实验室自动化和信息学及智能化对临床微生物学检验流程变化的影响
【摘要】临床诊断实验室生产一种产品就是信息，为了使其更有价值，这些信息必须具有临床相关性、准确性和及时性。尽管诊断信息可以明显改善患者的预后并降低医疗成本，但技术挑战和实验室操作流程会影响诊断的及时性和临床价值。本文将研究如何以患者为中心的方法优先考虑实验室操作，以优化技术进步，从而改善患者护理。
【关键词】实验室自动化；人工智能；信息学；实验室工作流程
传染病的模式已发生了巨大变化，患者经常免疫功能低下，并经常伴有复杂的合并症，多重耐药菌（MDRO）感染是一个全球性问题，虽然有新的抗生素可用，但必须保持其疗效。据估计，全球每年至少有70万人死于MDRO感染，预计到2050年，死亡人数可能达到1000万人。快速、广谱的经验性治疗对于改善患者预后至关重要，但这往往不合适，在一项评估抗生素治疗对革兰氏阴性菌脓毒症影响的荟萃分析显示，不恰当的治疗使死亡风险增加3.3倍，住院时间延长，费用增加。因此，快速、准确的诊断对于选择最合适的治疗方法至关重要。质谱和分子诊断等先进、复杂的技术正在迅速改变我们诊断感染的能力，尽管它们应该被视为对传统培养诊断的补充。实验室自动化和信息学智能应用也对微生物诊断产生了变革性影响。这些工具有可能加速临床决策，对感染管理产生积极影响，改善患者预后，并促进诊断和抗菌药物管理（AS）计划。然而，应用这些技术对临床微生物专家来说是一个挑战，因为这需要改变既定的工作流程。本文将重点讨论自动化、信息化以及工作流程变化对实验室、患者和医院管理的影响（图1）。
图1. 自动化对实验室及患者和医院管理的影响
一、对实验室管理的影响
在临床微生物学中，“全实验室自动化”（TLA）一词用于描述整个诊断工作流程的自动化：琼脂平板的接种、培养、培养结果读取、鉴定（ID）和药敏试验（抗菌药敏试验，AST）。在常规实验室中，所有这些步骤都是手工完成的，通常采用以样本为中心的方法。目前，有两种实验室自动化（LA）系统可用：BD Kiestra™系统（Becton Dickinson）和WASPLab®系统（Copan Diagnostics）。
1. 接种：自动化提高了接种的质量和精度，仪器以标准化和一致的模式工作，这是手工操作无法实现的，并且不受操作人员变化的影响。事实上，与人工接种相比，LA可以更好地分离菌落，减少后续工作（主要是AST）所需的传代培养，因此报告速度更快。研究发现，使用无菌环对尿液进行自动划线的WASP优于手工划线，产生的单菌落数量以及检测到的形态、物种和病原体数量均较高。与手工和自动WASP划线法相比，基于滚动磁珠划线技术的BD Kiestra™系统已被证明可以提高定量培养结果的准确性以及从混合微生物样本中回收离散菌落的能力。这意味着减少了进行ID和AST的细菌传代培养，从而缩短了获得结果的时间，这一点在尿液以及耐甲氧西林金黄色葡萄球菌（MRSA）和耐碳青霉烯类肠杆菌（CRE）筛查样本中得到了证明。
2. 培养（孵育）：这与全天频繁打开的传统培养箱相比，具有数字成像的封闭式培养箱培养物可以更快地生长。此外，只要平板停留在TLA系统内，就可以完全跟踪，因此可以用小时和分钟确定培养时间和平板检查，而传统系统中的培养时间以天为单位。Burckhardt等人的研究表明，MRSA、多重耐药（MDR）革兰氏阴性菌和耐万古霉素肠球菌（VRE）早在接种4小时后就可在选择性显色平板上生长，尽管细菌数量不足以进行后续工作。此外，在自动化系统中，大肠埃希菌、铜绿假单胞菌、粪肠球菌和金黄色葡萄球菌在显色平板上的生长速度比传统系统快3-4小时。BD Kiestra TLA的应用显著改善了阳性和阴性尿培养的周转时间（TAT），同样，WASPLab自动化可以在不影响性能的情况下减少不同样本的培养物读取时间。然而，每种样本的最短培养时间（以便及时准确地报告阳性或阴性）尚未确定，需要进一步研究。
3. 读取：Kiestra LA系统通过实时的面板，根据任务的安排来计时，因此，每个操作人员完全知道培养的平板什么时候可以读取，以及什么时候可以进行后续工作。这极大地促进了实验室工作流程的管理，避免了时间的浪费，并使结果能够尽快地传递给临床医生。此外，在经典系统中，平板是逐个读取的，而数字读取允许同时查看来自同一样本的所有平板图像，甚至来自同一患者的不同样本。这大大方便和加快了培养结果的解读，无论是单一微生物感染还是混合微生物感染。
4. 鉴定和药敏试验（ID和AST）：TLA在临床微生物学中的应用充分利用了基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF/MS）带来的进步。此外，Copan的TLA最近结合了一种自动化设备（Colibri™），可以重复制备用于微生物鉴定的MALDI靶标。Cherkaoui等人最近进行的一项研究表明，与MALDI-TOF/MS结合的WASPLab显著缩短了阳性血培养的TAT。同样，BD Kiestra™ IdentifA/SusceptA(用于菌落自动挑选、细菌悬浮液制备、MALDI-TOF靶板点样和Phoenix™ M50 AST面板准备的原型)表现出较高的ID和AST性能，特别是，IdentifA对革兰氏阴性菌的鉴定率很高，在肠杆菌鉴定方面优于手工操作，但对链球菌、凝固酶阴性葡萄球菌(CoNS)和酵母菌的鉴定效果不佳。开发了一种纸片扩散AST的自动化解决方案，并与Copan WASPLab系统集成，它制备接种菌悬液、接种平板、根据预先设定的面板分配适当的抗生素片，将平板运输到培养箱，对平板进行数字化成像，并测量和解读抑菌区直径。Cherkaoui等人评估了718株细菌，包括金黄色葡萄球菌、CoNS、粪大肠杆菌、粪肠球菌、铜绿假单胞菌和不同种类的肠杆菌，发现这种自动化AST和Vitek2之间的总体分类一致性为99.1%。
5. 人工智能：智能图像分析的发展基于根据样本类型和患者特征设计的定制算法，允许自动检测微生物生长、释放阴性样本、推定ID和定量菌落。这是一项重大创新，有可能提高实验室质量和效率，同时减少TAT。BD Kiestra系统在尿液样本上的结果，灵敏度为97%-99%，特异性为85%-94%。通过另一种方法，WASPLab显色检测模块已将琼脂平板自动分类为“阴性”（即无菌）或“非阴性”，并将相同的平板在0时间点与设定的孵育时间后的平板进行比较。该系统对MRSA、VRE和CRE的检测具有较高的诊断准确性。
6. LA的其他功能：LA可以极大地促进实施有效的质量体系，这对于确保向患者报告可靠的结果是必不可少的。LA系统自动跟踪和记录所有有用的质量控制信息：用户凭证、培养基（批号和有效期）、接种（样本量、模式和划线时间）、培养（气体、温度和时间）和成像（平板和时间的数字图像）数据。因此，将LA与实验室信息系统恰当的集成可以实现从样本接收到最终报告分析过程的完整可追溯性。此外，从诊断的角度，访问和审查任何拍摄的图像是一种非常宝贵的工具（例如，比较同一患者的近期和旧样本中菌落的形态），并且对于其他活动（如监测实验室质量、教学、培训和与同事和临床医生讨论培养结果）也是如此。
二、对患者管理的影响
可以根据对患者管理的附加价值来定义检测、技术或改进工作流程的临床影响，在脓毒症的情况下，可以通过靶向治疗的时间以及死亡率的降低来衡量。在手工操作实验室中，通常基于样本类型和流程(接种、读数、ID、AST、技术验证和临床验证)分批进行工作，结果通常在上午发送。一项评估美国13家急症护理医院的血培养（BC）阳性TAT的研究表明，收集BC的时间和报告实验室检测结果之间存在显著差异。虽然只有25%的样本在上午6:00-11:59之间采集，但大约80%的实验室ID和AST结果是在这一时间段内报告的，这可能对脓毒症患者的管理产生不利影响，延误最佳靶向治疗的临床决策。相比之下，在自动化实验室，可以根据精益原则安排工作，创建一个连续的“流动”和产生“即时”的结果。De Socio等人评估了LA对脓毒症患者管理的影响，通过在固体培养基上全自动接种和培养8小时后的数字读数处理BC阳性，然后进行ID和AST。作者发现，报告时间（TTR）减少约1天可显著减少经验性治疗的持续时间（从大约87小时减少到大约55小时）和30天的粗死亡率（从29.0%减少到16.7%）。因此，只要实验室每天24小时开放或利用远程医疗系统进行临床验证，实验室自动化对患者管理可能会产生巨大影响，然而，这种安排的成功取决于医疗团队的响应能力，应该在实验室发出结果后立即采取行动。
三、对医院管理的影响
LA可以提高实验室鉴定MDRO和发出高质量结果的能力，从而实现更标准化的工作流程，并使实验室工作人员有更多时间专注于二级表型和/或基因型检测。事实上，MDRO的广泛传播和病原体耐药机制范围的扩大，表明常规商业方法对所选抗生素的敏感性检测存在局限性，这增加了对繁琐且耗时的参考方法的需求。例如，对于MDRO革兰氏阴性分离株，应通过肉汤微量稀释法测定粘菌素MIC、通过琼脂稀释法测定磷霉素MIC、用阳离子调节的Mueller-Hinton肉汤微量稀释法检测一种新型铁载体结合头孢菌素—头孢地尔。此外，在检测罕见的耐药表型时，通常需要分子方法、基因测序或其他下一代测序方法。
必须尽快将信息提供给临床医生或其他医疗保健者（如，药剂师和患者的初级保健护士）。及时报告可至少在两方面影响医院状况：快速控制MDRO的传播（接触预防措施，对聚集性定植/感染患者进行调查）以及缩短广谱抗生素治疗的持续时间（阳性结果）或不必要的经验性抗生素治疗（阴性结果）。一项应用累积耐药指数预测医院抗生素耐药性（AR）趋势的研究发现，2018年AR趋势较2014-2017年有所逆转。推测，这可能是医院在感染管理方面发生一些变化的结果：（i）所有BC在收集后1小时内使用卫星血液培养仪对进行培养，（ii）引入分子技术和LA后，TTR显著减少，（iii）传染病临床医生与微生物专家之间建立了紧密的合作关系。最后，Culbreath等人证明，应用TLA可将实验室效率提高至90%以上，同时将每份样本的成本降低至47%以下，这很好地说明了通过在细菌学实验室中实施全面的LA可以提高效率并节省成本。
四、可能的改进
最近发布了一份详细的技术问题清单，旨在改善LA系统的性能和工作流程。这里将重点关注我们认为可能影响实验室、患者和医院管理的问题。为了便于根据以患者为中心的方法读取平板，在同一屏幕中查看样本培养平板的革兰氏染色将是有益的。这些图像还可以与临床医生共享，从而改善临床医生与微生物专家之间的相互交流。可以通过自动化显微镜系统进行进一步的改进，这可以明显减少技术人员的工作量。数字图像的利用为远程细菌学奠定了基础，远程细菌学旨在利用数字成像和文件存储进行屏幕阅读和决策，它使得从地理位置上将平板操作与结果读取和验证分离开来成为可能，这可以促进微生物学咨询以及与临床医生的互动，因为图像可以在不同研究中心的会诊医生之间共享。此外，它还可以支持全天候的实验室活动，允许在中心实验室甚至在家中读取平板，并在培养平板的地方实时进行后续工作。为了使这些技术创新充分发挥作用，需要一个中间件信息技术（IT）解决方案来连接所有实验室仪器。
五、分析与讨论
实验室引入自动化的主要原因是为了提高效率，应对有限的预算和人员短缺。然而，实施实验室自动化代表改变实验室配置、提高质量和降低TTR的绝佳机会，对实验室、患者和医院管理都有潜在的积极影响。LA最相关的创新之一是读取阶段，可以同时读取同一患者一个或多个样本接种的所有平板，此外，利用信息学，还可以在读取平板的同时查看患者的微生物学、血液学甚至临床和治疗数据，这种以患者为中心的方法提供了有意义的临床结果解读和决策。通过持续跟踪所有的分析步骤，LA确保工作人员实时知道要进行的工作，这一概念完全遵循最初用于工业的“精益”管理，现在越来越多地应用于医疗保健流程。“精益”意味着只做有价值的工作，不拖延，避免“浪费”或不必要的工作。这意味着微生物专家的思维方式将发生巨大变革，从单纯以样本为中心的实验室工作转变为更以临床为导向的工作，缩短TTR并优先诊断与时间依赖性感染。利用工作流程优化，观察到LA处理的BC阳性的TTR减少了约24小时，经验治疗的持续时间和死亡率显著降低，尿液和鼻腔MRSA监测以及所有类型的样本都观察到了类似的结果。解读培养结果的人工智能算法是适用于LA的另一个重要工具：阴性样本的自动报告可以及时完成，并无需进一步的人工协助，这样临床医生可以更早地收到结果，以排除MDRO定植或尿路感染，并减少对患者隔离或抗生素治疗的需求。
除了LA，各种技术正在彻底改变临床微生物学，这些包括MALDI-TOF MS、用于ID和表型AST的延时显微镜检查、分子诊断、综合征面板（panels）以及下一代测序。它们都能显著改善感染的诊断和治疗，但主要与培养方法互补，因此，在一个先进的实验室，目标是将所有这些技术应用于协调及时的诊断管理（DS）计划中。例如，对于MDRO的主动监测，实验室应同时具备分子检测和培养方法。事实上，积极监测耐碳青霉烯类肠杆菌可限制和预防其传播和感染，这与AS至关重要。在高危患者中，快速分子方法更合适，但不能取代培养法，后者可以检测所有类型的碳青霉烯类耐药菌，进行表型药敏试验，并收集和储存分离株。最近提出了一种有趣的算法，基于包括临床、微生物学和生化参数在内的多参数评分，以确定患者优先级，包括MDRO的感染或定植信息。有理由认为，通过将DS和AS计划与实验室和临床医生之间的严格合作相结合，现代微生物学对感染管理的影响可以逐步增加。
从实验室到病房再到病房的快速有效沟通对于最佳的患者治疗至关重要。最近的一项研究表明，存在许多障碍，如，口头报告结果、信息系统整合不良、彼此缺乏对各自专业领域的了解以及有限的实验室服务。电子报告改善了微生物专家和临床之间的沟通，但应该集成一种警报，让合适的工作人员（即治疗的临床医生、传染病专家或脓毒症团队成员）立即查找数据。尽管如此，我们认为微生物专家和临床医生的直接沟通对于优化患者管理仍然至关重要：BC阳性、MDRO检出、无菌液中分离出的警报病原体和呼吸道样本中的抗酸杆菌必须立即向将对结果采取行动的人报告。此外，随着微生物方法变得越来越复杂，报告结果应附上注释，以方便临床医生解读数据的意义。根据我们的经验，在LA实施后，与临床医生建立了更密切的关系，为临床提供了一个机会来传达对微生物和微生物工作流程的见解。另一方面，患者越来越复杂和异质性，重症和MDRO感染的管理具有挑战性，通常需要多学科方法来实现最佳的个性化诊断和治疗，因此，为了整合DS和AS，微生物专家应与临床医生密切合作来拓宽对患者护理的知识。微生物实验室的信息对于医院感染的控制和管理至关重要，特别是，关于从不同病房分离的病原体抗生素敏感谱和MDRO定植/感染的及时准确数据是建立医院感染控制和AS计划的基础，这可能最终影响患者的结果。遗憾的是，由于缺乏特定的专业知识、人员、便于使用的软件和优化的工作流程，实验室并不总是能够及时提供信息。LA和信息学可以将监测样本质量、分离特定病原体、感染控制工作人员的警报报告和实验室趋势数据的实时收集整合到常规操作，所有这些都对预防和控制感染和流行病学研究至关重要。
总之，及时、准确、与临床相关的信息是预防和治疗感染的基础。LA和信息学可以大大提高诊断过程、TTR和实验室工作流程的准确性。然而，为了更好地利用这些技术造福患者，微生物专家需要改变工作方式以及思维方式，按照精益的工作流程和以患者为中心的方法，这需要与临床工作人员更密切地合作。
本文编译节选自：《Front Cell Infect Microbiol》. 2023; 13: 1188684.
