代谢组学助力尿路感染快速诊断：开启精准医疗新篇章

为解决尿路感染（UTI）诊断难题，研究人员开展代谢组学研究，发现两种生物标志物，助力快速诊断。

　　在日常生活中，尿路感染（Urinary Tract Infections，UTI）就像一个隐藏在暗处的 “小麻烦”，频繁地困扰着人们的健康。据统计，仅在美国，每年就有超过八百万次因 UTI 而产生的医疗就诊。目前，微生物实验室用于处理 UTI 样本的诊断流程繁琐又耗时，需要在琼脂平板上涂抹尿液、培养 18 小时、进行菌落计数、通过基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF）鉴定微生物，还要进行抗生素敏感性测试，整个流程往往需要 24 - 48 小时。这样漫长的等待，使得临床医生常常在实验室结果出来之前就不得不开具抗生素处方。然而，令人担忧的是，临床检测中高达 70% 疑似 UTI 的病例最终被证实为培养阴性，这种经验性的抗菌药物处方不仅导致了抗生素的过度使用，还可能加速了抗菌药物耐药性的传播。因此，开发一种能够快速准确诊断 UTI 的工具迫在眉睫。

为了攻克这一难题，来自加拿大卡尔加里大学（University of Calgary）阿尔伯塔高级诊断中心（Alberta Centre for Advanced Diagnostics）等机构的研究人员，包括 Carly C. Y. Chan、Daniel B. Gregson、Spencer D. Wildman 等，开展了一项针对 UTI 的代谢组学研究。他们的研究成果发表在《Nature Communications》上，为 UTI 的诊断带来了新的希望。

在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，他们采用非靶向代谢组学分析（untargeted metabolomics analysis），对患者尿液样本进行检测。同时，利用靶向质谱（targeted mass spectrometry）技术，对特定代谢物进行定量分析。此外，通过微生物培养实验，验证了代谢物的来源。在样本队列方面，研究人员收集了来自门诊、住院和疗养院有症状患者的尿液样本，这些样本涵盖了不同性别和年龄段，确保了研究结果的代表性。

研究结果主要体现在以下几个方面：

1. UTI 生物标志物的发现：研究人员对 77 份培养阳性和 33 份培养阴性的尿液样本进行非靶向代谢组学分析，发现 m/z114.1025、m/z131.1289 和 m/z150.0772 的信号具有较高的诊断价值。进一步确认，前两个信号对应胍丁胺（agmatine），是精氨酸代谢的产物；第三个信号对应 N⁶- 甲基腺嘌呤（N⁶-methyladenine），是原核生物中发现的一种修饰核苷碱基。
2. 胍丁胺作为 UTI 生物标志物的验证：通过对 519 份尿液培养样本的分析，发现尿液中胍丁胺水平与尿路致病性肠杆菌科（Enterobacterales）的存在密切相关。当胍丁胺浓度达到 174nM 时，对大肠杆菌（E. coli）、柠檬酸杆菌属（Citrobacter species）、肠杆菌属（Enterobacter species）、克雷伯菌属（Klebsiella species）和奇异变形杆菌（Proteus mirabilis）感染具有较高的预测价值，敏感性为 94%，特异性为 97%。
3. N⁶- 甲基腺嘌呤作为 UTI 生物标志物的验证：针对肠球菌、葡萄球菌等其他较少见病原体引起的 UTI，研究人员收集了 71 份非肠杆菌科 UTI 标本和 24 份阴性对照样本。LC-MS 分析显示，N⁶- 甲基腺嘌呤信号能够有效区分培养阴性尿液样本和感染样本，对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）、腐生葡萄球菌（Staphylococcus saprophyticus）和解脲气球菌（Aerococcus urinae）的预测价值较高。
4. 微生物代谢能力的验证：通过在无菌尿液中接种大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，并添加¹⁵N 标记的精氨酸，研究人员发现大肠杆菌能够产生胍丁胺，金黄色葡萄球菌能够产生 N⁶- 甲基腺嘌呤，证实了这些生物标志物来源于微生物代谢。同时，研究还表明，硼酸能够抑制微生物生长，避免因微生物产生目标代谢物而导致假阳性结果。
5. 临床队列验证：在两个临床队列中，研究人员进一步验证了代谢组学方法在 UTI 诊断中的可行性。第一个队列中，使用靶向诊断工作流程对 587 份尿液样本进行分析，结果再次证实尿液胍丁胺水平能够准确预测肠杆菌科感染。第二个队列中，开发了 “稀释进样” 的样本制备工作流程和 3.2 分钟的 LC-MS 靶向检测方法，对 1042 份尿液样本进行分析，发现尿液胍丁胺浓度超过 174nM 对肠杆菌科感染的预测准确性较高，N⁶- 甲基腺嘌呤水平也对 UTI 具有一定的预测价值。

研究结论表明，代谢组学方法能够通过检测未培养尿液中的代谢物水平，准确再现传统尿液培养的结果，为 UTI 的快速诊断提供了新的途径。胍丁胺作为肠杆菌科感染的诊断标志物表现出色，有望应用于临床。然而，该研究也存在一些局限性，如生物标志物只能检测菌尿，无法确定是否感染；不能进行病原体的物种鉴定和药敏测试；对某些病原体存在检测盲点。尽管如此，这项研究为 UTI 的诊断提供了重要的理论依据和实践指导，为开发更精准、快速的 UTI 诊断工具奠定了基础，有望在未来的临床实践中发挥重要作用，帮助医生更准确地诊断 UTI，减少抗生素的不合理使用，遏制抗菌药物耐药性的传播。