《Frontiers in Antibiotics》：Evaluation of Fourier transform infrared spectroscopy as a first-line surveillance typing tool for Serratia spp. isolates derived from clinical materials
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引言：研究人员评估了傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)作为多种病原体分型方法的研究情况，指出目前针对沙雷氏菌属(Serratia)的相关研究极少。方法：研究人员考察了FTIR能否以与
引言：研究人员评估了傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)作为多种病原体分型方法的研究情况，指出目前针对沙雷氏菌属(Serratia)的相关研究极少。方法：研究人员考察了FTIR能否以与全基因组测序(whole genome sequencing, WGS)结合后续生物信息学比较（流行病学中确定系统发育关系的金标准）相当的程度正确聚类沙雷氏菌临床分离株。研究人员使用IR Biotyper（Bruker, Bremen, Germany）标准设置进行FTIR检测。在六周期间，收集并保存了实验室调查的28株临床和环境卫生样本中的沙雷氏菌分离株。随后使用两种方法进行了回顾性菌株分型，并比较结果。结果：研究表明，正确识别密切相关分离株的阳性预测值(PPV)为0.842，正确识别不相关分离株的阴性预测值(NPV)为1.0。以WGS及后续生物信息学分析为参考方法，使用调整兰德指数(Adjusted Rand index, AR)和调整华莱士系数(Adjusted Wallace coefficient, AW)测量一致性，得出AR为0.742。讨论：研究发现表明，尽管存在一定局限性，但在怀疑暴发时，IR Biotyper可作为临床微生物实验室调查沙雷氏菌属(Serratia spp.)流行病学相关性的快速且经济的一线筛查工具。因此，FTIR方法可为开展流行病学监测以辅助临床感染控制的临床微生物实验室的分析手段提供补充。
论文发表在《Frontiers in Antibiotics》。研究背景方面，现代医疗体系中医院感染对患者构成潜在风险，显著增加死亡率并导致医疗费用上升。粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)是肠杆菌目(Enterobacterales)的条件致病菌，主要引起院内感染，水槽排水管是主要储存库之一，其还可定植于多种潮湿表面及医疗设备。近年发现了多个新沙雷氏菌物种，但临床实践中常用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF MS)难以可靠区分沙雷氏菌种，且新物种未纳入数据库。虽然粘质沙雷氏菌仅占院感的1-2%，但分离率流行病学增加需进一步调查以防传播，其携带AmpC、ESBL、NDM、KPC等β-内酰胺酶基因可能导致抗生素失效。有效控制暴发需快速识别克隆性、传播途径和储存库，传统方法耗时且全基因组测序(whole genome sequencing, WGS)虽为金标准但资源要求高、耗时长，资源受限医院实验室难以本地化建立，因此亟需更简单快速的常规条件下识别流行病学相关性的方法。FTIR通过分析红外光穿过样本产生的干涉图，基于生物体分子组成产生光谱进行区分，自2017年Bruker商业化提供基于FTIR的细菌亚型分析系统，但目前仅一项研究评估该方法用于临床沙雷氏菌分离株流行病学分析且因分离株大多无关无法得出显著结论，故研究人员旨在评估IR Biotyper作为快速初始分型方法在常规条件下筛查潜在密切相关沙雷氏菌分离株的性能并与WGS比较。
研究人员开展了一项回顾性研究，收集2024年2月至3月共6周期间某合作临床中心神经重症监护病房成人通气患者临床样本中分离的28株沙雷氏菌属(Serratia spp.)分离株（含24株呼吸道材料首分离株、2株机构环境分离株及2株流行病学无关合作机构参考分离株），以WGS耦合核心基因组多位点序列分型(core genome multilocus sequence typing, cgMLST)为参考，评估FTIR（IR Biotyper）的分型性能，得出FTIR对密切相关分离株阳性预测值(PPV)为0.842，不相关分离株阴性预测值(NPV)为1.0，调整兰德指数(Adjusted Rand index, AR)为0.742，灵敏度(sensitivity)为1.0，特异度(specificity)为0.667，准确度(accuracy)为0.88，表明FTIR可作为疑似暴发时快速经济的一线筛查工具补充临床微生物实验室监测手段，具有重要意义。
主要关键技术方法包括回顾性研究设计，样本队列来源于2024年2月至3月某神经重症监护病房成人通气患者临床样本及机构环境与外院无关参考样本共28株沙雷氏菌属(Serratia spp.)分离株；采用IR Biotyper进行傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)检测，波数范围800–1300 cm-1，基于欧几里得距离使用非加权配对算术平均法(unweighted pair group method with arithmetic mean, UPGMA)进行层次聚类分析并自动生成辛普森多样性指数(Simpson’s Index of Diversity, SID)截断值分组；采用全基因组测序(whole genome sequencing, WGS)于NovaSeq X+平台进行2x150 bp双端测序，使用Ridom SeqSphere+进行cgMLST分析（≤12等位基因差异视为同簇），使用Geneious Prime进行成对单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)距离计算，使用TYGS（type strain genome server）进行物种判定；使用调整兰德指数(Adjusted Rand index, AR)和调整华莱士系数(Adjusted Wallace coefficient, AW)评估FTIR与cgMLST一致性，定义真阳性、假阳性、真阴性、假阴性计算灵敏度、特异度、准确度、阳性预测值(PPV)、阴性预测值(NPV)。
研究结果部分，鉴定分离株亚种水平：MicroScan WalkAway plus系统报告所有分离株为粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)，MALDI-TOF MS报告多数粘质沙雷氏菌及5株线虫沙雷氏菌(Serratia nematodiphilia)，WGS衍生MASH Screen和TYGS揭示异质性组成包括脲液化沙雷氏菌(Serratia ureilytica)、博克曼沙雷氏菌(Serratia bockelmannii)、萨鲁马尼沙雷氏菌(Serratia sarumanii)、粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)及内维沙雷氏菌(Serratia nevei)，并潜在新沙雷氏菌种，结果见表1。cgMLST分析：cgMLST分析检测到5个簇，25株研究分离株中16株属簇、9株为单例，共14种不同菌株类型，样本10因污染嗜麦芽窄食单胞菌(Stenotrophomonas maltophilia)排除。成对SNP距离计算：给定cgMLST簇内分离株成对SNP距离簇I-IV为0–3表明克隆关系，簇V两分离株SNP距离30但因取自同一水槽排水管和存水弯视为流行病学相关。FTIR流行病学分型：平均光谱树状图得初步簇，所有FTIR光谱树状图识别6株单例（2、9、12、17、23、25）从初步簇移除，参考株（24、26）及污染样10完全移除评估，最终25株潜在流行病学相关分离株被IR Biotyper分为5簇含19株及6单例，两最大簇A（n=7）和D（n=5），以cgMLST为真值参考，5个FTIR簇中2个与cgMLST不完全一致含额外无关分离株（簇I/A n=1；IV/D n=2），剩余3簇（II/B、III/C、V/E）及6单例完全一致，计算SID比较判别力FTIR为0.88（95% CI 0.804-0.956）、cgMLST为0.923（95% CI 0.861-0.985），计算AR为0.742（0.456-1.000）、AW为0.590（0.315-0.865），25株临床分离株中FTIR正确识别16株流行病学相关，无密切相关株被判无关，3株无关株被错误归入簇，6株正确识别无关，灵敏度为1.0，特异度为0.667，准确度为0.88，PPV为0.842，NPV为1.0。
讨论部分总结，研究中临床材料沙雷氏菌属(Serratia spp.)分离株增加提示可能暴发，FTIR已知可充分确定多种病原体临床分离株流行病学相关性，本研究中FTIR成功识别所有流行病学关联（灵敏度1.0），支持在IR Biotyper自动生成截断值下对沙雷氏菌属进行快速初始菌株分型，但3例无关株错误分组特异度0.667不理想，需进一步评估提高特异性，既往FTIR总体PPV 55.81%、NPV 86.79%，肠杆菌目(Enterobacterales)总体准确度78%，本研究PPV 84%、NPV 100%、准确度88%优于平均水平。先前研究认为FTIR需满足全基因组测序(whole genome sequencing, WGS)→FTIR调整华莱士系数(Adjusted Wallace coefficient, AW)≥0.95及FTIR→WGS AW≥0.5，本研究达WGS→FTIR AW 1.0（95% CI 1.0-1.0）及FTIR→WGS AW 0.590（95% CI 0.315-0.865），适合作一线筛查工具但置信区间大需未来研究。研究人员除FTIR外基于WGS数据用核心基因组多位点序列分型(core genome multilocus sequence typing, cgMLST)分型，因缺乏更好选择采用粘质沙雷氏菌(Serratia marcescens)生物信息流程，cgMLST成对≤12等位基因差异建议用于粘质沙雷氏菌暴发界定但非绝对，本研究6周内收集且仅每患者首分离株（除同水槽18、19），簇内成对单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism, SNP)距离计算确认基因组紧密关联，多数簇I-IV低距离无疑紧密关联，同患者伤口粘质沙雷氏菌同日采样可差达32 SNP，故同水槽同日采样簇V SNP距离30仍视相关，无通用基因组截断值判定暴发。IR Biotyper的FTIR菌株分型优势为样品制备相对简便、周转快、运营支出低、数据分析资源少，但表型分析致假阳性聚类事件、判别力低于NGS，需重新分析不同光谱窗口探索，局限包括样品制备高一致性、严格遵循协议、标准化孵育与时间、硅微孔板应用，琼脂类型与孵育时间影响需探索，部分属替代制备法更优，所有分离株源自一医疗中心限制推广及非暴发条件筛查推广，样本量小致AR与AW置信区间大（分别0.456-1.000、0.315-0.865），对应典型临床暴发情形，非为建立评估分类器而是获得真实经验探索FTIR筛查分型适用性，本研究集合为迄今最大沙雷氏菌属评估集，因小群密切相关分离株各簇多属不同沙雷氏菌种，限制单一物种推广，未来应逐种研究，成功聚类指示可能为FTIR区分沙雷氏菌属创建分类器，需更多研究评估适用性包括更大跨流行病学位点隔离株集、单物种亚分析、不同实验室重现性环形试验、评估光谱窗口及其他人工智能工具改进稳健性与重现性。
结论部分翻译：研究结果基于现有证据指示，IR Biotyper上的傅里叶变换红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR)是疑似暴发情境中快速、经济且易用的筛查方法（有一定局限性），适用于源自临床材料的若干沙雷氏菌属(Serratia spp.)快速初始分型。然而在当前方法条件下仅依赖IR Biotyper进行菌株分型可能导致错误分类。从技术角度该方法可快速实施且易于执行，微生物适当培养后样品制备仅需数分钟。因此将先进IR Biotyper应用整合入微生物实验室常规可能未来改善医院卫生实践，因快速初始划分院感暴发可使早期聚焦实施对策成为可能。
