临床微生物检验的快速诊断技术研究进展
发布时间：2009-08-28 10:20 来源：君健网
目前感染性疾病仍然是危害人类健康的重大隐患。随着新发和突发感染性疾病的涌现，曾已被控制的感染性疾病的卷土重来，造成感染性疾病的微生物种类日益复杂，常见的病原微生物的威胁不仅没有消除而且出现了大量耐药菌株，加上新的病原微生物的出现，给临床诊断和治疗带来了极大的困扰。严峻的现实给病原微生物的检测和诊断提出了更高的要求。世界卫生组织(WHO)对临床微生物实验室提出:临床微生物实验室尽可能把目标集中在快速诊断方面。利用一切手段将实验室数据转化为临床有用的信息。
1、自动化鉴定技术的应用
临床微生物的实验室检查以染色、培养、生化鉴定等为主，尤其是分离培养，目前仍然是许多病原体检测的“金标准”。但是，由于细菌的生长繁殖需要一定时间，使检测周期难以缩短。此外，很多病原体的培养受营养要求、抗生素应用及病原体含量等因素的影响，用传统人工方法操作复杂、检测周期长，敏感性与特异性也有限。为解决这一问题，各种自动化培养和鉴定系统不断产生，随着计算机的发展和应用，先后出现了许多自动与半自动细菌鉴定与药敏系统，统称为“微生物鉴定专家系统”，这些系统大大提高了临床实验室的工作效率和检测的准确性，传统鉴定方法也在逐步改进，并在一定程度内加快了检测速度。
2、免疫学方法
免疫学技术是利用特异性抗原抗体反应，检测病原微生物，简化了病原微生物的鉴定步骤，备受关注。各大文献数据库提供的数据显示，几乎建立了所有病原体的血清学检测方法，表明该方法已成为一种微生物实验室常用的成熟的检测技术。
2.1 凝集技术 常用的凝集技术有乳胶凝集技术和血清凝集技术。用于微生物的初步诊断、分型、鉴定，例如霍乱弧菌和志贺菌的分型，大肠杆菌O.57：H7、脑膜炎球菌等，短时间内就可完成鉴定。该诊断法具有操作简便、快速、准确、特异性强、阳性率高等特点。
2.2 荧光抗体技术 荧光抗体技术是根据抗原抗体反应具有高度的特异性，把荧光素作为抗原标记物，在荧光显微镜下检查呈现荧光的特异性抗原抗体复合物及其存在部位。荧光抗体技术的主要特点是特异性强、速度快。吕治林等报道由美国同行所作的用炭疽杆菌细胞壁(CW-DFA)和荚膜抗原(CAP-DFA)特异的荧光标记的单克隆抗体，可快速鉴别炭疽杆菌。
2.3 酶免疫技术 酶联免疫技术现已被广泛地应用于多种病原微生物的检测，可检测样本中病原体抗原，也可检测机体中的抗体成分。应用单克隆抗体结合硝酸纤维膜上的斑点ELISA技术，已成功地自患者的咽拭标本中同时检出可能存在的肺炎支原体、流感病毒、副流感病毒、呼吸道合胞病毒和腺病毒。Gehring等用酶联免疫化学发光法(ELIMCL)测定大肠杆菌O.57：H7。许多疾病的检测都已有商品化的试剂盒出现。
3、分子生物学技术
随着分子生物学技术的迅速发展，使人们对微生物的认识从外部表型逐渐转向内部基因结构特征，微生物的检测也从生化、免疫方法转向基因水平检测，对于那些难培养和不可能培养的微生物，可直接通过获得基因信息，给微生物学的检测带来崭新的领域，为科学快速发展提供了新的机遇。
3.1 PCR技术 PCR具有高度敏感性和特异性，在病原体检测上，对形态和生化反应不典型的微生物鉴定，常规方法常难以准确检测，即使出现大量死菌PCR也能做出准确的鉴定；不受混合标本的影响，可轻易从含有大量正常菌群的标本中鉴定病原菌；对于生长缓慢或难于培养的微生物鉴定，如分枝杆菌、幽门螺杆菌、支原体、衣原体、螺旋体等，目前其他方法阳性检出率很低，PCR技术对这类菌株的鉴定有重要意义。
但是常规PCR技术也存在一些问题，如出现假阳性、形成引物二聚体，检测操作也比较繁琐，中间污染环节多，易出现假阳性或假阴性结果。为了克服这些不足，一些新的PCR技术渐衍生出来并被用于实践，如巢式PCR、逆转录PCR、多重PCR、通用引物PCR(UP-PCR)、PCR单链构象多态性分析、随机引物DNA多态性扩增(RAPD)、限制性长度多态性分析(RFLP)、实时荧光定量PCR等。
3.2 基于16S rRNA与GyaB的检测技术
3.2.1 以16S rRNA为靶基因进行检测 16S rRNA存在于所有原核生物细胞中，它们相对稳定且有较高的拷贝数，其序列中含可变区及高度保守区，因此可设计群、属、种特异性的探针。现阶段各种常见细菌的16S rRNA基因几乎全部测序完成，16SrRNA编码基因的这些特点使之成为较理想的细菌基因分类的靶序列，逐渐成为细菌鉴定、分类的“金标准”。
3.2.2 以促旋酶(g yras e)B亚单位基因靶基因进行检测GyaB除了具有16S rRNA所具有的优点外，其基因进化率高于核糖体基因，还有GyaB在近乎全部细菌中呈单拷贝形式。有研究表明，基于GyaB序列构建的进化图谱与基于DNA-DNA杂交的相一致。因此，GyaB的分析特别适合于菌株的区别和鉴定。Fukushima等以GyaB基因为靶基因设计基因芯片来检测分枝杆菌属，实验结果显示此芯片鉴别分枝杆菌达到种水平，并且能区别密切相关的菌种，这对临床治疗具有重要的参考价值，说明分析GyaB基因序列对于在菌种水平鉴别细菌是快速而有效的方法。
3.3 多位点序列分型 多位点序列分型(MLST)是近年来发展很快的分子生物学分析方法，具有很高的分辨能力，既适于分子流行病学研究，也可用于分子进化学的研究。MLST越来越多地被作为能进行国际间菌株比较的常用工具，建立一种更为准确的分析系统方法，并且用于研究出现的不同的抗生素抵抗株，相关特殊基因型及新的变异株引起的疾病流行病学分析和种群结构的研究。
3.4 环介导等温扩增技术(LAMP) 环介导等温扩增技术(LAMP)，是近年来发展出的一种敏感、特异、方便快捷的核酸扩增技术。与传统方法相比，不需要热循环为等温扩增，且由于反应中产生大量的副产物-白色焦磷酸镁沉淀，扩增产物可不经过电泳，通过肉眼观察或浊度计即可判定结果。因此LAMP是一种不需要热循环仪、肉眼即可判定结果的高度特异和敏感的DNA扩增方法。该法针对靶基因的6个区域设计4条特异引物，利用一种链置换聚合酶在恒温条件(65℃左右)保温约60min即可完成核酸扩增反应，扩增出特征性梯状条带。还可通过设计两条环引物可使反应速度提升1/2～1/3。LAMP技术可用于病原微生物的现场快速检测、战时野外及基层普及应用。
4、分子生物传感器
分子生物传感器是将新兴的传感器技术和分子诊断技术相结合而成的一种新技术，是现代临床诊断发展的一个新方向。由于生物传感器检测准确、操作简便等特点，近年来已经在许多领域取得了很大的进展，在感染类疾病诊断、药物筛选、未来战争生物战剂监测等领域获得了广泛的应用，其中临床中用于病原体检测的以DNA生物传感器最为常见。华裔科学家陈建柱最新制成的生物传感器，仅需20s时间即可检测出微量SARS病毒、天花病毒及炭疽杆菌等的存在，从而达到早期诊断的目的。
5、基因芯片
基因芯片是高通量的群体指标分析系统，基因芯片技术是一项全新的技术，它以一次性检查上万个基因的优势，被誉为是基因功能研究中最伟大的一项发明。它以许多特定的寡核苷酸片断或基因片断作探针，有规律地排列、固定在诸如硅片、 玻璃片、尼龙膜等固相介质上形成生物分子点阵，以达到一次试验同时检测多种疾病或多种样品的目的。基于高通量、微型化和平行分析的特点，基因芯片在微生物病原体检测、种类鉴定、功能基因检测、基因分型、突变检测和基因组监测等研究领域中发挥着越来越重要的作用。目前，许多细菌、病毒等病原体的基因组测序已经完成，将许多代表各种微生物的特殊基因制成1张芯片，经反转录就可检测样本中有无病原体基因的表达及表达水平，由此判断病人感染病原、感染进程以及宿主反应等，这样就大大提高了检测效率。
6、蛋白指纹图谱技术
蛋白质指纹图谱技术是随着蛋白质组学兴起的一种新技术。近年来，越来越多的学者意识到有必要从蛋白质水平来研究微生物。蛋白质是细菌功能的执行者，细菌种类繁多，不同的蛋白种类决定细菌千变万化的功能和特征。1996年，Clayin等采用MALDITOF MS质谱成功鉴定了革兰阴性和革兰阳性细菌，表明不同属种的细菌具有不同的蛋白指纹图谱，同一种细菌具有相似的蛋白指纹图谱，根据细菌蛋白指纹图谱可对细菌进行快速鉴定。中科院微生物所唐宏研究员等利用“蛋白质质谱指纹图谱”最新技术及其检测办法，可以分析得出SARS与非SARS病人血清中的蛋白质成分变化。这种检测SARS病毒方法经北京天坛医院临床证实，阳性率接近95%，特异性将近96%，能在病人发烧的第一天即可以得出满意的检测结果。有专家称蛋白质指纹图谱技术标志着一种划时代的诊断模式的诞生。
随着计算机技术的不断发展，临床病原菌检测将向着高度自动化和开发简便的快速检测技术两个方向发展。分子生物学技术通过自动化仪器的使用，将在病原菌诊断、鉴定和耐药基因检测方面发挥巨大的的作用。随着多学科交叉时代的到来，最终将彻底改变临床病原菌检测的现状和传统观念，实现高效高质、快速统一。
（本文作者：解放军第二五二医院 李苏利）
1、自动化鉴定技术的应用
临床微生物的实验室检查以染色、培养、生化鉴定等为主，尤其是分离培养，目前仍然是许多病原体检测的“金标准”。但是，由于细菌的生长繁殖需要一定时间，使检测周期难以缩短。此外，很多病原体的培养受营养要求、抗生素应用及病原体含量等因素的影响，用传统人工方法操作复杂、检测周期长，敏感性与特异性也有限。为解决这一问题，各种自动化培养和鉴定系统不断产生，随着计算机的发展和应用，先后出现了许多自动与半自动细菌鉴定与药敏系统，统称为“微生物鉴定专家系统”，这些系统大大提高了临床实验室的工作效率和检测的准确性，传统鉴定方法也在逐步改进，并在一定程度内加快了检测速度。
2、免疫学方法
免疫学技术是利用特异性抗原抗体反应，检测病原微生物，简化了病原微生物的鉴定步骤，备受关注。各大文献数据库提供的数据显示，几乎建立了所有病原体的血清学检测方法，表明该方法已成为一种微生物实验室常用的成熟的检测技术。
2.1 凝集技术 常用的凝集技术有乳胶凝集技术和血清凝集技术。用于微生物的初步诊断、分型、鉴定，例如霍乱弧菌和志贺菌的分型，大肠杆菌O.57：H7、脑膜炎球菌等，短时间内就可完成鉴定。该诊断法具有操作简便、快速、准确、特异性强、阳性率高等特点。
2.2 荧光抗体技术 荧光抗体技术是根据抗原抗体反应具有高度的特异性，把荧光素作为抗原标记物，在荧光显微镜下检查呈现荧光的特异性抗原抗体复合物及其存在部位。荧光抗体技术的主要特点是特异性强、速度快。吕治林等报道由美国同行所作的用炭疽杆菌细胞壁(CW-DFA)和荚膜抗原(CAP-DFA)特异的荧光标记的单克隆抗体，可快速鉴别炭疽杆菌。
2.3 酶免疫技术 酶联免疫技术现已被广泛地应用于多种病原微生物的检测，可检测样本中病原体抗原，也可检测机体中的抗体成分。应用单克隆抗体结合硝酸纤维膜上的斑点ELISA技术，已成功地自患者的咽拭标本中同时检出可能存在的肺炎支原体、流感病毒、副流感病毒、呼吸道合胞病毒和腺病毒。Gehring等用酶联免疫化学发光法(ELIMCL)测定大肠杆菌O.57：H7。许多疾病的检测都已有商品化的试剂盒出现。
3、分子生物学技术
随着分子生物学技术的迅速发展，使人们对微生物的认识从外部表型逐渐转向内部基因结构特征，微生物的检测也从生化、免疫方法转向基因水平检测，对于那些难培养和不可能培养的微生物，可直接通过获得基因信息，给微生物学的检测带来崭新的领域，为科学快速发展提供了新的机遇。
3.1 PCR技术 PCR具有高度敏感性和特异性，在病原体检测上，对形态和生化反应不典型的微生物鉴定，常规方法常难以准确检测，即使出现大量死菌PCR也能做出准确的鉴定；不受混合标本的影响，可轻易从含有大量正常菌群的标本中鉴定病原菌；对于生长缓慢或难于培养的微生物鉴定，如分枝杆菌、幽门螺杆菌、支原体、衣原体、螺旋体等，目前其他方法阳性检出率很低，PCR技术对这类菌株的鉴定有重要意义。
但是常规PCR技术也存在一些问题，如出现假阳性、形成引物二聚体，检测操作也比较繁琐，中间污染环节多，易出现假阳性或假阴性结果。为了克服这些不足，一些新的PCR技术渐衍生出来并被用于实践，如巢式PCR、逆转录PCR、多重PCR、通用引物PCR(UP-PCR)、PCR单链构象多态性分析、随机引物DNA多态性扩增(RAPD)、限制性长度多态性分析(RFLP)、实时荧光定量PCR等。
3.2 基于16S rRNA与GyaB的检测技术
3.2.1 以16S rRNA为靶基因进行检测 16S rRNA存在于所有原核生物细胞中，它们相对稳定且有较高的拷贝数，其序列中含可变区及高度保守区，因此可设计群、属、种特异性的探针。现阶段各种常见细菌的16S rRNA基因几乎全部测序完成，16SrRNA编码基因的这些特点使之成为较理想的细菌基因分类的靶序列，逐渐成为细菌鉴定、分类的“金标准”。
3.2.2 以促旋酶(g yras e)B亚单位基因靶基因进行检测GyaB除了具有16S rRNA所具有的优点外，其基因进化率高于核糖体基因，还有GyaB在近乎全部细菌中呈单拷贝形式。有研究表明，基于GyaB序列构建的进化图谱与基于DNA-DNA杂交的相一致。因此，GyaB的分析特别适合于菌株的区别和鉴定。Fukushima等以GyaB基因为靶基因设计基因芯片来检测分枝杆菌属，实验结果显示此芯片鉴别分枝杆菌达到种水平，并且能区别密切相关的菌种，这对临床治疗具有重要的参考价值，说明分析GyaB基因序列对于在菌种水平鉴别细菌是快速而有效的方法。
3.3 多位点序列分型 多位点序列分型(MLST)是近年来发展很快的分子生物学分析方法，具有很高的分辨能力，既适于分子流行病学研究，也可用于分子进化学的研究。MLST越来越多地被作为能进行国际间菌株比较的常用工具，建立一种更为准确的分析系统方法，并且用于研究出现的不同的抗生素抵抗株，相关特殊基因型及新的变异株引起的疾病流行病学分析和种群结构的研究。
3.4 环介导等温扩增技术(LAMP) 环介导等温扩增技术(LAMP)，是近年来发展出的一种敏感、特异、方便快捷的核酸扩增技术。与传统方法相比，不需要热循环为等温扩增，且由于反应中产生大量的副产物-白色焦磷酸镁沉淀，扩增产物可不经过电泳，通过肉眼观察或浊度计即可判定结果。因此LAMP是一种不需要热循环仪、肉眼即可判定结果的高度特异和敏感的DNA扩增方法。该法针对靶基因的6个区域设计4条特异引物，利用一种链置换聚合酶在恒温条件(65℃左右)保温约60min即可完成核酸扩增反应，扩增出特征性梯状条带。还可通过设计两条环引物可使反应速度提升1/2～1/3。LAMP技术可用于病原微生物的现场快速检测、战时野外及基层普及应用。
4、分子生物传感器
分子生物传感器是将新兴的传感器技术和分子诊断技术相结合而成的一种新技术，是现代临床诊断发展的一个新方向。由于生物传感器检测准确、操作简便等特点，近年来已经在许多领域取得了很大的进展，在感染类疾病诊断、药物筛选、未来战争生物战剂监测等领域获得了广泛的应用，其中临床中用于病原体检测的以DNA生物传感器最为常见。华裔科学家陈建柱最新制成的生物传感器，仅需20s时间即可检测出微量SARS病毒、天花病毒及炭疽杆菌等的存在，从而达到早期诊断的目的。
5、基因芯片
基因芯片是高通量的群体指标分析系统，基因芯片技术是一项全新的技术，它以一次性检查上万个基因的优势，被誉为是基因功能研究中最伟大的一项发明。它以许多特定的寡核苷酸片断或基因片断作探针，有规律地排列、固定在诸如硅片、 玻璃片、尼龙膜等固相介质上形成生物分子点阵，以达到一次试验同时检测多种疾病或多种样品的目的。基于高通量、微型化和平行分析的特点，基因芯片在微生物病原体检测、种类鉴定、功能基因检测、基因分型、突变检测和基因组监测等研究领域中发挥着越来越重要的作用。目前，许多细菌、病毒等病原体的基因组测序已经完成，将许多代表各种微生物的特殊基因制成1张芯片，经反转录就可检测样本中有无病原体基因的表达及表达水平，由此判断病人感染病原、感染进程以及宿主反应等，这样就大大提高了检测效率。
6、蛋白指纹图谱技术
蛋白质指纹图谱技术是随着蛋白质组学兴起的一种新技术。近年来，越来越多的学者意识到有必要从蛋白质水平来研究微生物。蛋白质是细菌功能的执行者，细菌种类繁多，不同的蛋白种类决定细菌千变万化的功能和特征。1996年，Clayin等采用MALDITOF MS质谱成功鉴定了革兰阴性和革兰阳性细菌，表明不同属种的细菌具有不同的蛋白指纹图谱，同一种细菌具有相似的蛋白指纹图谱，根据细菌蛋白指纹图谱可对细菌进行快速鉴定。中科院微生物所唐宏研究员等利用“蛋白质质谱指纹图谱”最新技术及其检测办法，可以分析得出SARS与非SARS病人血清中的蛋白质成分变化。这种检测SARS病毒方法经北京天坛医院临床证实，阳性率接近95%，特异性将近96%，能在病人发烧的第一天即可以得出满意的检测结果。有专家称蛋白质指纹图谱技术标志着一种划时代的诊断模式的诞生。
随着计算机技术的不断发展，临床病原菌检测将向着高度自动化和开发简便的快速检测技术两个方向发展。分子生物学技术通过自动化仪器的使用，将在病原菌诊断、鉴定和耐药基因检测方面发挥巨大的的作用。随着多学科交叉时代的到来，最终将彻底改变临床病原菌检测的现状和传统观念，实现高效高质、快速统一。
（本文作者：解放军第二五二医院 李苏利）
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医生姓名：刘伏友
所在科室：肾内科
工作医院：中南大学湘雅二医院
专业职称：主任医师
擅长疾病： 腹膜透析、各类肾病、慢性肾功能衰竭、尿毒症、血液...
