基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱在临床微生物鉴定中的应用与维护

作者：陈新飞   侯欣   黄晶晶   宁雅婷   徐英春

临床微生物检验工作是感染性疾病诊断及疗效评估的关键，近年来随着新型检测技术的出现和传统检验技术的革新，临床微生物实验室的常规诊断日益成熟稳定。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry，MALDI-TOF MS）技术目前已在临床微生物领域应用数十年，作为临床微生物病原鉴定的重要检测鉴定技术方法，其临床应用极大地缩短了病原鉴定的时间，提高了鉴定的准确性。随着方法的不断优化和技术的提升，MALDI-TOF MS在临床微生物检验领域的应用日益广泛。

MALDI-TOF MS作为临床实验室病原鉴定的未来发展方向，其鉴定效果的准确性和质量控制成为关注的重点，本文旨在说明当前技术条件下MALDI-TOF MS技术对临床菌株的具体鉴定效果，进一步为MALDI-TOF MS技术在临床微生物实验室的应用提供指导，进而提高临床微生物领域的诊断能力，为患者的诊断和治疗提供有力保障。

一、MALDI-TOF MS的基本原理

在MALDI-TOF MS检测过程中，微生物样本和基质置于靶板上。两者混合干燥后，形成晶体。当紫外激光脉冲作用于晶体时，基质受到激发从固相转为气相。微生物蛋白和基质分子从靶板表面被喷射出去（解吸），质子从基质转移到蛋白（电离），使带正电荷的气相蛋白在静电场高电压作用下加速进入飞行管，进入飞行管后，离子就以一定的速度飞向离子检测器，该速度取决于它们的“质核比”。低“质核比”的小离子先到达，随后是“质核比”稍高的大分子，用离子检测器可以检测每个离子的飞行时间，“质核比”可以计算出来，进而产生质谱图。质谱图上显示的“质核比”数值在x轴上，信号强度在y轴上，因此已知m/z的越高丰度的蛋白会在质谱图上产生越高的峰。通过该微生物全部蛋白质所构成的图形与数据库进行比对。

二、MALDI-TOF MS用于临床培养分离微生物的鉴定

1. 常规培养细菌的鉴定效果：相较传统的实验室诊断技术，MALDI-TOF MS技术优势明显。临床常规培养细菌的鉴定既往多依赖于生化和镜检等方法。MALDI-TOF MS缩短了传统生化鉴定的时间，提高了传统镜检的准确性。MALDI-TOF MS对样本的要求量仅要求105~107CFU即可鉴定^[1]。临床常见分离株的鉴定效果评价分析中，其对临床常见病原菌的种水平准确性均接近90%（表1）。其中对临床常见的非发酵菌，肠杆菌科细菌和葡萄球菌，链球菌，肠球菌，棒状杆菌和HACEK菌株均具有较好的鉴定效果^[2]。

表1. MALDI-TOF MS对常规培养细菌的鉴定效果

目前，质谱已经能够对大部分的病原菌进行准确鉴定，但仍有部分菌种，由于蛋白图谱相似导致质谱鉴定的准确率偏低或无法正确鉴定，涉及到的菌种主要为一些细菌复合群，包括醋酸钙-鲍曼不动杆菌复合群、阴沟/霍氏肠杆菌复合群、洋葱伯克霍尔德菌复合群、弗劳地枸橼酸杆菌复合群、缓症链球菌复合群等^[7]。志贺菌属和大肠埃希菌，由于其蛋白图谱相似，质谱技术无法准确鉴定；沙门菌属，目前尚不能依靠质谱区分血清型；埃希菌属，质谱系统都仅能鉴定为大肠埃希菌，无法进一步区分；对于弧菌属，目前的评价认为其具有鉴定能力；对于幽门螺杆菌的鉴定，鉴定效果较差，目前数据库中数据较少，未来仍需补充数据库。对于临床常规培养标本的鉴定^[8]，目前实验室仍主要使用固体培养基的菌落直接涂抹进行鉴定。但对于分枝杆菌等细胞壁较厚的病原体，直接涂抹法效果较差，需进行多步提取。

2. 酵母菌的鉴定：与细菌相同，目前商业数据库中已经对大量酵母菌完成建库，诸多对酵母菌的鉴定效果评估均取得了较好的效果^{[9, 10]}（表2），但对于隐球菌属和丝孢酵母菌属的数据库目前仍不完善，需补充。尽管使用甲酸提取法能够提高酵母菌的鉴定效果，但还需进一步优化样本制备方法。鉴定效果较差时需对菌株进行复核鉴定，复核鉴定仍无结果，则需采用ITS测序进行验证。通过质谱技术结合ITS测序，两种方法能够准确鉴定临床98.8%的菌株^[11]。对于罕见真菌而言，受质谱数据库的自身局限和真菌分类的复杂性，分子鉴定的效果可能更好。

表2. MALDI-TOF MS对酵母菌的鉴定效果

3. 其他难培养或需特殊前处理的菌种

（1）丝状真菌：既往丝状真菌的鉴定是临床微生物实验室的难点，由于丝状真菌培养环境和周期等问题，目前传统鉴定方法对检验者要求能力较高，存在诸多局限。MALDI-TOF MS能够提升对丝状真菌的鉴定准确性，同时缩短鉴定周期，但由于丝状真菌较酵母菌而言，细胞壁更致密，一般需要特殊的处理才能用于鉴定。目前评估分析中发现，MALDI-TOF MS对曲霉菌的鉴定效果较好，均大于95%，但是对于非曲霉丝状真菌，目前的鉴定效果较差，鉴定准确性仅为57.7%^{[14, 15]}（表3）。固体培养法和适当下调种水平鉴定阈值可能能够提升非曲霉丝状真菌质谱鉴定的准确性，丝状真菌的提取方法仍需进一步优化^[16]。

表3. MALDI-TOF MS对丝状真菌的鉴定效果

（2）分枝杆菌：一些致病分枝杆菌生长缓慢，快速鉴定意义重大。既往文献报道分枝杆菌属的鉴定准确性在62%~80%（表4），对于非结核分枝杆菌的鉴定需要特殊的前处理过程释放蛋白。有文献报道，培养基的种类、培养时间和前处理的方式都可能影响分枝杆菌的鉴定效果。对于致病性分枝杆菌标本处理过程中一定要注意生物安全，保证菌株灭活。对于结核分枝杆菌，目前质谱仅能够鉴定到结核分枝杆菌复合群；鸟胞内分枝杆菌复合群（仅能区分鸟分枝杆菌，群内其他菌种无法区分）；龟脓肿分枝杆菌复合群可以进行区分。

表4.MALDI-TOF MS对分枝杆菌的鉴定效果

（3）厌氧菌：对于厌氧菌而言，MALDI-TOF MS的出现，打破了传统生化鉴定的局限，缩短了样本的周转时间，极大的提高了厌氧菌的鉴定效能^{[21, 22]}。既往研究发现，MALDI-TOF MS对厌氧菌的鉴定准确性大于80%（表5），能够准确鉴定临床常见厌氧菌及较多少见厌氧菌菌种，并且结果优于传统生化试验方法。但仍有部分厌氧菌蛋白图谱相似，无法鉴定到种水平^[23]。

表5. MALDI-TOF MS对厌氧菌的鉴定效果

（4）诺卡菌：诺卡菌鉴定使用提取法效果不佳，研究报道使用破壁的方法提取蛋白效果较好。目前诺卡菌的指纹图谱仍较少，自建库能够提高鉴定的效果。有研究报道采用商业数据库结合自建库，其鉴定准确性可达90%^[27]。标本处理过程中，一定要注意生物安全，保证样本灭活。

（5）支原体和钩端螺旋体：既往有研究报道，对于临床难培养的支原体和钩端螺旋体，蛋白质谱也具有较好的鉴定效果，但鉴于其难培养，目前仍局限于科研，临床应用价值较小^[28-30]。

三、MALDI-TOF MS本地指纹图谱库的建立

自建谱库。基于建库原理的不同，自建库可具体分为菌种水平建库（梅里埃VITEK MS临床库）和菌株水平建库（布鲁克MALDI Biotyper）。建库前，建议对所有建库菌株使用测序的“金标准”方法进行准确鉴定，以保证自建指纹图谱库的质量。

建库菌株的选择需要具有代表性，建库是用提取法获得高质量的峰图。建库所需菌株的数量由菌种的复杂程度决定。每株建库菌株采集不少于24张高质量图谱^[31]。由于真菌分类的复杂性，真菌建库时考虑了建库菌株的代表性、考虑了建库菌株的数量，都不能完全解决数据库本身的局限性。

四、MALDI-TOF MS操作及维护

1. 质量校准：质量校准的目的是让各校准点都落在可接受范围内，偏离该范围，需重新校准，直到落在可接受区间，避免质量轴偏移导致的鉴定错误。校准周期参照厂家规定。不同系统的校准品有所不同，梅里埃VITEK MS使用ATCC 8739，布鲁克MALDI Biotyper使用蛋白提取试剂。

2. 质控（标准菌株）：推荐在每次检测样本前将有代表性的菌株和临床菌株按照相同的处理方式进行同批次鉴定。重复利用的靶板做质控时，需要增加空白对照，以排除靶板污染所带来的的质量峰。

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