通过熔解DNA更快更准确地检测病原体

一种新的分析方法可以比血液培养更快、更准确地检测血液样本中的病原体，这是目前感染诊断的最新技术。这种被称为数字DNA熔解分析的新方法可以在6小时内产生结果，而培养通常需要15小时到几天，具体取决于病原体。

　　

一种新的分析方法可以比血液培养更快、更准确地检测血液样本中的病原体，这是目前感染诊断的最新技术。这种被称为数字DNA熔解分析（digital DNA melting analysis）的新方法可以在6小时内产生结果，而培养通常需要15小时到几天，具体取决于病原体。

这种方法不仅比血液培养更快，而且与其他新兴的基于DNA检测的技术(如新一代测序)相比，它产生假阳性的可能性也大大降低。

为什么这很重要?

大多数父母都有过这样的经历:你带孩子去看医生，因为他们发烧了，可能是咳嗽或打喷嚏。医生说，你的孩子感染了，但不清楚是细菌还是病毒。有时，医生会开抗生素“以防万一”。有时，他们会要求抽血看看是否有细菌存在。有时，两到三天后结果会是阴性，这时你会被要求继续给你的孩子服用抗生素，这样他们就不会开始在体内培养耐抗生素细菌。

当儿童出现败血症症状时，同样的情况也会出现在儿科重症监护室和急诊室，风险更高。在这种情况下，多达30%的患者接受了错误的治疗，这实际上使他们面临更高的死亡风险。对于败血症来说，速度更为重要，因为感染未得到诊断或治疗不准确，每小时死亡风险就会增加4%。

研究人员对儿科患者的血液样本进行了初步临床研究，结果表明，他们的方法在检测败血症方面的结果与血培养结果完全吻合。但他们的方法检测病原体的速度比临床血培养快7.5小时到3天左右。这些检测也超越了简单的阳性或阴性结果，以量化样品中存在多少病原体。

这种方法依赖于通用的数字高分辨率DNA熔解，DNA被加热直到分离。每个DNA序列在熔解过程中都有一个特定的特征。随着熔解过程的成像和分析，机器学习算法确定样品中存在哪些类型的DNA并识别病原体。

研究小组在2月21日出版的《分子诊断学杂志》上发表了他们的发现。

“这是第一次在怀疑患有败血症的患者的全血上测试这种方法。因此，这项研究是对该技术如何在真实临床场景中发挥作用的更现实的预览，”该论文的资深作者、加州大学圣地亚哥分校生物工程系的教授斯蒂芬妮·弗莱利说。

据估计，全世界每5例死亡中就有1例与败血症相关的并发症有关。其中41%的死亡发生在儿童身上。早期发现对脓毒症的生存至关重要，因为未诊断或治疗不准确的感染每小时死亡风险就会增加4%。

通常情况下，医生会在等待血培养结果的同时给败血症患者服用抗生素。这可能会导致抗生素耐药性。

“底线是，我们不是基于证据来治疗的，我们越是在没有证据的情况下进行治疗，就越可能造成意想不到的问题。有时，我们用抗菌药治疗患有真菌或病毒感染的病人。这会导致抗生素耐药性，并在很大程度上改变患者的微生物群。”

这个方法是如何工作的

在初步临床研究中，从17名患者的每个样本中提取一毫升血液开始。这些样本与婴幼儿血液培养样本同时采集。

与样本中的病原体DNA相比，研究人员完善了DNA分离和机器学习方法，以减少或消除来自人类DNA的信号。Fraley说:“由于人类DNA的数量远远超过病原体DNA，这使我们能够更好地检测出‘大海捞针’，即病原体。”

姆里杜·辛哈(Mridu Sinha)是弗莱利的前博士生之一，现在是他们共同创立的初创公司Melio的首席执行官，他优化了一种机器学习算法，可以可靠地检测病原体和背景噪音的熔解曲线之间的差异。该算法将这些曲线与已知DNA熔解曲线的数据库相匹配。它还能够检测出数据库之外的生物体产生的曲线，如果样本中含有罕见或新出现的病原体，这些曲线可能会出现。

结果不仅与来自相同血液样本的血液培养结果完全吻合;他们也没有产生任何误报。相比之下，依赖于核酸扩增和下一代DNA测序数据库的其他类型的测试将扩增任何存在的DNA，导致假阳性。通常，DNA会从环境、试管、试剂、皮肤等进入样本。样品污染会导致知道如何解释测试结果的问题。

Sinha说:“我们的测试结合了样品制备过程、分析设计技术和算法，确保我们只检测来自完整生物体的DNA，这是临床相关的。”

接下来的步骤包括进行更广泛的临床研究，以及将该方法扩展到成年患者。

Fraley和Sinha从加州大学圣地亚哥分校获得了这项技术的许可，并共同创立了创业公司Melio，将他们的方法商业化。

Fraley说:“我们希望让医生能够根据精确、准确的个人数据而不是综合数据来治疗病人，从而实现真正的个性化医疗。”

什么是DNA熔解?

血液样本中的DNA被加热，使其在50至90摄氏度(约120至190华氏度)的温度下熔解。

当DNA双螺旋结构熔解时，将DNA链连接在一起的键断裂。根据DNA序列的不同，这些键具有不同的强度，这就改变了DNA链相互展开的方式。这创造了一个独特的序列依赖指纹，研究人员可以使用一种特殊的染料来检测。这种染料使解绕过程发出荧光，形成研究人员所说的熔解曲线——每种病原体的独特特征。

在过去，DNA熔解产生了简单的曲线，主要用于确认PCR反应是否有效，但这种新方法将熔解推进到产生复杂的熔解曲线特征，这是基因序列所独有的。

这项工作由美国国立卫生研究院国家过敏和传染病研究所(奖励号为R01AI134982)，科学接口的巴勒斯威康基金职业奖(奖励号为1012027)，以及加州大学圣地亚哥分校临床转化研究所和加州大学圣地亚哥分校加速创新市场试点资助。

引用Rady儿童医院新生儿科主任和加州大学圣地亚哥分校儿科科主任Karen Mestan博士的话说:“这项研究的发现填补了儿科的重要需求，特别是对于危重婴儿和幼儿，他们的临床症状菌血症非常难以解读。在早期亚临床败血症和压倒性感染性休克的情况下，细菌病原体往往难以及时准确地识别。迫切需要一种比目前的做法提供更高的可靠性和更短的周转时间的测试。U-dHRM的最终临床应用将减少不必要的抗生素暴露，预防不良副作用和全球抗生素耐药性，更好地管理抗生素，提高和加快诊断准确性，并总体改善儿科预后。在严重的血液感染病例中，它可以挽救生命。”