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抗生素與我們的生活密切相關，它就像一把“雙刃劍”，昔日是對抗疾病延長生命的“萬能神藥”，隨著高頻率濫用，而今抗生素的耐藥性問題已成為世界衛生領域的重大難題，並嚴重威脅人類健康。由此，在臨床治療中，快速檢測抗生素敏感性技術將為人類帶來新福音。
近日，美國哈佛大學聯合麻省理工綜合醫院的研究人員開發出一套能夠同時檢測基因型和表型的“穩準快”抗生素敏感性檢測方法，並在國際頂級期刊Nature Medicine發表了相關成果。
19世紀末20世紀初，抗生素的發現改變了世界抵禦疾病的原始方式，就像“秘密武器”最終出場，人類壽命因此也大大提高。而隨著發現和使用還不到一百年，細菌生物對抗生素的耐藥性不斷增強，“超級細菌”的概念更讓人細思極恐，所謂的抗生素耐藥已經成為困擾世界各國的重大挑戰。根據世衛組織數據報道，預計到2050年，每年會有1000萬人因為細菌對抗生素產生耐藥性而喪生，相當於每3秒鐘就有1人死亡，危害程度趕超癌症。
面對這一重大生物安全隱患，及時診斷並使用最有效的抗生素以治療細菌感染的患者將是最有效的解決方法。然而目前，臨床上鑑定患者體內對哪些抗生素具有耐藥性，而哪些抗生素可以有效使用的檢測方法（如肉湯微量稀釋），通常需要2天以上，甚至一週時間，這種情況下，患者通常難以忍受病痛，醫生只能開具廣譜抗生素——如此一來，抗生素耐藥情況便愈演愈烈，難以控制。
近日，來自哈佛大學Deborah T. Hung實驗室的科學家們聯合麻省理工總醫院，一同開發了一種新的抗生素敏感性診斷方法，打破了時間和準確性壁壘，真正實現數小時準精準定位最佳抗生素，具有非常大的應用潛力。
現在臨床上使用的抗生素敏感性測試(Antibiotic Susceptibility Testing, AST)的金標準主要包括兩種，定位“表型”的方法要先從患者體內樣本分離得到細菌，然後在用含各種抗生素的培養基中培養細菌，觀察哪種抗生素藥物可以有效抑制微生物生長，即獲得表型結果；這種基於細菌培養的測定方法是準確的，但是培養過程耗時耗力。而最新的細菌“基因型”定位方法則以細菌的DNA為標準，檢測發現已知具有耐藥性的突變位點，這種方法雖然較快，但準確性較差，尤其是當產生未包含在測試內的耐藥變異位點時，可能造成變異位點遺漏。
為了解決這兩種檢測方法各自存在的短板問題，研究團隊將兩種方法巧妙結合，取長補短，發明了一種基於RNA檢測的基因型和表型雙定位的抗生素敏感性測試方法，即GoPhAST-R(Combined genotypic and phenotypic AST through RNA detection)——在經過早期的抗生素誘導後，研究人員通過檢測細菌中特定的信使RNA表達特徵，結合高通量測序技術和機器學習的分析方法，同時檢測關鍵性遺傳抗性變化，對分離的臨床菌株進行高準確度分類定位。這種方法可以在四個小時內提供準確結果，且精確度高達94-99％。
研究中，科學家發現，在培養皿中生長的同一種細菌在抗生素中暴露的數分鐘內，其耐藥性和藥物敏感性變化具有不同的信使RNA（mRNA）表達模式，即反映活性變化的差異基因。該方法還分析了mRNA轉錄物的序列，以揭示細菌是否攜帶已知會引起耐藥性的關鍵基因。隨後，根據機器學習算法，識別最能區分藥物敏感性和抗生素耐藥性的mRNA轉錄物。最後GoPhAST-R方法使用這些轉錄本對藥物敏感性未知的樣品進行分類，通過定位不同藥物敏感性的mRNA標記，在不受耐藥性的潛在遺傳因素影響的情況下，快速定位患者本身對某些抗生素的敏感性，產生準確結果。
研究團隊證明了，GoPhAST-R可以識別出當今臨床使用的三種主要抗生素類別的敏感性：卡巴培南，氟喹諾酮和氨基糖苷，它們對應五種經常具有耐藥性的常見病原體：大腸桿菌，肺炎克雷伯菌，鮑曼不動桿菌，金黃色葡萄球菌和銅綠假單胞菌。此外，他們還利用GoPhAST-R方法快速測定了麻省理工總醫院臨床微生物實驗室的患者樣品中，有對環丙沙星的高
敏感性結果，這些臨床數據都再次證明了該檢測方法的臨床潛力。為了使GoPhAST-R檢測方法在保質保量的基礎上，保證高效率檢測，該團隊還與NanoString生物技術公司合作，使用其二代RNA檢測平臺NanoString Hyb＆Seq。如此一來，與使用標準臨床實驗室的方法進行28-40小時的培養分析相比，該儀器允許GoPhAST-R在血液培養中陽性細菌被檢出後不到四小時的時間內確定抗生素敏感性結果。
GoPhAST-R檢測方法的實驗設計原理和在NanoString Hyb＆Seq測序平臺的工作流程（可區分易感菌株表型和檢測抗性菌株遺傳特徵）
這一檢測方法有效提高了抗生素耐藥性檢測的準確性，推動了耐藥檢測的分子流行病學發展，也為儘早發現新興的耐藥性機制提供了理論依據。這種雙管齊下的診斷方法讓檢測時間縮短了數倍，但精確度不減，可謂“事半功倍”。一方面，此類方法有望得到進一步開發，爭取應用於更多細菌感染和抗生素檢測；另一方面，這種檢測手段將真正改變臨床上對細菌感染患者的診斷和護理方式，以確保更有效地部署現有的抗生素庫使用，有效防止了耐藥性“超級細菌”的進一步出現和傳播。”
引用：
Roby P. Bhattacharyya et al. Simultaneous detection of genotype and phenotype enables rapid and accurate antibiotic susceptibility determination, Nature Medicine (2019)
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