利用光学DNA图谱技术对化脓性链球菌（Streptococcus pyogenes）进行菌株水平分类

《ACS Infectious Diseases》：Strain-Level Typing of Streptococcus pyogenes Using Optical DNA Mapping

基于竞争结合的光学DNA映射（ODM）技术可有效用于链球菌属（S. pyogenes）的菌株水平分型，结合核心基因组对齐系统，在11个临床分离株中实现98.5%-100%的准确率，且与emm分型方案高度吻合。

　　在面对全球范围内由链球菌（*Streptococcus pyogenes*）引发的严重感染时，快速、准确地对病原体进行分型是公共卫生监测和疾病防控的关键环节。链球菌，也称为A组链球菌（GAS），是一种革兰氏阳性细菌，每年导致约50万例死亡。因此，对GAS感染的持续监测不仅有助于了解其在社会层面的传播模式，还能够为防控策略提供重要依据。传统的分型方法主要依赖于对特定基因的序列分析，例如基于M蛋白编码基因的*emm*分型，这种方法虽然被广泛使用，但在某些情况下存在局限性，例如无法准确反映菌株的进化关系，且对混合感染或非典型变异的检测能力有限。近年来，科学家们探索了多种新技术，其中基于光学DNA映射（ODM）的分型方法因其高灵敏度和成本效益而受到关注。

ODM是一种利用荧光标记和非荧光分子结合的单分子技术，能够对DNA分子进行高通量分析。其核心原理是将长DNA片段（通常超过150千碱基对）拉伸在纳米通道中，通过荧光成像获取DNA序列信息。这种方法不仅避免了传统PCR扩增和测序的步骤，还能够对复杂样本中的多种菌株进行识别，为临床应用提供了新的可能性。在本研究中，我们探讨了ODM方法在GAS菌株分型中的应用，通过对比实验和理论模型，验证了其在不同分型水平上的准确性。

通过实验分析，我们发现ODM方法在物种水平上的检测准确率接近100%，而在菌株分型的两个不同分辨率（SG_Low和SG_High）上也表现出较高的准确率。具体而言，在SG_Low分辨率下，10个菌株的检测准确率为100%，而在SG_High分辨率下，9个菌株的检测准确率同样达到100%。此外，ODM方法与传统的*emm*分型在所有分型分辨率上均显示出良好的一致性，平均一致率分别为92.2%（*emm*模式）、91.3%（*emm*簇）和85.0%（*emm*型）。这种一致性表明，ODM方法不仅能够提供菌株分型的信息，还能对*emm*类型进行有效识别，从而帮助研究人员更好地理解菌株的进化关系和致病潜力。

然而，ODM方法也存在一定的局限性。由于其分辨率受限于衍射极限，大约为1000碱基对，因此对于小于该阈值的基因突变可能无法检测到。尽管如此，ODM方法相比传统的测序技术具有显著的优势，尤其是在处理复杂样本时。它避免了PCR扩增和测序平台的依赖，从而减少了实验中的偏差和成本。此外，ODM方法的低信息密度使得数据处理和比对过程更加高效，同时也降低了计算和存储需求。因此，ODM方法有望成为一种快速、经济且可靠的菌株分型工具，特别是在流行病学调查和病原体追踪中。

为了进一步验证ODM方法的实用性，我们对11个临床分离的GAS菌株进行了实验分析，涵盖了不同的SG分组和*emm*类型。实验结果显示，ODM方法在所有样本中均能准确识别物种水平的菌株，而在菌株分型的两个不同分辨率下也表现出较高的准确率。例如，在SG_Low分辨率下，10个样本的检测准确率达到了100%，而在SG_High分辨率下，9个样本的检测准确率同样为100%。此外，ODM方法与*emm*分型在所有分型分辨率上均显示出良好的一致性，表明该方法能够有效补充传统的分型技术。

在本研究中，我们还探讨了ODM方法在不同参数设置下的表现。通过调整匹配的严格程度（参数*C_Diff*），我们发现较高的严格程度可以提高检测的准确率，但会减少能够用于分型的实验数据量。具体而言，当*C_Diff*设置为0.05时，检测准确率在物种水平上为99.2%，在SG_Low分辨率下为98.5%，在SG_High分辨率下为93.2%。同时，能够用于分型的实验数据比例分别为31.6%（物种水平）、29.7%（SG_Low分辨率）和13.7%（SG_High分辨率）。这些结果表明，ODM方法在不同分型水平上均能提供高质量的检测数据，同时保持较高的准确率。

为了确保实验的可靠性，我们对ODM方法的实验数据进行了严格筛选。只有那些所有高置信度匹配都指向同一分类组（如物种或菌株组）的实验数据才被用于分型结果。如果实验数据的高置信度匹配指向多个分类组，则会被排除。这种方法确保了只有高质量、无歧义的数据被用于最终的分型结果，从而提高了检测的准确性。此外，我们还发现，ODM方法能够有效识别GAS菌株的*emm*类型、簇和模式，这为理解菌株的致病性和传播路径提供了新的视角。

总的来说，ODM方法结合核心基因组比对的分型方案，在GAS菌株的物种和菌株分型中表现出良好的性能。这种方法不仅能够提供高分辨率的进化关系分析，还能在临床样本中快速、准确地识别菌株。尽管ODM方法在分辨率上存在一定的局限性，但其在数据处理速度、成本效益和对混合感染的检测能力上具有显著优势。因此，ODM方法有望成为一种重要的替代工具，特别是在需要快速分型和追踪病原体传播的场合。未来的研究需要进一步评估ODM方法与全基因组测序（WGS）和核心基因组MLST（cg-MLST）在更广泛的临床相关菌株中的一致性，以全面验证其在实际应用中的价值。