基于血液四基因标志物排除成人下呼吸道感染细菌病原学的诊断模型研究

《Nature Communications》：A four-gene signature from blood to exclude bacterial etiology of lower respiratory tract infection in adults

本研究针对急性呼吸道感染(ARI)中抗生素滥用加剧抗菌素耐药性的临床难题，通过RNA测序技术开发出能够区分细菌性与非细菌性感染的4基因标志物(ITGB4/ITGA7/IFI27/FAM20A)。该标志物在多个独立队列验证中表现出色(AUC 0.89-0.98)，当设定90%敏感度阈值时阴性预测值达91%，为精准抗感染治疗提供了新型决策工具。

　　

在全球公共卫生领域，抗菌素耐药性正以惊人的速度蔓延，世界卫生组织已将其列为亟待解决的重大威胁。而急性呼吸道感染（ARI）作为临床最常见疾病之一，恰恰成为抗生素滥用的“重灾区”。由于现有技术难以快速区分病毒性与细菌性感染，医生往往采取“宁可错杀不可放过”的用药策略，这种困境在住院患者管理中尤为突出。虽然分子诊断技术能快速检测呼吸道病毒，但对细菌合并感染的担忧依然导致抗生素过度使用。正是在这样的背景下，宿主转录组学技术为破解这一难题带来了曙光——通过分析感染时机体免疫系统的“分子应答指纹”，或许能准确判断感染元凶的真实身份。

这项发表于《Nature Communications》的研究开创性地建立了一套基于血液4基因标志物的诊断模型，为区分细菌性与非细菌性下呼吸道感染提供了精准工具。研究团队采用多中心前瞻性设计，在2019年3月至2023年4月期间筛选了4346名疑似ARI住院患者，最终纳入504例明确病原学诊断的病例进行RNA测序分析。通过严谨的临床 adjudication（裁定）流程，将患者分为病毒单独感染(280例)、细菌单独感染(129例)和混合感染(95例)三组，同时设置63例非感染患者作为对照。

关键技术方法包括：使用Tempus?血液RNA管进行样本采集，通过Illumina NovaSeq6000平台进行全转录组测序，采用DESeq2进行差异表达分析，运用留一批次交叉验证(LOBO-CV)的松弛LASSO算法进行特征基因筛选，并在6个独立RNA测序队列和2个微阵列数据集进行验证。

研究结果

队列特征

纳入分析的患者平均年龄、基础疾病和临床表现存在显著差异。细菌感染组年龄更大(63.1±15.9岁)，吸烟比例更高(79%)，更易出现咳痰(76%)、意识模糊(10%)等典型细菌感染症状。实验室检查显示，细菌感染组白细胞计数(14.7±7.7×10⁹/L)和降钙素原(PCT)(6.9±18.6 μg/L)显著高于病毒感染组(8.8±3.8×10⁹/L和0.13±0.15 μg/L)。影像学上，细菌感染组肺部浸润比例明显更高(54% vs 16%)。

差异基因表达分析

比较细菌感染组(224例)与病毒感染组(280例)的全血转录组，共发现5401个差异表达基因(FDR<0.05)。通过留一批次验证显示85%(4584个)的基因在不同测序批次中保持稳定，表明结果具有高度可重复性。

诊断特征选择

研究团队采用硬阈值松弛LASSO约束逻辑回归模型，最终筛选出4个核心基因：ITGB4、ITGA7、IFI27和FAM20A。其中ITGA7、ITGB4和FAM20A在细菌感染中表达上调，而干扰素相关基因IFI27在病毒感染中高表达。该标志物在训练队列中表现出卓越的区分能力(交叉验证AUC=0.90)。

4基因诊断标志物的验证

在5个独立成人RNA测序队列中，该标志物保持稳定性能(AUC 0.89-0.98)，包括Ko等研究的全球多病原体队列。在儿科肺炎队列中表现稍逊(AUC 0.74)，提示成人儿童最佳基因组合可能存在差异。即使在微阵列平台验证中，其AUC仍达0.73-0.90，展现良好跨平台适应性。

分类阈值定义

为实现临床实用性，研究设定风险评分阈值(-0.886)以达到90%敏感度，此时特异性为71%。在细菌感染患病率40%的情况下，阴性预测值(NPV)达91%，患病率低于25%时NPV超过95%。误判的细菌感染主要集中于混合感染性支气管炎(74%)，而细菌性肺炎漏诊率仅7%，菌血症无一漏诊。

讨论与结论

该研究突破性地将混合感染纳入细菌感染范畴，更贴合临床实际。4基因标志物的简约性使其易于转化为床旁检测技术，其中IFI27作为经典干扰素应答基因，ITGB4和ITGA7参与气道免疫调节，FAM20A与肺部炎症应答相关，共同构成精准的病原鉴别网络。

与现有商业化检测相比，该模型在保持高敏感度的同时，对支原体肺炎的识别准确率达90%，且误判病例多属低风险类型，临床实施安全性较高。值得注意的是，基因表达特征可能同时反映感染病原和疾病严重程度，这为未来研究提供了重要方向。

这项研究为减少抗生素滥用提供了新型分子工具，其临床价值仍需前瞻性干预研究进一步验证。随着宿主应答诊断技术的快速发展，这种基于血液转录组的精准诊断策略有望重塑呼吸道感染的临床决策路径，为遏制抗菌素耐药性提供关键技术支持。