结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法

摘要

本发明涉及一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，在含氘水的液体培养基中孵育细菌，细菌通过自身代谢将氘掺入到新合成的蛋白中，使用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI‑TOF MS)对孵育后的细菌指纹图谱进行表征，获得指纹图谱中发生氘代的峰的峰强(ID)和其未发生氘代的对峰的峰强(IND)，ID/IND反映了细菌代谢的活性；在抗生素存在下，氘掺入会在一定程度上受到抑制，故使用ID/IND值来表征细菌的抗生素敏感性。与现有技术相比，本发明本方法能够在2h内对细菌进行AST，具有较强的可操作性和实用性；且本方法适用于不同细菌，是一种通用的快速AST方法。

权利要求

1.一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：配制抗生素储备液；

S2：通过两倍稀释法将S1中得到的抗生素储备液稀释成一系列的浓度，以此用于快速抗生素敏感性测试，得到配制好的工作液；

S3：在培养容器中对细菌进行培养，将S2得到的工作液加入培养容器中，同时设置增加对照组，对细菌进行孵育；

S4：将孵育好的细菌离心，洗涤，之后将细菌点至MALDI靶板上，在空气中干燥后覆盖上基质溶液；

S5：采用基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱对S4中得到的样品点进行分析，得到孵育后的细菌指纹谱图；

S6：选取氘代蛋白峰D与对应的未氘代的峰ND，将其峰强比值ID/IND作为代谢活性判断依据，同时对比不同浓度对应的代谢活性，以此实现抗生素存在下最小抑菌浓度的测定；

S2中采用的稀释剂为氘水配制的肉汤培养基；

5 5

S3中，将S2得到的工作液加入培养容器中，使得细菌的浓度为5×10 8×10 CFU/mL；

~

S3中对细菌的孵育时间为30 min 120 min。

~

2.根据权利要求1所述的一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，所述培养基中氘水含量大于75 vol%。

3.根据权利要求1所述的一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，S3中所述对照组中不含有抗生素。

4.根据权利要求1所述的一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，S4所述的基质为混合溶液，所述混合溶液包括α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸、乙腈、三氟乙酸和去离子水。

5.根据权利要求4所述的一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，所述混合溶液中乙腈、三氟乙酸和去离子水的体积比为50:2.5:47.5；

所述α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸为饱和溶液。

6.根据权利要求1所述的一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，S6中选取的氘代蛋白峰D与对应的未氘代的峰ND为无旁峰干扰的强峰。

7.根据权利要求1所述的一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，其特征在于，S6中所述ID/IND的比值与细菌新合成的氘代蛋白的量呈正比。

说明书

结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的

快速抗生素敏感性测试方法

技术领域

[0001] 本发明涉及医疗检测领域，尤其是涉及一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析(D2O‑MALDI)的快速抗生素敏感性测试(AST)方法。

背景技术

[0002] 细菌感染是当今世界高发病率和死亡率的疾病之一，给全球公共卫生带来了巨大威胁。最新的研究表明，在全球范围内，由耐药微生物引起的感染的绝对数量在不断增加。
据悉，全球每年死于耐药性细菌感染的有70万人，如果没有实施有效的措施减少耐药性的
传播和发明新的抗生素，在2050年，这个数字将达到1000万。

[0003] 而发展快速、准确的抗生素敏感性测试(AST)方法是解决抗生素耐药性不断增加的关键。当前AST的金标准是在抗生素存在的情况下检测细菌的生长，虽然速度缓慢(从收
到临床样本开始，通常需要2～7天时间，其中包括1～5天的细菌预培养和16～24小时的
AST)，但通过检测可以直接回答抗生素是否抑制病原体生长的关键问题。相比之下，较新的
基因分型方法不能满足通用的AST。

[0004] 作为临床诊断，全基因组测序(WGS)在技术上仍然要求高、成本高、速度慢；并且在持续的抗生素暴露下细菌基因组的复杂性、可变性和持续进化对准确预测易感性以指导患
者治疗提出了严峻的挑战。

发明内容

[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析(D2O‑MALDI)的快速抗生素敏感性测试(AST)
方法，克服临床现有AST方法耗时长的不足以及进一步扩大MALDI‑TOF MS在临床的应用，本
发明实现不同抗生素存在下最小抑菌浓度(MIC)的测定以及细菌代谢活性的检测，其操作
简单、高效、成本低，所需耗材容易获得。

[0006] 对于本技术方案的构思起源是基于单纯的抗生素敏感性测试(AST)以及全基因组测序(WGS)等方法的这些缺点，激发了申请人关注更快表型AST的新方法，例如通过拉曼、红
外和荧光光谱监测细菌的代谢活性反应，以及对微流控芯片中细菌分裂或形态变化进行单
细胞成像等。

[0007] 而本申请在发明历程中正是针对抗生素敏感性测试(AST)的缺陷进行创造性的改进，其中，本申请技术方案所结合引入的MALDI‑TOF质谱技术是一项革新的微生物鉴定技
术，在该技术的推动下，临床微生物的鉴定已经变得更加快速和准确。目前，在临床微生物
实验室中主要将其用于细菌感染诊断中的细菌鉴定环节，然而MALDI‑TOF的引入也使得细
菌感染诊断中的两个部分(细菌鉴定、AST)剥离了，细菌鉴定在MALDI‑TOF进行，而AST需要
在全自动微生物生化鉴定系统(例如：梅里埃VITEK 2 Compact)中进行，且AST需要经过继
代培养，往往滞后于细菌鉴定16h以上。因此，本申请的创造性工作是基于MALDI‑TOF的快速
AST方法，将细菌鉴定和AST两个过程统一起来，以此加速细菌感染诊断的整个过程，在早期
就能指导临床医生用药，从而进一步减少临床上广谱抗生素的使用，限制耐药性的传播。

[0008] 基于上述发明的构思历程，本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0009] 本发明中结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析的快速抗生素敏感性测试方法，包括以下步骤：

[0010] S1：配制抗生素储备液；

[0011] S2：通过两倍稀释法将S1中得到的抗生素储备液稀释成一系列的浓度，以此用于快速抗生素敏感性测试，得到配置好的工作液；

[0012] S3：在培养容器中对细菌进行培养，将S2得到的工作液加入培养容器中，同时设置增加对照组，对细菌进行孵育；

[0013] S4：将孵育好的细菌离心，洗涤，之后将细菌点至MALDI靶板上，在空气中干燥后覆盖上基质溶液；

[0014] S5：采用基质辅助激光解吸离子化飞行时间质谱对S4中得到的样品点进行分析，得到孵育后的细菌指纹谱图；

[0015] S6：选取氘代蛋白峰D与对应的未氘代的峰ND，将其峰强比值ID/IND作为代谢活性判断依据，同时对比不同浓度对应的代谢活性，以此实现抗生素存在下最小抑菌浓度的测
定。

[0016] 进一步地，S2中采用的稀释剂为氘水配制的肉汤培养基。

[0017] 进一步地，所述培养基中氘水含量大于75vol％。在一定时间内，氘水浓度越大氘掺入越明显，要实现较好的测试效果需要使得氘水含量大于75vol％。

[0018] 进一步地，S3中，将S2得到的工作液加入培养容器中，使得细菌的浓度为5×105～5
8×10CFU/mL。

[0019] 进一步地，S3中对细菌的孵育时间为30min～120min。

[0020] S3中所述对照组中不含有抗生素。

[0021] 进一步地，S4中孵育温度与细菌的种类有关，具体实施时根据具体细菌的适宜温度进行调整。

[0022] 进一步地，S4所述的基质为混合溶液，所述混合溶液包括α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸、乙腈、三氟乙酸和去离子水。

[0023] 进一步地，所述混合溶液中乙腈、三氟乙酸和去离子水的体积比为50:2.5:47.5；

[0024] 所述α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸为饱和溶液。

[0025] 进一步地，S6中选取的氘代蛋白峰D与对应的未氘代的峰ND为无旁峰干扰的强峰。

[0026] 进一步地，S6中所述ID/IND的比值与细菌新合成的氘代蛋白的量呈正比。

[0027] 与现有技术相比，本发明具有以下优势：

[0028] 1)本发明方法创新地使用氘水培养结合MALDI‑TOF MS分析的方法来进行AST，可以快速监测到细菌通过代谢进行氘掺入的过程，进一步确定细菌的代谢活性，因此可以检
测在抗生素存在下细菌的代谢活性及MIC。

[0029] 2)经检验本方法对于多种细菌的AST均能进行有效测定，所得结果与临床金标准——微量肉汤稀释法的结果一致。

[0030] 3)本技术方案拓宽了MALDI‑TOF MS在临床微生物实验室中的应用，并实现了不需要平台转换就能快速完成细菌鉴定和AST过程，具有较强的可操作性和实用性，具有大规模
推广的前景。

附图说明

[0031] 图1：本发明中快速抗生素敏感性测试方法的基本流程示意图。

[0032] 图2：在不同孵育时间下，氘水肉汤培养基中大肠杆菌ATCC 25922的质谱图。

[0033] 图3：在不同孵育时间下，ID/IND的比值变化。

[0034] 图4：不同浓度氯霉素下大肠杆菌ATCC 25922的氘掺入情况。

[0035] 图5：不同浓度庆大霉素下大肠杆菌CICC 10663的氘掺入情况。

具体实施方式

[0036] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

[0037] 实施例1

[0038] 本实施例提供一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析快速测定大肠杆菌氯霉素敏感性的方法，包括以下步骤：

[0039] 含氘水培养基的配制：按购置的肉汤培养基的说明，称取一定量的培养基干粉，加到一定体积的氘水中，进行高压灭菌。

[0040] 氯霉素储备液的配制：遵照EUCAST标准试验方法。

[0041] 工作液的配制：遵照EUCAST标准试验方法，稀释液为氘水配制的肉汤培养基。

[0042] 吸取大肠杆菌(ATCC 25922)的培养液，由紫外分光光度计确定其浓度，经过稀释后加入到工作液中。操作如下：

[0043] 离心重悬：取1毫升细菌悬液，12.000g，离心2分钟，弃上清。重悬于1毫升氘水配制的肉汤培养基。

[0044] 稀释：用氘水配制的肉汤培养基将上述离心重悬的细菌稀释到1×106～1.6×6
10CFU/mL。

[0045] 加样：各吸取500微升不同浓度工作液分别加到微量稀释板的孔中(加一组对照：不含抗生素的氘水肉汤培养基)，再各吸取500微升的稀释好的细菌悬液分别添加到含工作
液的孔中及对照组孔中。

[0046] 孵育：将加好样的微量稀释板在37℃的摇床中孵育30min。

[0047] 洗涤：将孵育好的菌悬液离心、洗涤，重悬于10微升去离子水中，。

[0048] 基质溶液的配制：称取10毫克的α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸加入到1毫升50％的乙腈，2.5％三氟乙酸和47.5％去离子水(v/v)的混合溶液中。

[0049] 点样：取2微升重悬的菌液点于靶板，空气中晾干，覆盖上基质。

[0050] MALDI‑TOF MS质谱检测：仪器条件：线性正离子模式，离子加速电压20kV，离子延迟提取时间150ns，激光强度52％。

[0051] MALDI‑TOF MS分析一：在不添加氯霉素的氘水培养基中孵育大肠杆菌ATCC 25922，经不同时间孵育的细菌质谱图(质荷比：4150～4250)及ID/IND统计见图2、图3。

[0052] MALDI‑TOF MS分析二：不同氯霉素浓度下大肠杆菌ATCC 25922，经30分钟孵育的ID/IND结果统计见图4。

[0053] 对于质谱结果的解读：其中图2为质谱图，图3、4中的柱状图的纵轴反映的是ID/IND。图2、图3说明随着时间增加，大肠杆菌新合成的氘代蛋白逐渐增多，并在一定时间达到
饱和；图4显示出大肠杆菌ATCC 25922在氯霉素浓度为4mg/mL及大于4mg/mL时，代谢受到明
显的抑制，这个浓度与微量肉汤稀释法测得的MIC一致。

[0054] 上述实施例通过不同浓度氯霉素下大肠杆菌敏感性快速测试进行举例说明。

[0055] 实施例2

[0056] 本实施例提供一种结合氘水培养和基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱分析快速测定大肠杆菌庆大霉素敏感性的方法，包括以下步骤：

[0057] 含氘水培养基的配制：按购置的肉汤培养基的说明，称取一定量的培养基干粉，加到一定体积的氘水中，进行高压灭菌。

[0058] 庆大霉素储备液的配制：遵照EUCAST标准试验方法。

[0059] 工作液的配制：遵照EUCAST标准试验方法，稀释液为氘水配制的肉汤培养基。

[0060] 吸取大肠杆菌(CICC 10663)的培养液，由紫外分光光度计确定其浓度，经过稀释后加入到工作液中。操作如下：

[0061] 离心重悬：取1毫升细菌悬液，12.000g，离心2分钟，弃上清。重悬于1毫升氘水配制的肉汤培养基。

[0062] 稀释：用氘水配制的肉汤培养基将上述离心重悬的细菌稀释到1×106～1.6×6
10CFU/mL。

[0063] 加样：各吸取500微升不同浓度工作液分别加到微量稀释板的孔中(加一组对照：不含抗生素的氘水肉汤培养基)，再各吸取500微升的稀释好的细菌悬液分别添加到含工作
液的孔中及对照组孔中。

[0064] 孵育：将加好样的微量稀释板在37℃的摇床中孵育30min。

[0065] 洗涤：将孵育好的菌悬液离心、洗涤，重悬于10微升去离子水中，。

[0066] 基质溶液的配制：称取10毫克的α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸加入到1毫升50％的乙腈，2.5％三氟乙酸和47.5％去离子水(v/v)的混合溶液中。

[0067] 点样：取2微升重悬的菌液点于靶板，空气中晾干，覆盖上基质。

[0068] MALDI‑TOF MS质谱检测：仪器条件：线性正离子模式，离子加速电压20kV，离子延迟提取时间150ns，激光强度52％。

[0069] 对于质谱结果的解读：图5显示出大肠杆菌CICC 10663在庆大霉素浓度为16mg/mL及大于16mg/mL时，氘代蛋白的合成受到明显的抑制，这个浓度与微量肉汤稀释法测得的
MIC一致。

[0070] 上述实施例通过不同浓度庆大霉素下大肠杆菌敏感性快速测试进行举例说明，本发明不局限于大肠杆菌‑氯霉素、大肠杆菌‑庆大霉素这两种细菌‑抗生素对，同样适用于其
它各种菌类对应抗生素敏感性快速测试。

[0071] 以下通过现有技术中的技术方案与本实施例中的技术方案进行对比，以此突出本发明的创新性。

[0072] 对比例1

[0073] CN107085034A公开了MALDI‑TOF MS鉴定宋内志贺菌的新方法，提供了一种用于区分待测菌株为宋内志贺菌还是其他细菌的鉴定方法，包括基质辅助激光解吸电离飞行时间
质谱检测仪器、基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测仪器试剂和可读载体的应用；所
述可读载体记载如下条件：若待测菌株经过MALDI‑TOF MS检测得到的蛋白峰中含有质量电
荷比分别为5612.81±8.7、4871.12±45.9、4164.03±26和3247.05±6.9全部四个特征蛋
白峰，则待测菌株为或候选为宋内志贺菌。

[0074] 上述公开的方案主要在于鉴定细菌，本方案的目的是检测细菌的耐药性。相较于该技术方案，本技术方案很大程度上拓宽了MALDI‑TOF MS在临床的应用范围。目前临床微
生物实验室仅使用MALDI‑TOF MS鉴定细菌，而耐药性测试需要在全自动微生物生化鉴定系
统(例如：梅里埃VITEK 2 Compact)中进行。本方案的实施，使得细菌鉴定和耐药性测试可
以在同一台仪器、同一天内完成，大大缩短了耐药性测试所需的时间，加速了临床检测报告
的出具，能够更早、更好地指导临床医生精准用药。

[0075] 对比例2

[0076] CN110031576A公开了一种能够检测产四环素类抗生素降解酶细菌的质谱方法，包括以下步骤：S1.细菌与药物共培养：将待测细菌进行培养，得到培养液，并加入四环素类抗
生素标准品溶液(四环素类抗生素的终浓度为140～160μg/mL)，混匀后30～40℃条件下孵
育6～10h；S2.样品前处理：将孵育好的共培养物离心，吸取上清液，在靶板上进行点靶，自
然晾干，随后用α‑氰基‑4‑羟基肉桂酸覆盖并再次自然晾干；S3.样品的测定和数据分析：将
步骤S2中经过点靶后的靶板采用质谱法进行检测，分析质谱范围依四环素类抗生素的种类
而定。

[0077] 上述已公开的方案是通过检测细菌对四环素类抗生素的降解来确定细菌对四环素类抗生素的耐药性。本方案通过观测细菌合成蛋白的氘代情况确定细菌的生长活性。相
较于该技术方案，本技术方案是一种更为通用的细菌耐药性检测方法，能够对不同类型的
抗生素进行检测。同时，本方案还可以给出供临床上参考的MIC值，而不是仅仅提供细菌对
某类药物的抗性特征。

[0078] 上述的对比实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的
一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，
本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发
明的保护范围之内。