文章摘要

全實驗室自動化（TLA）臨床標本的處理

培養基平板的培養和成像

培養基平板的檢驗

實施和應用

減少臨床樣本周轉時間
通過紙片擴散試驗實現檢測自動化
厭氧菌和多重耐藥的革蘭氏陰性菌常規AST
結論

前言提要

19世紀早期發展起來的自動化工業一方面是為了提高生產性能，降低成本，另一方面是為了工人的安全利益考慮。信息技術使自動化得到快速發展，自動化能夠減輕人們繁瑣的體力勞動和重復性勞動，還能夠給企業在不增加員工的情況下提高了生產率，同時企業降低了運營成本，提高了產品利用率，提高了生產效率，操作還具有可靠性。大家雖然認識到自動化有許多好處，但自動化也面臨諸多現實問題。目前自動化幾乎在所有的行業中都得到了有效實施應用，包括醫學實驗室。
 

01全實驗室自動化臨床標本的處理

TLA（Total Lab Automation）可以提高效率和樣本可追溯性。實驗室收到樣本后，立即對所有樣本進行連續處理。根據樣本類型和要求的分析，自動選擇并標記適用的培養基。根據劃線模式，利用標定后的接種環對樣本進行接種。接種的培養基通過傳送帶迅速轉移到培養箱中。這允許跳過樣本的批處理以及手動工作列表的創建。TLA還通過大幅減少標本的處理來提高技術人員的安全水平，因為培養皿的檢查是通過數字圖像在屏幕上進行的。

02培養基平板的培養和成像

通過使用TLA，接種的培養基可以及時地從處理區轉移到培養箱。瓊脂平板在最佳生長條件、穩定的溫度和適宜的環境下培養，因為培養箱的門在整個培養過程中始終保持關閉。微生物生長通過在預定時間點拍攝的高分辨率數字圖像進行監測。這使得能夠更快速地檢測微生物生長，同時也提高了緩慢生長病原體的復壯。此外，TLA使用一種軟件，可以在更高的放大率下查看數字圖像，從而促進對菌落形態的進一步判斷和混合培養物的檢測。數字圖像由訓練有素的技術人員進行解讀，與傳統的診斷工作相比，情況完全不同，因為細菌菌落在屏幕上呈現形態和手工操作判斷非常不同。TLA最終建立了一個圖像庫，可以用于對比校對，也可以在與傳染病專家討論時提供幫助并對個別患者進行分析。

03培養基平板的檢驗

為了最大限度地利用成像，應在不同的時間點拍攝數字圖像，同時觀察最早出現的微生物，以便盡早檢測較早出現的微生物生長情況（Figure1）。因此，與常規檢查相比，病原體的鑒定和抗生素耐藥性檢測（AST）可以更早地獲得，因此縮短了周轉時間（TAT）。

使用TLA，將每個接種的培養皿培養一段時間，以便在白天和晚上都可以進行處理。這種處理效率最高，對TAT產生了有益的影響，可以更好地管理工作任務和工作流程。（Figure 2）
 

使用數字圖像對培養基平板進行評估判斷和解讀仍由實驗技術人員執行，他們確定需要分離哪些目標菌落，并對其進行進一步處理，以進行鑒定和AST。當前版本的TLA無法取代這些人工操作。然而，市場上新推出的其他自動化系統（例如Copan Colibri™), 可以通過MALDI-TOF和標準化接種物制備目標微生物鑒定（ID）以及AST（Figure 3）。ID和AST結果也必須由熟練的技術人員進行解讀，這需要在人員配備方面進行充分考慮。為了匹配實驗室工作量與診斷活動水平，TLA允許在任何時候跟蹤整個診斷路徑中的所有樣本。TLA還提供了評估流程和團隊效率的不同指標，以及對患者檢測結果的其他解讀，包括抗生素耐藥性的趨勢分析。
 

04實施和應用

臨床微生物學實驗室如今面臨著許多不同的挑戰，包括需要：（1）提高效率（即提供更具成本效益的診斷）；（2）提供早期結果（即縮短TAT）；（3）遵守要求越來越高的認證要求（即提供可追溯性和文件，以評估整個診斷過程的質量）；（4）應對越來越多的耐多藥生物帶來的挑戰（即快速提供更全面的AST，但在需要時）。大多數這樣的挑戰都可以通過TLA得到顯著解決。然而，TLA的成功實施需要：（1）傳統工作流程的重大變化；（2）強大的領導技能，以及項目所有合作者的團隊合作；（3）在整個實驗室轉型期內技術人員的個性化支持。
 

05減少臨床樣本周轉時間

在過去20年中，醫療行業投入了大量資源來開發準確和快速的檢測方法，以減少臨床醫學中的樣本周轉時間（TAT）。隨著抗生素耐藥性的不斷增加，需要快速地給出應對策略，以便對患者能夠及時治療。在全實驗室自動化（TLA）出現之前，主要用基質輔助激光解吸/電離飛行時間質譜（MALDI-TOF-MS）鑒定細菌、分枝桿菌、酵母和霉菌，目前該方法取代了常規的生物化學實驗檢測方法。與用于微生物鑒定的常規方法或分子水平分析相比，MALDI-TOF-MS具有以下三個優點：（1）周轉時間快（2）樣本量要求低（3）試劑成本適中。使用MALDI-TOF-MS能夠準確、快速地鑒定微生物，有助于快速提供治療方案，特別是意外感染了病原體時，該方法特別有效。因此，這項技術使抗菌治療、感染預防和控制措施能夠得到有效的實施（Figure 4A/B）。
 

06紙片擴散試驗實現檢測自動化

全實驗室自動化（TLA）在許多領域得到推廣應用，抗生素耐藥性檢測全自動化解決方案的實施，是全實驗室自動化成功案例之一。在一項研究中，Copan為自動紙片擴散AST開發了一種新模塊，包括一個可容納50個抗生素藥筒的轉盤。開發這個新模塊的明確目標是，通過增加第二條傳送帶，最大限度地減少AST線上的工作流程瓶頸。這個新的全集成自動化系統能夠實現：可以使用至少四個不同的菌落制備接種懸浮液，以篩選不同的抗性模式；在特定平板的整個表面上自動接種細菌細胞懸浮液；根據預設置的面板分配抗生素盤；將培養基運輸至培養箱；在設置的時間點獲取平板的高質量數字化圖像；最后獲得并解讀所有受試抗生素的抑制圈直徑大小。
 

通過紙片擴散來評估AST全自動解決方案的準確性時，需要遵循的基本規則可以總結為兩點：（1）評估這種新方法檢測最重要的耐藥機制，應包括具有代表性的非重復臨床菌株數量，以及這些菌株對不同類別的抗生素表現出耐藥模式；（2）為了計算耐藥的百分比誤差，分析中還應包括大量非重復敏感臨床菌株。
 

07革蘭氏陰性菌常規AST

在過去十年中，研究表明，厭氧菌中抗生素耐藥性穩步增加了。面對這樣的現狀，對厭氧菌進行常規耐藥性試驗十分必要。作為全自動紙片擴散的補充，通過與目前的常規方法ATB ANA®測試法（BioMérieux）進行比較，在大量臨床相關厭氧菌株上測試了Thermo Scientific™ Sensititre™ 厭氧菌MIC平板的準確性，兩種方法之間的一致性達到95%。通過整合靶向治療中使用的最新分子，為多重抗性革蘭氏陰性菌設計了一種新的平板。該平板由Thermo Scientific™制造并使用ATCC參考菌株進行驗證。目前只要AST紙片擴散檢測到設定的抗性模式，這個平板就可以進行下一步測試。正如自動AST測試所研究的那樣，這一設計能夠通過系統地針對可疑菌株，以合理的成本有效監測抗生素耐藥性。
 

Sensitre®敏感性系統采用一種固體平板設計方法。該方法可以測試定性（敏感或耐藥）和定量最小抑制濃度（MIC）試驗。人工制備菌株懸浮液，并使用Sensitre Autoinvocator®/AIM®自動接種平板。固體平板上添加了為測試的微生物選擇的連續稀釋的抗菌劑。接種培養后，使用Sensitire®手動查看器讀取結果。通過渾濁或底部細胞沉積來測試細菌生長情況。最小抑制濃度（MIC）是指抑菌試驗中可見細菌生長的最低藥物濃度。

在過去的幾十年里，多重耐藥的革蘭氏陰性細菌感染已經成為醫學和全球衛生領域關注的主要領域之一。為了優化治療方案，并應對不斷增加的產碳青霉烯酶的革蘭氏陰性細菌，使用最有效藥物的添加使用最小抑制濃度（MIC）已變得至關重要。通過對多重耐藥（MDR）菌株進行靶向AST測定，同時結合治療藥物監測（TDM），可以得到最有效的治療方法。由于瓊脂擴散不能提供MIC，如在培養MDR菌株或厭氧菌時，Sensititre®是對全自動AST紙片擴散的補充。

08結論

全實驗室自動化（TLA）現已被證明能夠有效進行臨床微生物學檢測，可以克服微生物實驗室培養檢測所面臨的多樣性和復雜性。能夠實現對各種指標（臨床應用、檢測效率、可追溯性、質量管理和TAT）進行監測，通過紙片擴散能夠實現AST的完全自動化。
 

人工智能（AI）的實施不僅可以快速識別細菌生長（檢測），還可以區分細菌形態（分割）和統計相應的菌落（計數），這將進一步增強微生物檢測工作流程，并能夠確保試驗的可重復和可預測。現在需要進行仔細的驗證研究，以便使用人工智能自動處理陰性培養物，并在無需人工干預的情況下自動獲取試驗結果。

 

信息來源：Cherkaoui A, Schrenzel J. Total Laboratory Automation for Rapid Detection and Identification of Microorganisms and Their Antimicrobial Resistance Profiles. Front Cell Infect Microbiol. 2022 Feb 3;12:807668. doi: 10.3389/fcimb.2022.807668.

文獻來源 | 本文由中科院上海生命科學信息中心與上海曼森生物合作供稿

內容審核 | 曼森生物郝玉有

排版編輯 | 曼森生物劉娟娟

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