019)。 DOI: 10.1038/s41591-019-0650-9


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