全基因组测序与MALDI-TOF质谱法在院内传播预测中的效能比较

《Infection Control & Hospital Epidemiology》：MALDI-TOF for healthcare transmission prediction: comparison with whole genome sequencing

<摘要>全基因组测序（WGS）在检测院内感染传播方面发挥了重要作用。然而，在许多环境中，WGS的可及性仍然有限。因此，我们试图确定基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱法（MALDI-TOF）结合抗生素敏感性（AS）数据——这两者比WGS更容易获得——在与实时基因组监测数据集进行对比验证时，是否能准确预测细菌病原体传播。我们利用了2021年11月至2023年11月期间在我院急性护理机构中接受WGS的2,656株细菌病原体，这些菌株均具备MALDI-TOF、AS和电子健康记录（EHR）数据。我们构建了一个模型，该模型使用U-Net自编码器学习MALDI-TOF质谱的紧凑表示，并在三个目标上同时训练：光谱重建、物种鉴定，以及将成对MALDI-TOF距离映射到WGS衍生的单核苷酸多态性（SNP）距离。该模型将每个MALDI-TOF光谱压缩为简化的数值表示，并经过训练使得基因组相关的分离株比无关分离株的位置更近。然后利用层次聚类从学习到的MALDI-TOF表示中推导暴发聚类，并以WGS定义的传播聚类作为参考标准评估聚类分配。对于每对分离株比较，MALDI-TOF聚类一致性作为检验变量，WGS定义的传播（≤10对SNP差异）作为参考标准。从生成的2×2列联表中，我们计算了整体及按菌种分层的灵敏度、特异度、阳性预测值（PPV）和阴性预测值（NPV）。此外，我们纳入了来自电子健康记录的流行病学关联数据作为补充预测因子，这些数据由一个此前已验证的人工智能（AI）模型生成，该模型根据结构化临床数据对可能的传播途径进行排序，以评估在缺乏WGS的情况下，临床背景是否能增强MALDI-TOF模型的传播预测性能。随后，我们将这些指标转化为两个具有临床意义的感染预防与控制（IP&C）场景：（1）感染预防人员在没有明显流行病学关联时使用MALDI-TOF模型排除传播；（2）感染预防人员使用MALDI-TOF模型确认疑似传播并启动调查。总体而言，在2,656株微生物中共有456,715对比较，其中2,084对（0.54%）被定义为WGS传播事件。所有菌种的整体模型性能显示NPV为99.5%，PPV为1.6%，灵敏度为20%，特异度为93.1%（表1）。各菌种在不同模型间的性能表现基本一致。不同菌种间性能差异的驱动因素仍未完全明确，需要进一步研究。铜绿假单胞菌占成对比较的最大比例（298,765对），其PPV最差为0.7%，灵敏度为11.2%。伯克霍尔德菌属的PPV最高，达47.4%，但估计值仅基于96对可分析数据。从转化角度来看，这些结果表明，当感染预防人员怀疑存在传播而MALDI-TOF模型提示无传播时，模型表现良好，总体NPV为99.5%。然而，这种高NPV可能归因于我们数据集中传播的低流行率，并且在传播先验概率较高的环境中，预期NPV将下降。此外，当MALDI-TOF模型提示可能存在传播时，结果并不可靠：PPV为0.016意味着每100对标记的菌株对中不到2对代表真正的WGS定义传播事件。而且，0.200的总体灵敏度表明MALDI-TOF模型会完全遗漏每5个真实传播事件中的4个。我们的结果与既往研究一致，这些研究表明MALDI-TOF在预测WGS定义的传播方面鉴别能力有限，这主要归因于质谱无法捕捉区分传播相关分离株与同种无关菌株的微细尺度基因组SNP变异。综合来看，这些发现表明，尽管MALDI-TOF在临床上易于获取，但它缺乏作为WGS在传播检测中可靠替代品的必要分辨率，将其用于此目的既可能遗漏真正的暴发事件，也可能触发不必要的调查。本研究存在局限性。首先，分析在一家三级医疗机构进行，这可能限制了结果的普遍性。其次，约16%的分离株因缺乏MALDI-TOF或AS数据而被排除，这可能引入了选择偏倚。第三，我们的分析依赖于成对分离株比较而非聚类层面评估。SNP差异大于10的分离株可能通过中间未采集的关联分离株仍属于同一传播聚类，因此我们的成对方法可能低估了模型真实的聚类检测能力。此外，不同细菌物种的突变率不同，我们统一采用的≤10 SNP阈值虽然参考了流行病学关联数据，但可能排除了SNP距离更高但仍属于同一传播聚类的分离株对。第四，在较少见的菌种中观察到较高PPV，这很可能反映了可分析配对数量少造成的差异，而非MALDI-TOF鉴别性能的优越性。WGS更广泛采用面临诸多障碍。首先，希望自行开展WGS的机构必须投资建设进行WGS数据采集和分析所需的基础设施、人员和培训。其次，目前尚无针对医疗保健暴发检测中WGS的财务报销机制。因此，维持病原体WGS项目需要医疗机构投入前期和长期成本。未来医疗保健领域病原体WGS的发展需要支付方与医疗机构和感染预防控制部门共同努力。MALDI-TOF在临床微生物实验室中日益普及，使其成为传播检测的一种颇具吸引力的解决方案。然而，正如我们和其他人已经证明的，其在用于此目的时的效用仍受到严重限制。相反，感染预防项目应考虑采用基于WGS的实时基因组监测，该方法在检测和阻断院内传播方面已展现出临床和经济效益。致谢：感谢Melissa Saul在数据提取和管理方面的技术协助。资金支持：本研究部分由国家卫生研究院（NIH）资助（R01AI127472）。A.J.S.的贡献部分由NIH资助（1K01AI190052-01）支持。NIH未参与数据收集、分析或解释；研究设计；论文撰写；或投稿决定。利益冲突：AJS是Next Gen Diagnostics的顾问。LHH是Next Gen Diagnostics科学顾问委员会成员。Next Gen Diagnostics未参与本研究，研究中也未使用其任何产品。L.L.P.报告其机构从AstraZeneca获得与本研究无关的资助。