Preview

Проблемы особо опасных инфекций

Расширенный поиск

Программные решения для индикации и идентификации патогенных микроорганизмов методом времяпролетной масс-спектрометрии

https://doi.org/10.21055/0370-1069-2021-3-40-50

Полный текст:

Аннотация

Эффективность дифференциации бактериальных патогенов методом MALDI-TOF масс-спектрометрии зависит от качества проведения пробоподготовки, соблюдения параметров анализа и от используемых статистических подходов, реализованных различными современными программными средствами. В обзоре дана краткая характеристика наиболее известного программного обеспечения, используемого при обработке и биоинформационном анализе данных времяпролетной масс-спектрометрии. Представлен перечень компьютерных платформ, программ и сред как коммерческих, так и находящихся в общем доступе. Приведены результаты индикации и идентификации возбудителей особо опасных и природно-очаговых инфекций методом MALDI-TOF массспектрометрии с помощью общедоступного программного обеспечения – язык программирования R, Mass-Up, Microbe MS, лицензированного – MatLab, ClinProTools, а также бесплатных веб-приложений, в том числе Speclust, Ribopeaks. Представлена информация об опыте использования таких известных платформ, как MALDI BioTyper, SARAMIS Vitek-MS и Andromas, для меж- и внутривидовой дифференциации штаммов близкородственных видов патогенных микроорганизмов. Приведены результаты идентификации и дифференциации микроорганизмов методом MALDI-TOF MS на основании выявления специфических белков для перекрестного сравнения – биомаркеров. Показано, что среда языка программирования R представляет собой одну из общедоступных универсальных платформ с оптимальным сочетанием алгоритмов обработки и интерпретации большого массива масс-спектрометрических данных.

Об авторах

Д. В. Ульшина
ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»
Россия

355000, Ставрополь, ул. Советская, 13–15



Д. А. Ковалев
ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»
Россия

355000, Ставрополь, ул. Советская, 13–15



И. В. Кузнецова
ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»
Россия

355000, Ставрополь, ул. Советская, 13–15



О. В. Бобрышева
ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»
Россия

355000, Ставрополь, ул. Советская, 13–15



Т. Л. Красовская
ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»
Россия

355000, Ставрополь, ул. Советская, 13–15



А. Н. Куличенко
ФКУЗ «Ставропольский научно-исследовательский противочумный институт»
Россия

355000, Ставрополь, ул. Советская, 13–15



Список литературы

1. Спицын А.Н., Уткин Д.В., Куклев В.Е., Портенко С.А., Германчук В.Г., Осина Н.А. Применение MALDI массспектрометрии в диагностике особо опасных инфекционных болезней: современное состояние и перспективы. Проблемы особо опасных инфекций. 2014; 3:77–82. DOI: 10.21055/0370-1069-2014-3-77-82.

2. Lasch P., Grunow R., Antonation K., Weller S.A., Jacob D. Inactivation techniques for MALDI-TOF MS analysis of highly pathogenic bacteria – A critical review. TrAC – Trend. Anal. Chem. 2016; 85:112–119. DOI: 10.1016/j.trac.2016.04.012.

3. Lasch P., Jacob D., Grunow R., Schwecke T., Doellinger J. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry (MS) for the identification of highly pathogenic bacteria. TrAC – Trend. Anal. Chem. 2016; 85:103–111. DOI: 10.1016/j.trac.2016.04.013.

4. Wigmann E.F., Behr J., Vogel R.F., Niessen L. MALDI-TOF MS fingerprinting for identification and differentiation of species within the Fusarium fujikuroi species complex. Appl. Microbiol. Biotechnol. 2019; 103(13):5323–5337. DOI: 10.1007/s00253-019-09794-z.

5. Останкова Ю.В., Семенов А.В., Зуева Е.В., Вашукова М.А., Тотолян А.А. Идентификация Stenotrophomonas maltophilia с использованием методов прямого секвенирования 16s рРНКи MALDI-TOF масс-спектрометрии. Клиническая лабораторная диагностика. 2017; 62(3):165–170. DOI: 10.18821/0869-2084-2017-62-3-165-170.

6. Телесманич Н.Р., Чайка С.О., Чайка И.А., Гончаренко Е.В., Ломов Ю.М. Масс-спектрометрический анализ MALDI-TOF в идентификации и типировании штаммов холерных вибрионов. Клиническая лабораторная диагностика. 2016; 61(6):375–379. DOI: 10.18821/0869-2084-2016-6-375-379.

7. Шаров Т.Н., Червакова М.П., Баркова И.А., Барков А.М., Викторов Д.В., Топорков А.В. Проблемы идентификации различных штаммов вегетативной формы Bacillus anthracis методом MALDI-TOF MS. Клиническая лабораторная диагностика. 2017; 62(5):316–318. DOI: 10.18821/0869-2084-2017-62-3-316-318.

8. Sun L., Teramoto K., Sato H., Torimura M., Tao H., Shintani T. Characterization of ribosomal proteins as biomarkers for matrix‐assisted laser desorption/ionization mass spectral identification of Lactobacillus plantarum. Rapid Commun. Mass Spectrom. 2006; 20(24):3789–3798. DOI: 10.1002/rcm.2801.

9. Suarez S., Ferroni A., Lotz A., Jolley K.A., Guérin P., Leto J., Dauphin B., Jamet A., Maiden M.C., Nassif X., Armengaud J. Ribosomal proteins as biomarkers for bacterial identification by mass spectrometry in the clinical microbiology laboratory. J. Microbiol. Methods. 2013; 94(3):390–396. DOI: 10.1016/j.mimet.2013.07.021.

10. Croxatto A., Prod’hom G., Greub G. Applications of MALDI-TOF mass spectrometry in clinical diagnostic microbiology. FEMS Microbiol. Rev. 2012; 36(2):380–407. DOI:10.1111/j.1574-6976.2011.00298.x.

11. Grunow R., Jacob D., Klee S. Schlembach D., JackowskiDohrmann S., Loenning-Baucke V., Eberspächer B., Swidsinski S. Brucellosis in a refugee who migrated from Syria to Germany and lessons learnt, 2016. Euro Surveill. 2016; 21(31):30311. DOI: 10.2807/1560-7917.ES.2016.21.31.30311.

12. Mesureur J., Arend S., Cellière B., Courault P., Cotte-Pattat P.J., Totty H., Deol P., Mick V., Girard V., Touchberry J., Burrowes V., Lavigne J.P., O’Callaghan D., Monnin V., Keriel A. A MALDI-TOF MS database with broad genus coverage for species-level identification of Brucella. PLoS Negl. Trop. Dis. 2018; 12(10):e0006874. DOI: 10.1371/journal.pntd.0006874.

13. Sali M., De Maio F., Tarantino M., Garofolo G., Tittarelli M., Sacchini L., Zilli K., Pasquali P., Petrucci P., Marianelli C., Francia M., Sanguinetti M., Adone R. Rapid and safe one-step extraction method for the identification of Brucella strains at genus and species level by MALDI-TOF mass spectrometry. PLoS One. 2018; 13(6):e0197864. DOI: 10.1371/journal.pone.0197864.

14. Ishihama Y., Schmidt T., Rappsilber J., Mann M., Hartl F.U., Kerner M.J., Frishman D. Protein abundance profiling of the Escherichia coli cytosol. BMC Genomics. 2008; 9:102. DOI: 10.1186/1471-2164-9-102.

15. Hsieh S.Y., Tseng C.L., Lee Y.S., Kuo A.J., Sun C.F., Lin Y.H., Chen J.K. Highly efficient classification and identification of human pathogenic bacteria by MALDI-TOF MS. Mol. Cell. Proteomics. 2008; 7(2):448–456. DOI: 10.1074/mcp.M700339-MCP200.

16. Faron M.L., Buchan B.W., Ledeboer N.A. Matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry for use with positive blood cultures: methodology, performance, and optimization. J. Clin. Microbiol. 2017; 55(12):3328–3338. DOI: 10.1128/JCM.00868-17.

17. Wei J., Zhang H., Zhang H., Zhang E., Zhang B., Zhao F., Xiao D. Novel strategy for rapidly and safely distinguishing Bacillus anthracis and Bacillus cereus by use of peptide mass fingerprints based on matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry. J. Clin. Microbiol. 2020; 59(1):02358-20. DOI: 10.1128/JCM.02358-20.

18. Ayyadurai S., Flaudrops C., Raoult D., Drancourt M. Rapid identification and typing of Yersinia pestis and other Yersinia species by matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight (MALDI-TOF) mass spectrometry. BMC Microbiol. 2010; 10:285. DOI: 10.1186/1471-2180-10-285.

19. Sonthayanon P., Jaresitthikunchai J., Mangmee S., Thiangtrongjit T., Wuthiekanun V., Amornchai P., Newton P., Phetsouvanh R., Day N.P., Roytrakul S. Whole cell matrix assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) for identification of Leptospira spp. in Thailand and Lao PDR. PLoS Negl. Trop. Dis. 2019; 13(4):e0007232. DOI: 10.1371/journal.pntd.0007232.

20. Зуева Е.В., Стоянова Н.А., Токаревич Н.К., Тотолян Ар.А. MALDI-TOF масс-спектрометрический анализ штаммов Leptospira spp., используемых в серодиагностике лептоспироза. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2015; 6:28–36.

21. Rettinger A., Krupka I., Grünwald K., Dyachenko V., Fingerle V., Konrad R., Raschel H., Busch U., Sing A., Straubinger R.K., Huber I. Leptospira spp. strain identification by MALDI TOF MS is an equivalent tool to 16S rRNA gene sequencing and multi locus sequence typing (MLST). BMC Microbiol. 2012; 12:185. DOI: 10.1186/1471-2180-12-185.

22. Tomachewski D., Galvão C.W., de Campos Júnior A., Guimarães A.M., Ferreira da Rocha J.C., Etto R.M. Ribopeaks: a web tool for bacterial classification through m/z data from ribosomal proteins. Bioinformatics. 2018; 34(17):3058–3060. DOI: 10.1093/bioinformatics/bty215.

23. Alnakip M.E., Rhouma N.R., Abd-Elfatah E.N., QuintelaBaluja M., Böhme K., Fernández-No I., Barros-Velázquez J. Discrimination of major and minor streptococci incriminated in bovine mastitis by MALDI-TOF MS fingerprinting and 16S rRNA gene sequencing. Res. Vet. Sci. 2020; 132:426–438. DOI: 10.1016/j.rvsc.2020.07.027.

24. El-Jeni R., Böhme K., El Bour M., Calo-Mata P., Kefi R., Barros-Velázquez J., Bouhaouala-Zahar B. Rapid genus identification of selected lactic acid bacteria isolated from Mugil cephalis and Oreochromis niloticus organs using MALDI-TOF. Ann. Microbiol. 2019; 69(1):1–15. DOI: 10.1007/s13213-018-1357-8.

25. Torres-Corral Y., Fernández-Álvarez C., Santos Y. Proteomic and molecular fingerprinting for identification and tracking of fish pathogenic Streptococcus. Aquaculture. 2019; 498:322–334. DOI: 10.1016/j.aquaculture.2018.08.041.

26. Christoforidou S., Kyritsi M., Boukouvala E., Ekateriniadou L., Zdragas A., Samouris G., Hadjichristodoulou C. Identification of Brucella spp. isolates and discrimination from the vaccine strain Rev. 1 by MALDI-TOF mass spectrometry. Mol. Cell. Prob. 2020; 51:101533. DOI: 10.1016/j.mcp.2020.101533.

27. Kyritsi M.A., Kristo I., Hadjichristodoulou C. Serotyping and detection of pathogenecity loci of environmental isolates of Legionella pneumophila using MALDI-TOF MS. Int. J. Hyg. Environ. Health. 2020; 224:113441. DOI: 10.1016/j.ijheh.2019.113441.

28. Torres I., Giménez E., Vinuesa V., Pascual T., Moya J.M., Alberola J., Martínez-Sapiña A., Navarro D. Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDITOF-MS) proteomic profiling of cerebrospinal fluid in the diagnosis of enteroviral meningitis: a proof-of-principle study. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2018; 37(12):2331–39. DOI: 10.1007/s10096-018-3380-x.

29. Martina P., Leguizamon M., Prieto C.I., Sousa S.A., Montanaro P., Draghi W.O., Stämmler M., Bettiol M., de Carvalho C.C.C.R., Palau J., Figoli C., Alvarez F., Benetti S., Lejona S., Vescina C., Ferreras J., Lasch P., Lagares A., Zorreguieta A., Leitão J.H., Yantorno O.M., Bosch A. Burkholderia puraquae sp. nov., a novel species of the Burkholderia cepacia complex isolated from hospital settings and agricultural soils. Int. J. Syst. Evol. Microbiol. 2018; 68(1):14–20. DOI: 10.1099/ijsem.0.002293.

30. Blumenscheit C., Pfeifer Y., Werner G., John C., Schneider A., Lasch P., Doellinger J. Unbiased antimicrobial resistance detection from clinical bacterial isolates using proteomics. bioRxiv. 2020. DOI: 10.1101/2020.11.17.386540.

31. Dieckmann R., Hammerl J.A., Hahmann H., Wicke A., Kleta S., Dabrowski P.W., Nitsche A., Stämmler M., Al Dahouk S., Lasch P. Rapid characterisation of Klebsiella oxytoca isolates from contaminated liquid hand soap using mass spectrometry, FTIR and Raman spectroscopy. Faraday Discuss. 2016; 187:353–75. DOI: 10.1039/c5fd00165j.

32. Daumas A., Alingrin J., Ouedraogo R., Villani P., Leone M., Mege J.-L. MALDI-TOF MS monitoring of PBMC activation status in sepsis. BMC Infect. Dis. 2018; 18(1):355. DOI: 10.1186/s12879-018-3266-7.

33. Lasch P., Wahab T., Weil S., Pályi B., Tomaso H., Zange S., Kiland Granerud B., Drevinek M., Kokotovic B., Wittwer M., Pflüger V., Di Caro A., Stämmler M., Grunow R., Jacob D. Identification of highly pathogenic microorganisms by matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry: results of an interlaboratory ring trial. J. Clin. Microbiol. 2015; 53(8):2632–2640. DOI: 10.1128/JCM.00813-15.

34. Cheng W.C., Jan I.S., Chen J.M., Teng S.H., Teng L.J., Sheng W.H., Hsueh P.R. Evaluation of the Bruker Biotyper matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry system for identification of blood isolates of Vibrio species. J. Clin. Microbio. 2015; 53(5):1741–1744. DOI: 10.1128/JCM.00105-15.

35. Rychert J., Creely D., Mayo-Smith L.M., Calderwood S.B., Ivers L.C., Ryan E.T., Boncy J., Qadri F., Ahmed D., Ferraro M.J., Harris J.B. Evaluation of matrix-assisted laser desorption ionization– time of flight mass spectrometry for identification of Vibrio cholerae. J. Clin. Microbiol. 2015; 53(1):329–331. DOI: 10.1128/JCM.02666-14.

36. Балахонов С.В., Миронова Л.В., Афанасьев М.В., Куликалова Е.С., Остяк А.С. MALDI-TOF масс-спектрометрическое определение видовой принадлежности патогенов в совершенствовании эпидемиологического надзора за опасными инфекционными болезнями. Бактериология. 2016; 1(1):88–94. DOI: 10.20953/2500-1027-2016-1-88-94.

37. Миронова Л.В., Басов Е.А., Афанасьев М.В., Хунхеева Ж.Ю., Миткеева С.К., Ганин В.С., Урбанович Л.Я., Куликалова Е.С., Гольдапель Э.Г., Балахонов С.В. MALDI-TOF масс-спектрометрический анализ с молекулярно-генетической идентификацией Vibrio spp. в системе мониторинга вибриофлоры поверхностных водоемов. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2014; 19(6):27–36.

38. Афанасьев М.В., Остяк А.С., Балахонов С.В. Апробация метода масс-спектрометрии с матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией для идентификации возбудителя чумы. Клиническая лабораторная диагностика. 2014; 8:39–43.

39. Wittwer M., Heim J., Schär M., Dewarrat G., Schürch N. Tapping the potential of intact cell mass spectrometry with a combined data analytical approach applied to Yersinia spp.: detection, differentiation and identification of Y. pestis. Syst. Appl. Microbiol. 2011; 349(1):12–19. DOI: 10.1016/j.syapm.2010.11.006.

40. Rouffaer L.O., Baert K., Van den Abeele A.M., Cox I., Vanantwerpen G., De ZutterL., Strubbe D., Vranckx K., Lens L., Haesebrouck F., Delmée M., Pasmans F., Martel A. Low prevalence of human enteropathogenic Yersinia spp. in brown rats (Rattus norvegicus) in Flanders. PLoS One. 2017; 12(4):e0175648. DOI: 10.1371/journal.pone.0175648.

41. Guliev R.R., Suntsova A.Y., Vostrikova T.Y., Shchegolikhin A.N., Popov D.A., Guseva M.A., Shevelev A.B., Kurochkin I.N. Discrimination of Staphylococcus aureus strains from coagulase-negative staphylococci and other pathogens by Fourier transform infrared spectroscopy. Anal. Chem. 2020; 92(7):4943–4948. DOI: 10.1021/acs.analchem.9b05050.

42. Cuénod A., Foucault F., Pflüger V., Egli A. Factors associated with MALDI-TOF mass spectral quality of species identification in clinical routine diagnostics. Front. Cell. Infect. Microbiol. 2021; 11:646648. DOI: 10.3389/fcimb.2021.646648.

43. Morel F., Jacquier H., Desroches M., Fihman V., Kumanski S., Cambau E., Decousser J.W., Berçot B. Use of Andromas and Bruker MALDI-TOF MS in the identification of Neisseria. Eur. J. Clin. Microbiol. Infect. Dis. 2018; 37(12):2273–2277. DOI: 10.1007/s10096-018-3368-6.

44. Lasch P., Drevinek M., Nattermann H., Grunow R., Stämmler M., Dieckmann R., Schwecke T., Naumann D. Characterization of Yersinia using MALDI-TOF mass spectrometry and chemometrics. Anal.Chem. 2010; 82(20):8464–8475. DOI: 10.1021/ac101036s.

45. Балахонов С.В., Афанасьев М.В., Шестопалов М.Ю., Остяк А.С., Витязева С.А., Корзун В.М., Вержуцкий Д.Б., Михайлов Е.П., Мищенко А.И., Денисов А.В., Ивженко Н.И., Рождественский Е.Н., Висков Е.Н., Фомина Л.А. Первый случай выделения Yersinia pestis subsp. Pestis в Алтайском горном природном очаге чумы. Сообщение 1. Микробиологическая характеристика, молекулярно-генетическая и масс-спектрометрическая идентификация изолята. Проблемы особо опасных инфекций. 2013;1:60–65.DOI: 10.21055/0370-1069-2013-1-60-65.

46. Eddabra R., Prévost G., Scheftel J.M. Rapid discrimination of environmental Vibrio by matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry. Microbiol. Res. 2012; 167(4):226–230. DOI: 10.1016/j.micres.2011.09.002.

47. Emami K., Askari V., Ullrich M., Mohinudeen K., Anil A.C., Khandeparker L., Burgess J.G., Mesbahi E. Characterization of bacteria in ballast water using MALDI-TOF mass spectrometry. PloS One. 2012; 7(6):e38515. DOI: 10.1371/journal.pone.0038515.

48. López-Ramos I., Hernández M., Rodríguez-Lázaro D., Gutiérrez M.P., Zarzosa P., Orduña A., March G.A. Quick identification and epidemiological characterization of Francisella tularensis by MALDI-TOF mass spectrometry. J. Microbiol. Methods. 2020; 177:106055.

49. Seibold E., Maier T., Kostrzewa M., Zeman E., Splettstoesser W.D. Identification of Francisella tularensis by whole-cell matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry: fast, reliable, robust, and cost-effective differentiation on species and subspecies levels. J. Clin. Microbiol. 2010; 48(4):1061–9. DOI: 10.1128/JCM.01953-09.

50. Müller W., Hotzel H., Otto P., Karger A., Bettin B., Bocklisch H., Braune S., Eskens U., Hörmansdorfer S., Konrad R., Nesseler A., Peters M., Runge M., Schmoock G., Schwarz B.A., Sting R., Myrtennäs K., Karlsson E., Forsman M., Tomaso H. German Francisella tularensis isolates from European brown hares (Lepus europaeus) reveal genetic and phenotypic diversity. BMC Microbiol. 2013; 13:61. DOI: 10.1186/1471-2180-13-61.

51. Ульшина Д.В., Еременко Е.И., Ковалев Д.А., Рязанова А.Г., Кузнецова И.В., Аксенова Л.Ю., Семенова О.В., Бобрышева О.В., Сирица Ю.В., Куличенко А.Н. Выявление особенностей масс-спектров белковых экстрактов споровой и вегетативной форм возбудителя сибирской язвы методом времяпролетной масс-спектрометрии. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2018; 6:66–72. DOI: 10.36233/0372-9311-2018-6-66-72.

52. Ульшина Д.В., Ковалев Д.А., Бобрышева О.В., Пономаренко Д.Г., Русанова Д.В., Ковалева Н.И., Куличенко А.Н. Применение времяпролетной масс-спектрометрии для диагностики бруцеллеза и межвидовой дифференциации штаммов Brucella spp. Инфекционные болезни: новости, мнения, обучение. 2018; 7(4):15–24. DOI: 10.24411/2305-3496-2018-14002.


Для цитирования:


Ульшина Д.В., Ковалев Д.А., Кузнецова И.В., Бобрышева О.В., Красовская Т.Л., Куличенко А.Н. Программные решения для индикации и идентификации патогенных микроорганизмов методом времяпролетной масс-спектрометрии. Проблемы особо опасных инфекций. 2021;(3):40-50. https://doi.org/10.21055/0370-1069-2021-3-40-50

For citation:


Ul’shina D.V., Kovalev D.A., Kuznetsova I.V., Bobrysheva O.V., Krasovskaya T.L., Kulichenko A.N. Software Solutions for Indication and Identification of Pathogenic Microoranisms Using Time-of-Flight Mass Spectrometry. Problems of Particularly Dangerous Infections. 2021;(3):40-50. (In Russ.) https://doi.org/10.21055/0370-1069-2021-3-40-50

Просмотров: 61


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0370-1069 (Print)
ISSN 2658-719X (Online)