Быстрое и надежное обнаружение и идентификация бактерий имеют решающее значение для клинической диагностики, персонализированной медицины и предотвращения резистентности к лечению.
Традиционные методы микробиологии на основе культивирования, основанные на морфологических и/или биохимических тестах, требуют много времени и сил, занимая до 5-7 дней для определенных патогенных микроорганизмов. Кроме того, эти методы ограничены наличием коммерческих сред культивирования для выявления неизвестных и труднокультивируемых видов бактерий.
В последние годы в клиническую практику быстро вошла масс-спектрометрия MALDI, позволяющая идентифицировать бактерии на основе уникальных белковых профилей. Однако, несмотря на то, что сам процесс идентификации происходит быстрее, анализ на основе MALDI-MS страдает от того, что выделение бактерий занимает столько же времени, сколько и традиционные подходы. Время же является решающим фактором в успешном лечении некоторых инфекций, таких как сепсис. Следовательно, идеальным сценарием микробной диагностики является идентификация бактерий непосредственно из клинического образца. До сих пор с помощью MALDI можно было реализовать лишь небольшое количество приложений из-за высокого белкового фона в большинстве клинических образцов. Эти анализы обычно требуют комбинации этапов экстракции и центрифугирования, наночастиц или микрофлюидных методов для выделения и обогащения бактерий из сложных образцов биологических жидкостей (например, крови, слюны и спинномозговой жидкости).
Метаболомика - это комплексное изучение малых молекул (метаболитов) в клетках, биологических жидкостях, тканях или организмах. Эти метаболиты являются конечными продуктами клеточных процессов и дают представление о физиологическом состоянии организма в определенный момент времени. Анализируя метаболомные паттерны, мы можем выявить специфические биомаркеры, различающие биологические состояния, что делает метаболомику мощным инструментом для идентификации различных состояний болезни и понимания взаимодействия хозяина и патогена.
Бактериальные липиды и метаболиты малых молекул также представляют собой альтернативный путь для прямой идентификации бактерий. В то время как биотипирование с помощью MALDI-MS в последние годы доминировало в клинической диагностике, исследования паттернов малых метаболитов микроорганизмов продолжались с использованием различных, преимущественно амплитудных, методов МС. Эти модели часто оказываются одинаково специфичными для характеристики чистых культур и фенотипирования даже близкородственных видов бактерий.
Для того чтобы решить проблемы, связанные с обнаружением бактерий в сложных клинических образцах с помощью МС и оценить целесообразность часто предлагаемой концепции малых молекулярных биомаркеров, мы собрали наиболее полную на сегодняшний день базу данных профилей бактериальных малых метаболитов, полученных с помощью методов МС-профилирования на основе малых метаболитов. Такая база данных должна адекватно охватывать бактериальную таксономию на всех уровнях и включать достаточное количество близкородственных видов бактерий.
Поскольку используемая в данном исследовании база данных была получена из изолятов культур крови, она отражает всю сложность бактерий, встречающихся в клинической микробиологии. Используя эту базу данных, мы впервые смогли оценить специфичность бактериальных биомаркеров в реальных условиях. В спектральной метаболической библиотеке 233 видов бактерий найдены маркеры, проявляющие специфичность на разных филогенетических уровнях. Используя метод одномерного статистического анализа, мы определяем 359 так называемых таксон-специфических маркеров (ТСМ). Мы применили эти ТСМ для обнаружения бактерий in situ, используя здоровые и раковые ткани желудочно-кишечного тракта, а также образцы фекалий. Чтобы продемонстрировать диагностическую пригодность этого метода, образцы анализировались с помощью пространственной метаболомики и традиционных подходов метаболомики на основе объемных данных. В данной работе ТСМ были обнаружены в >90% образцов, что говорит об общей применимости данного рабочего процесса для обнаружения присутствия бактерий с помощью стандартных аналитических методов на основе МС.
Следует отметить, что ТСМ могут быть полезными инструментами для быстрого обнаружения бактерий в биологических жидкостях при проведении скрининга первого уровня. Однако необходимы дальнейшие исследования для тщательной валидации этих маркеров в различных биологических и клинических сценариях. Отличительной особенностью метаболома является то, что на него могут влиять внешние факторы окружающей среды, поэтому на данный момент нельзя совсем исключить интерференцию, но потенциально можно свести ее к минимуму с помощью дальнейших измерений TСМ и целенаправленных рабочих процессов. На практике помехи, создаваемые как матрицами, так и другими бактериями, потенциально уравновешиваются меньшим количеством видов бактерий, ожидаемых в определенной клинической или биологической среде, что определяется условиями, в которых различные бактерии могут выживать и расти. Идентификация и учет только соответствующих видов и матриц может еще больше увеличить количество и специфичность ТСМ.
