仅基于MALDI-TOF质谱预测金黄色葡萄球菌乳房内感染持续性的判别能力有限

《Journal of Dairy Science》：Limited discriminatory power for predicting persistence of S. aureus intramammary infections using MALDI-TOF mass spectra alone

　　

金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是加拿大奶牛群中乳房内感染（intramammary infections, IMI）的主要原因。这些感染常与体细胞数（somatic cell counts, SCC）升高相关，并通过降低乳品质和产奶量造成重大经济损失。近期，基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（Matrix-Assisted Desorption/Ionization Time-of-Flight Mass Spectrometry, MALDI-TOF MS）产生的质谱已被用于表征金黄色葡萄球菌的基因型特征。这项纵向研究的目的是评估机器学习算法是否能够仅基于MALDI-TOF质谱特征，将金黄色葡萄球菌IMI分类为持续性或短期性。作为国家奶牛场队列的一部分，研究人员于2007年至2008年期间，从加拿大91个奶牛群的15头泌乳牛每周采集奶样。从超过137,000份乳区水平奶样中，研究人员筛选出至少分离到一次金黄色葡萄球菌的1,602个乳区。持续性IMI定义为每个乳区有≥5份金黄色葡萄球菌阳性奶样；短期IMI定义为单个金黄色葡萄球菌阳性奶样，且其前后各有2份阴性奶样。研究共纳入370株分离株（222株来自持续性IMI，148株来自短期IMI）。对MALDI-TOF MS产生的质谱进行预处理，从训练数据集中获得132个参考峰，并用于构建训练集和验证集的特征矩阵。无监督分析（主成分分析PCA、k-means聚类）显示出部分聚类，但不同IMI结局之间存在大量重叠。研究人员使用监督模型（随机森林Random Forest和二元判别分析Binary Discriminant Analysis）对分离株进行分类。最终随机森林模型在验证集上的准确率为62.1%（95% CI: 55.0–68.7%），Kappa值为0.06，表明预测类别与真实类别之间的一致性较差。在预测持续性感染方面，灵敏度高达99.2%（95% CI: 95.5–100.0%），但特异度极低（0.06%，95% CI: 0.02–0.1%），ROC为0.53，提示无判别能力。这些发现表明，仅凭MALDI-TOF质谱不足以准确预测持续性金黄色葡萄球菌IMI。此外，在解释这些发现对当代金黄色葡萄球菌种群的适用性时，应考虑本研究中所用分离株的历史性质。

解释性摘要：金黄色葡萄球菌是奶牛乳房内感染的主要原因，常导致持续性感染。本研究评估了MALDI-TOF质谱能否区分加拿大奶牛中持续性金黄色葡萄球菌乳房内感染与短期金黄色葡萄球菌乳房内感染。研究人员使用基于370株分离物质谱特征训练的机器学习模型，分类性能较差。结果表明，在现场条件下，仅凭MALDI-TOF质谱本身不能提供足够的判别力来区分持续性金黄色葡萄球菌乳房内感染与短期感染，并强调感染结局受到细菌质谱特征之外的奶牛个体因素强烈影响。

乳房炎是全世界奶牛群中最常见的感染性疾病，金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）是临床型乳房炎和亚临床型乳房炎的重要病原。金黄色葡萄球菌引起的乳房内感染（intramammary infections, IMI）常与体细胞数（somatic cell counts,