耐碳青霉烯类肺炎克雷伯菌(CRKP)感染对人类健康构成重大威胁。快速准确地预测肺炎克雷伯菌碳青霉烯耐药性和碳青霉烯酶基因型对于指导抗生素治疗和降低死亡率至关重要。在这项研究中，我们提出了一种使用Al-MOF/TiO2@Au立方异质结构对完整细菌细胞进行代谢分析的新方法，能够快速诊断CRKP及其碳青霉烯酶基因型。Al-MOF/TiO2@Au立方体复合材料表现出强的光吸收和高表面积，有利于从完整的细菌细胞原位有效提取代谢指纹。利用这种方法，我们快速、灵敏地提取了来自患者的169株肺炎克雷伯菌临床分离株的代谢指纹。代谢指纹变化的机器学习分析成功地将CRKP与敏感菌株区分开来，在基于254 m/z特征的训练和测试集中分别实现了1.00的曲线下高面积(AUC)值。此外，该平台能够快速鉴别CRKP的碳青霉烯酶基因型，用于精确的抗生素治疗。我们的策略在快速诊断CRKP和碳青霉烯酶基因型鉴别方面具有巨大的潜力，可以指导医院和社区对CRKP细菌感染的有效管理。![]()
用于CRKP及其基因型预测的Al-MOF/TiO2@Au辅助LDI-MS示意图。(a)Al-MOF/TiO 2 @ Au的合成以及该复合物辅助LDI-MS提取完整细菌细胞的过程。(b)用于预测CRKP及其碳青霉烯酶基因型的基于原位代谢物的机器学习模型。
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(a–d)SEM图像，(e) TEM图像，以及(f)Al-MOF/TiO 2 @ Au的HAADF-STEM图像。(g–l)Al-MOF/TiO 2 @ Au的元素映射，(g) C为红色，(h) O为蓝色，(i) N为浅蓝色，(j) Al为粉红色，(k) Au为黄色，(l) Ti为绿色。
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(a，d)具有不同基质的Phe的典型质谱和离子信号的平均强度。(b，e)以Al-MOF/TiO2@Au为基质的不同量的Phe的典型质谱和[Phe + Na]+信号的平均强度。(c，f) Al-MOF/TiO2@Au辅助的LDI-MS在H2O、0.5 M NaCl和5 mg/mL BSA溶液中Arg、His、Glu、Phe、Met、Gluc和CA标准代谢物混合物的结果，以及三个不同系统中七种标准代谢物的质谱比较。星号表示代谢物的H+/Na+加合信号。误差条计算为五次实验的标准偏差(S.D .)。
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(CRKP和CSKP的代表性代谢指纹。(b)所有254个提取的m/z特征的热图。(c)基于254 m/z特征的80 CRKP和89 CSKP的OPLS-DA模型的评分图。(四)训练集和测试集分布图。(e)基于训练和(f)测试集中的254 m/z特征的CRKP和CSKP之间的OPLS-DA模型的得分图。(g) ROC曲线。(h)火山图。(一)文氏图。
相关成果以“Direct Klebsiella pneumoniae Carbapenem Resistance and Carbapenemases Genotype Prediction by Al-MOF/TiO2@Au Cubic Heterostructures-Assisted Intact Bacterial Cells Metabolic Analysis”，发表在国际学术期刊“Analytical Chemistry”上。
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https://doi.org/10.1021/acs.analchem.4c02929
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