Công nghệ khối phổ MALDI-TOF với hệ thống định danh vi sinh vật nhanh chóng

Công nghệ khối phổ MALDI-TOF mang lại hệ thống định danh vi sinh vật tự động với cơ sở dữ liệu mạnh mẽ, giảm thời gian chờ kết quả xuống còn vài phút, điều này cực kỳ có ý nghĩa trong việc phát hiện và điều trị bệnh trên động vật thuỷ sản.

Công nghệ khối phổ MALDI-TOF là gì?

Phương pháp ion hóa mẫu hấp thụ dựa trên sự hỗ trợ của các chất nền và năng lượng laser (MALDI) sử dụng tia laser để hấp thụ năng lượng từ chất nền nhằm tạo ra các ion với sự phân mảnh tối thiểu từ các phân tử lớn. Nó có thể phân tích các polyme sinh học như DNA, protein, peptide, carbohydrate và các đại phân tử hữu cơ khác. Trong phép đo khối phổ thời gian bay (TOF) MALDI (MS), máy phân tích TOF đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) của các phân tử tích điện.

Điều cần thiết là xác định và phân biệt vi khuẩn khi tiến hành các xét nghiệm để chẩn đoán bệnh, xác định nguồn lây nhiễm hoặc nghiên cứu tác động của các phương pháp điều trị hoặc điều kiện môi trường đối với quần thể vi sinh vật. MALDI-TOF MS là một trong những phương pháp proteomics mạnh mẽ nhất và là cách nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm để xác định và phân biệt các vi khuẩn, chẳng hạn như vi khuẩn, vi rút, ký sinh trùng và nấm. Công nghệ này tạo ra các dấu vân tay phổ khối riêng cho từng vi sinh vật và do đó có thể xác định chúng một cách chính xác ở cấp độ chi và loài.

MALDI-TOF MS so sánh quang phổ từ các tế bào nguyên vẹn tạo ra với cơ sở dữ liệu dấu vân tay một cách đơn giản và nhanh chóng, khiến nó trở nên lý tưởng để sử dụng trong môi trường phòng thí nghiệm chẩn đoán. Cơ sở dữ liệu được lưu giữ có thể được sử dụng để xác định các loài và phân loài bất kể các điều kiện nuôi cấy được sử dụng để nuôi cấy vi sinh vật.

Một tính năng khác của MALDI-TOF MS liên quan đến kết nối khối lượng dấu ấn sinh học với cơ sở dữ liệu hệ protein: protein là phân tử sinh học được quan sát nhiều nhất với tỷ lệ khối lượng trên điện tích lớn hơn 4000 m/z trong quang phổ MALDI-TOF thu được từ chiết xuất toàn tế bào. Do đó, có thể dự đoán khối lượng protein từ bộ gen được giải trình tự và tìm kiếm các kết quả phù hợp với khối lượng có nguồn gốc thực nghiệm. Phương pháp tiếp cận dựa trên tin sinh học này ưu việt hơn so với phương pháp lấy dấu vân tay vi khuẩn, vì nó có thể xác định vi khuẩn mặc dù có sự khác biệt về cấu hình protein, sự phát triển của môi trường nuôi cấy và điều kiện xử lý mẫu. Nó cũng có thể phát hiện độc tố vi sinh vật và phân tích khả năng kháng kháng sinh.

Tầm quan trọng của việc xác định cấp độ loài trong dược phẩm

Giới tính của một sinh vật không phải là một chỉ số chính xác về loài của nó. Theo đó, chỉ xác định giới tính là không đủ khi đánh giá vi sinh vật do sự tương tác của cộng đồng vi sinh vật với môi trường ngày càng phức tạp. Trong cùng một loại vi khuẩn, một loài có thể cực kỳ quan trọng. Việc xác định loài vi sinh vật sẽ phát hiện được nguyên nhân gốc rễ gây lây nhiễm. Cách tiếp cận này phù hợp với các khuyến nghị mới nhất về Tiêu chuẩn Thực hành Sản xuất Tốt (GMP) của Châu Âu. Hướng dẫn nêu rõ rằng tất cả các vi sinh vật được tìm thấy trong khu vực Hạng A (khu vực hoạt động có rủi ro cao, chẳng hạn như dây chuyền chế biến vô trùng) hoặc khu vực Hạng B (phòng sạch nền cho khu vực Hạng A) phải được xác định theo loài của chúng và cũng cần thiết lập ảnh hưởng tiềm ẩn của chúng đối với chất lượng sản phẩm (đối với các lô tương ứng) và kiểm soát sản xuất. Hướng dẫn cũng khuyên rằng điều cần thiết là xác định và xem xét các vi sinh vật được tìm thấy ở các khu vực Hạng C và Hạng D (phòng sạch được chỉ định cho các giai đoạn ít quan trọng hơn của quy trình sản xuất, chẳng hạn như chuẩn bị dung dịch) khi vượt quá giới hạn hành động hoặc mức cảnh báo hoặc sau khi phân lập các sinh vật có thể dẫn đến giảm khả năng kiểm soát, thiếu độ sạch hoặc khó kiểm soát, chẳng hạn như vi sinh vật hình thành bào tử và nấm mốc và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm (đối với các lô tương ứng) và kiểm soát sản xuất cũng cần được thiết lập.

Ưu điểm của công nghệ khối phổ MALDI-TOF

Kỹ thuật MALDI-TOF có thể đánh giá vi khuẩn Gram dương, Gram âm, nấm mốc, mycobacteria và vi khuẩn kỵ khí, cung cấp thông tin chi tiết cần thiết để xác định chính xác tình trạng nhiễm vi khuẩn. Các ứng dụng bao gồm phát hiện sớm vi sinh vật trên dây chuyền sản xuất dược phẩm hoặc phòng thí nghiệm. Kỹ thuật MALDI-TOF có thể giúp ngăn ngừa nhiễm bẩn, tiết kiệm thời gian, chi phí và thúc đẩy dây chuyền sản xuất nhanh chóng. Một nghiên cứu so sánh nhận định rằng công nghệ khối phổ MALDI-TOF đã giảm thời gian cho kết quả từ 24 đến 48 giờ xuống dưới 30 phút. Điều này cho phép thực hiện các biện pháp kiểm soát vi sinh nhanh chóng, đưa ra kết quả chính xác hơn cho ngành dược phẩm.

Công nghệ khối phổ MALDI-TOF cũng có thể phát hiện nhiều tạp chất trong một mẫu duy nhất, loại bỏ sự chậm trễ mà không làm tăng chi phí hoặc các bước bổ sung trong quy trình: MALDI-TOF cho phép tự kiểm tra và giảm chi phí thông qua quá trình định danh nội bộ. Một nghiên cứu so sánh ước tính rằng việc xác định MALDI-TOF cần thời gian trung bình là 6 phút để giảm khoảng 70 đến 80% chi phí so với các phương pháp thông thường. Một phương pháp thay thế, chẳng hạn như các phương pháp dựa trên axit nucleic, đắt tiền, tốn thời gian và ít thực tế hơn so với MS để phát hiện và phân tích trong phòng thí nghiệm thông thường.

VITEK® MS PRIME với công nghệ khối phổ MALDI-TOF 

bioMérieux có hơn 50 năm kinh nghiệm về lĩnh vực vi sinh và đã sử dụng chuyên môn này để phát triển hệ thống MALDI-TOF tự động đáp ứng các thách thức về kiểm soát chất lượng vi sinh. Cả tia laser và phương pháp bắn tia laser đều đã được hoàn thiện để đảm bảo xác định loài vi sinh vật.

Cơ sở dữ liệu mạnh mẽ có tính đa dạng về loài, tạo điều kiện cho hiệu suất xác định loài nâng cao, bao gồm Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Candida albicans và Aspergillus brasiliensis . Cải tiến mới nhất của bioMérieux tập trung vào nấm mốc, vi khuẩn mycobacteria và nhiều loài vi khuẩn quan trọng, bổ sung thêm 286 loài cho 186 loài vi khuẩn và 107 loài nấm. Các thuật toán cũng được thay đổi cho phép phân biệt giữa các loài khép kín như Bacillus cereus và Bacillus thuringiensis .

Cơ sở dữ liệu VITEK ^® MS PRIME hiện cho phép xác định 1.585 loài, bao gồm 16.000 chủng vi khuẩn, nấm men và nấm mốc trong vòng vài phút. Với trung bình 12 chủng trên mỗi loài và nâng cao hiệu quả quy trình làm việc, VITEK® MS PRIME đảm bảo xác định loài chính xác và mạnh mẽ.

Cấu trúc cơ sở dữ liệu bioMérieux nâng cao hiệu suất xác định loài cho một nhóm dược phẩm quan trọng: một nghiên cứu sử dụng MALDI-TOF MS để phân biệt các nhóm Bacillus cereus và Bacillus subtilis đã đưa ra kết quả có độ chính xác cao trong việc phân biệt giữa các loài này mà không cần bất kỳ bước chiết xuất nào. Cơ sở dữ liệu được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm 2.745 phổ tham chiếu từ 117 loài thuộc chi Bacillus và các loài liên quan. Không có hệ thống MS nào khác có thể phân biệt các loài này trong thử nghiệm thông thường.