一种新的分析方法可以比血培养更快、更准确地检测血液样本中的病原体，血培养是感染诊断的最新技术。这种称为数字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。
这种方法不仅比血培养更快，而且与其他新兴的基于 DNA 检测的技术(例如下一代测序)相比，产生假阳性的可能性也显着降低。
为什么这有关系?
这是大多数父母都有过的经历：你带孩子去看医生，因为他们发烧，可能咳嗽或打喷嚏。医生说，你的孩子受到了感染，但尚不清楚是细菌感染还是病感染。有时，医生会开抗生素“以防万一”。有时，他们会要求抽血以查看是否存在细菌。有时，两到三天后结果会呈阴性，此时您会被要求继续给孩子服用抗生素，这样他们的体内就不会开始培养抗生素耐药细菌。
当儿童出现败血症症状时，同样的情况也会发生在儿科重症监护室和急诊室，风险更高。在这种情况下，高达30%的患者接受了错误的治疗，这实际上使他们面临更高的亡风险。对于脓症，速度更为重要，因为如果感染未得到诊断或治疗不准确，亡风险每小时就会增加 4%。
研究人员对儿科患者的血液样本进行了一项试点临床研究，结果表明，他们的方法的结果与检测败血症的血培养结果完全匹配。但他们的方法检测病原体的速度比临床血培养快 7.5 小时至约 3 天。这些测试不仅限于简单的阳性或阴性结果，还可以量化样本中存在多少病原体。
该方法依赖于通用数字高分辨率 DNA 熔化，其中 DNA 被加热直至分解。每个 DNA 序列在解链过程中都有特定的特征。当融化过程被成像和分析时，机器学习算法确定样本中存在哪些类型的 DNA 并识别病原体。
研究小组在 2 月 21 日出版的《分子诊断杂志》上发表了他们的发现。
“这是第一次对疑似败血症患者的全血进行测试。因此，这项研究更现实地预览了该技术在真实临床场景中的表现。”该论文的资深作者、加州大学圣地亚哥分校 Shu Chien-Gene Lay 生物工程系教授 Stephanie Fraley 说道。
据估计，全球五分之一的亡是由于脓症相关并发症造成的。其中 41% 的亡发生在儿童身上。早期发现对于脓症生存至关重要，因为感染未得到诊断或治疗不准确，亡风险每增加一小时，亡风险就会增加 4%。
通常，医生会在等待血培养结果的同时给脓症患者服用抗生素。这可能会导致抗生素耐药性。
“底线是，我们没有根据证据进行治疗，”弗雷利说。“我们越是在没有证据的情况下进行治疗，就越可能引起意想不到的问题。有时，我们用抗菌药物治疗患有真菌或病感染的患者。这可能会导致抗生素耐药性并显着改变患者的微生物组。”
该方法如何运作
这一切都始于试点临床研究中 17 名患者的每个样本中的一毫升血液。这些样本与婴儿和幼儿的血培养样本同时采集。
研究人员完善了 DNA 分离和机器学习方法，以减少或消除来自样本中病原体 DNA 的人类 DNA 信号。“由于人类 DNA 的数量明显多于病原体 DNA，这使我们能够更好地检测病原体，即&luo;大海捞&ruo;。” ，”弗雷利说。
姆里杜·辛哈 (Mridu Sinha)，弗雷利的前博士生之一。他们共同创立的初创公司 Melio 的学生和现任首席执行官优化了机器学习算法，以可靠地检测病原体熔解曲线和背景噪声之间的差异。该算法将曲线与已知 DNA 熔解曲线的数据库进行匹配。它还能够检测不在此数据库中的生物体创建的曲线，如果样本中包含罕见或新出现的病原体，则这些曲线可能会出现在样本中。
结果不仅与相同血样的血培养结果完全匹配，而且还与血培养结果完全一致。他们也没有产生任何误报。相比之下，其他类型的测试依赖于核酸扩增和下一代 DNA 测序数据库，会放大任何存在的 DNA，从而导致误报。DNA 通常会从环境、试管、试剂、皮肤等进入样本。样品污染可能会导致了解如何解释测试结果的问题。
“我们的测试结合了样品制备过程、检测设计技术和算法，确保我们只检测来自完整生物体的 DNA，这与临床相关，”Sinha 说。
下一步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，并共同创立了初创公司 Melio，将他们的方法商业化。
弗雷利说：“我们希望让医生能够不根据汇总数据，而是根据精确、准确的个人数据来治疗患者，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，导致其在 50 至 90 摄氏度(约 120 至 190 华氏度)的温度下融化。
当 DNA 双螺旋融化时，将 DNA 链结合在一起的键就会断裂。根据 DNA 序列的不同，键具有不同的强度，这会改变链彼此展开的方式。这创建了一个独特的序列依赖性指纹，研究人员可以使用特殊染料进行检测。这种染料使解旋过程发出荧光，形成研究人员所说的熔解曲线——每种病原体的独特特征。
过去，DNA 熔解产生的简单曲线主要用于确认 PCR 反应是否有效，但这种新方法可促进熔解，生成基因序列特有的复杂熔解曲线特征。
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(SIF 的奖项号为 R01AI134982)、Scientific Interface 的 Burroughs Wellcome 基金职业奖(SIF 的奖项号为 1012027)和 UD 临床转化研究资助研究所和加州大学圣地亚哥分校加速创新市场试点拨款。
拉迪儿童医院和加州大学圣地亚哥分校儿科系新生儿科主任 Karen Mestan 博士引用道：
“这项研究的结果满足了儿科的重要需求，特别是对于危重婴儿和小儿，其中临床需要菌血症的迹象极难解读。在早期亚临床脓症以及严重的感染性休克的情况下，细菌病原体通常很难及时准确地识别。迫切需要一种比当前实践提供更高可靠性和更短周转时间的测试。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，更好的抗生素管理，提高和更快的诊断准确性，并整体改善儿科结局。在严重的血液感染的情况下，它可以挽救生命。”