Мікробіологічна діагностика: від традиційних до молекулярно-генетичних методів: огляд літератури

Максим Васильович  Івашко; Світлана Андріївна Бурмей; Леся Сергіївна Юсько; Тетяна Василівна Чайковська; Надія Володимирівна Бойко

Розробка нових та оптимізація відомих культуральних та молекулярно-генетичних методів для точної видової ідентифікації мікроорганізмів є актуальним і практично необхідним завданням, якому приділяється велика увага дослідників. Метою даної роботи було проведення аналізу, систематизація теоретичних наукових даних щодо методів ідентифікації мікроорганізмів та оцінка їхніх основних переваг і недоліків. Для цього було здійснено систематичний огляд рандомізованих 53 наукових робіт, опублікованих в період з 2018 по 2023 роки. Пошук публікацій із використанням ключових термінів «мікробіом», «мікробіологічна діагностика», «ідентифікація мікроорганізмів», «секвенування» та «омікс-технології» у назві чи тексті науково-дослідницької роботи здійснювали в системах Web of Science, Scopus, PubMed та Google Scholar. У статті надано узагальнену інформацію щодо традиційних та сучасних методів ідентифікації мікроорганізмів. Встановлено, що до переваг традиційних методів діагностики належить можливість збереження отриманих мікроорганізмів для подальших досліджень, зокрема для визначення їх чутливості до антибіотиків. Сучасні молекулярно-генетичні методи відкривають нові можливості для точної ідентифікації мікроорганізмів, зокрема тих, які складно культивувати за допомогою традиційних культуральних методів. Використання цих технік дозволяє отримати детальні дані про генетичну структуру та різноманіття мікроорганізмів, що є важливим у багатьох галузях, включаючи мікробіологію, медицину та екологію. Проте, молекулярні методи більш чутливі до забруднень чи похибок у процесі збирання та обробки зразків. Варто також відмітити omics-технології (геноміка, транскриптоміка, протеоміка та метаболоміка), які відкривають нові можливості для дослідження клітин на більш складних рівнях організації життя. В повсякденній клінічній практиці основним залишається мікробіологічний метод виділення мікробних культур, оскільки тільки він дозволяє визначити не лише причину інфекції, але й чутливість до антибіотиків. У той же час культуральні методи дослідження вибагливих мікроорганізмів досить обмежені. Таким чином, отримані результати сприяють розробці швидкої та точної методики ідентифікації, класифікації та систематизації мікроорганізмів, що полегшує процеси діагностики та розробки стратегій контролю і лікування інфекційних захворювань у лабораторіях та клінічних установах

мікробіологія; діагностика; поживне середовище; ідентифікація; секвенування; омікс-технології

[1] Gao Y, Shang Q, Li W, Guo W, Stojadinovic A, Mannion C, et al. Antibiotics for cancer treatment: A double-edged sword. J Cancer. 2020;11(17):5135–49. DOI: 10.7150/jca.47470

[2] Meleshko T, Pallah O, Boyko N. Chapter 5 – Individual microbiota correction and human health: Programming and reprogramming of systemic and local immune response. In: Microbiome, Immunity, Digestive Health and Nutrition: Epidemiology, Pathophysiology, Prevention and Treatment. Academic Press; 2022. p. 53–67. DOI: 10.1016/B978-0-12-822238-6.00015-7

[3] Farooqui T. Chapter 1 – Gut microbiota: Implications on human health and diseases. In: Gut Microbiota in Neurologic and Visceral Diseases. Academic Press; 2021. p. 1–27. DOI: 10.1016/B978-0-12-821039-0.00009-5

[4] Abushaheen MA, Muzaheed M, Fatani AJ, Alosaimi M, Mansy W, George M, et al. Antimicrobial resistance, mechanisms and its clinical significance. Dis Mon. 2020;66(6):e100971. DOI: 10.1016/j.disamonth.2020.100971

[5] Maugeri A, Barchitta M, Puglisi F, Agodi A. Socio-economic, governance and health indicators shaping antimicrobial resistance: An ecological analysis of 30 European countries. Glob Health. 2023;19:e12. DOI: 10.1186/s12992-023-00913-0

[6] Salmanov A, Rudenko A. Antimicrobial resistance of leading uropathogens in Kyiv (Ukraine). Int J Antibiot Probiotics. 2017;1(2):48–60. DOI: 10.31405/ijap.1-2.17.03

[7] Hanišáková N, Vítězová M, Rittmann SK-MR. The historical development of cultivation techniques for methanogens and other strict anaerobes and their application in modern microbiology. Microorganisms. 2022;10(2):e412. DOI: 10.3390/microorganisms10020412

[8] Bororova O, Dziublyk Y, Iachnyk V. Modern methods of etiological diagnosing of acute community-acquired lower respiratory tract infections. Ukr Pulmonol J. 2021;29(3):58–65. DOI: 10.31215/2306-4927-2021-29-3-58-65

[9] Shevchenko M, Tyshkivska N, Andriychuk A, Martynenko O, Tsarenko T. Intralaboratory testing of the PCR protocol for molecular genetic identification of bacteria of the genus Staphylococcus spp. Sci J Vet Med. 2022;(1):81–91. DOI: 10.33245/2310-4902-2022-173-1-81-91

[10] Symonenko R. Modern methods of diagnosing periodontal tissue diseases in the concept of a systemic approach to treatment. (Literature review. Part 1). Actual Dent. 2023;(6):14–21. DOI: 10.33295/1992-576X-2023-6-14

[11] Trubka I, Korniienko L, Gosteva Z, Ermakova L, Zinkovych I, Stulikova V. Results of molecular genetic diagnosis of periodontal pathogens in young patients with rapidly aggressive periodontitis. Stomatol Bull. 2022;119(2):33–38. DOI: 10.35220/2078-8916-2022-44-2.6

[12] Motronenko V, Vlasiuk T. Laboratory diagnostics of resistant forms of tuberculosis – problems and prospects. Biomed Eng Technol. 2023;12(4):23–32. DOI: 10.20535/2617-8974.2023.12.291958

[13] Sethi S, Singh S, Banga SS, Jain N, Gupta S, Sharma N, et al. Revisiting blood agar for the isolation of Neisseria gonorrhoeae. Indian J Sex Transm Dis AIDS. 2020;41(2):221–22. DOI: 10.4103/ijstd.IJSTD_51_18

[14] Sanmak E, Aksaray S. Comparison of chromogenic culture media, rapid immunochromatographic test and temocillin resistance for the detection of OXA-48 carbapenemase-positive Klebsiella pneumonia strains. J Clin Exp Invest. 2021;12(4):em00778. DOI: 10.29333/jcei/11267

[15] Ferone M, Gowen A, Fanning S, Scannell AGM. Microbial detection and identification methods: Bench top assays to omics approaches. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2020;19(6):3106–29. DOI: 10.1111/1541-4337.12618

[16] Thakur S, Joshi J, Kaur S. Leishmaniasis diagnosis: An update on the use of parasitological, immunological and molecular methods. J Parasit Dis. 2020;44:253–72. DOI: 10.1007/S12639-020-01212-W

[17] Tapia Rico G, Chan MM, Loo KF. The safety and efficacy of immune checkpoint inhibitors in patients with advanced cancers and pre-existing chronic viral infections (Hepatitis B/C, HIV): A review of the available evidence. Cancer Treat Rev. 2020;86:e102011. DOI: 10.1016/J.CTRV.2020.102011

[18] Mahmud I, Garrett TJ. Mass spectrometry techniques in emerging pathogens studies: COVID-19 perspectives. J Am Soc Mass Spectrom. 2020;31(10):2013–24. DOI: 10.1021/JASMS.0C00238

[19] Sun Y, Stransky S, Aguilan J, Koul S, Garforth SJ, Brenowitz M, Sidoli S. High throughput and low bias DNA methylation and hydroxymethylation analysis by direct injection mass spectrometry. Anal Chim Acta. 2021;1180:e338880. DOI: 10.1016/J.ACA.2021.338880

[20] Fialkov AB, Lehotay SJ, Amirav A. Less than one minute low-pressure gas chromatography – mass spectrometry. J. Chromatogr. A. 2020;1612:e460691. DOI: 10.1016/j.chroma.2019.460691

[21] Putri SP, Ikram MMM, Sato A, Dahlan HA, Rahmawati D, Ohto Y, Fukusaki E. Application of gas chromatography-mass spectrometry-based metabolomics in food science and technology. J Biosci Bioeng. 2022;133(5):425–35. DOI: 10.1016/J.JBIOSC.2022.01.011

[22] Mohammad K, Jiang H, Titorenko VI. Quantitative metabolomics of saccharomyces cerevisiae using liquid chromatography coupled with tandem mass spectrometry. J Vis Exp. 2021;167. DOI: 10.3791/62061

[23] Jang KS, Kim YH. Rapid and robust MALDI-TOF MS techniques for microbial identification: A brief overview of their diverse applications. J Microbiol. 2018;56(4):209–16. DOI: 10.1007/s12275-018-7457-0

[24] Welker M, Van Belkum A, Girard V, Charrier J-P, Pincus D. An update on the routine application of MALDI-TOF MS in clinical microbiology. Expert Rev Proteomics. 2019;16(8):695–10. DOI: 10.1080/14789450.2019.1645603

[25] Do T, Guran R, Adam V, Zitka O. Use of MALDI-TOF mass spectrometry for virus identification: A review. Analyst. 2022;147(14):3131–54. DOI: 10.1039/D2AN00431C

[26] Topić Popović N, Kazazić SP, Bojanić K, Strunjak-Perović I, Čož-Rakovac R. Sample preparation and culture condition effects on MALDI-TOF MS identification of bacteria: A review. Mass Spectrom Rev. 2023;42(5):1589–3. DOI: 10.1002/mas.21739

[27] Doellinger J, Schneider A, Stark TD, Ehling-Schulz M, Lasch P. Evaluation of MALDI-ToF mass spectrometry for rapid detection of cereulide from Bacillus cereus cultures. Front Microbiol. 2020;11:e511674. DOI: 10.3389/fmicb.2020.511674

[28] Idelevich EA, Sparbier K, Kostrzewa M, Becker K. Rapid detection of antibiotic resistance by MALDI-TOF mass spectrometry using a novel direct-on-target microdroplet growth assay. Clin Microbiol Infect. 2018;24(7):738–43. DOI: 10.1016/j.cmi.2017.10.016

[29] Li D, Yi J, Han G, Qiao L. MALDI-TOF mass spectrometry in clinical analysis and research. ACS Meas. Sci. Au. 2022;2(5):385–4. DOI: 10.1021/acsmeasuresciau.2c00019

[30] Muller E, Algavi YM, Borenstein E. The gut microbiome-metabolome dataset collection: A curated resource for integrative meta-analysis. npj Biofilms Microbiomes. 2022;8:e79. DOI: 10.1038/s41522-022-00345-5

[31] Zhu H, Zhang H, Xu Y, Laššáková S, Korabečná M, Neužil P. PCR past, present and future. Biotechniques. 2020;69(4):317–25. DOI: 10.2144/btn-2020-0057

[32] Salipante SJ, Jerome KR. Digital PCR – an emerging technology with broad applications in microbiology. Clin Chem. 2020;66(1):117–23. DOI: 10.1373/clinchem.2019.304048

[33] Babichev S, Khamula O, Perova I, Durnyak B. An analysis of gene regulatory network topology using results of DNA microchip experiments. In: Shakhovska N, Medykovskyy MO, editors. Advances in Intelligent Systems and Computing V. CSIT 2020; 2020 Sep 23-26; Zbarazh. Cham: Springer; 2021. p. 130–144. DOI: 10.1007/978-3-030-63270-0_9

[34] Campanero-Rhodes MA, Lacoma A, Prat C, García E, Solís D. Development and evaluation of a microarray platform for detection of serum antibodies against Streptococcus pneumoniae capsular polysaccharides. Anal Chem. 2020;92(11):7437–43. DOI: 10.1021/acs.analchem.0c01009

[35] Arengaowa, Hu W, Feng K, Jiang A, Xiu Z, Lao Y, et al. An in situ-synthesized gene chip for the detection of food-borne pathogens on fresh-cut cantaloupe and lettuce. Front Microbiol. 2019;10:e3089. DOI: 10.3389/fmicb.2019.03089

[36] Church DL, Cerutti L, Gürtler A, Griener T, Zelazny A, Emler S. Performance and application of 16S rRNA gene cycle sequencing for routine identification of bacteria in the clinical microbiology laboratory. Clin Microbiol Rev. 2020;33(4). DOI: 10.1128/cmr.00053-19

[37] Szymczak A, Ferenc S, Majewska J, Miernikiewicz P, Gnus J, Witkiewicz W, Dąbrowska K. Application of 16S rRNA gene sequencing in Helicobacter pylori detection. PeerJ. 2020;8:e9099. DOI: 10.7717/peerj.9099

[38] Regueira-Iglesias A, Vázquez-González L, Balsa-Castro C, Blanco-Pintos T, Vila-Blanco N, Carreira MJ, Tomás I. Impact of 16S rRNA gene redundancy and primer pair selection on the quantification and classification of oral microbiota in next-generation sequencing [Internet]. Research Square [Preprint]. 2021 [cited 2024 Feb 23]. Available from: https://www.researchsquare.com/article/rs-662236/v1

[39] Hu T, Chitnis N, Monos D, Dinh A. Next-generation sequencing technologies: An overview. Hum Immunol. 2021;82(11):801–11. DOI: 10.1016/j.humimm.2021.02.012

[40] Gu W, Deng X, Lee M, Sucu YD, Arevalo S, Stryke D, et al. Rapid pathogen detection by metagenomic next-generation sequencing of infected body fluids. Nat Med. 2021;27:115–24. DOI: 10.1038/s41591-020-1105-z

[41] Wilson ML, Fleming KA, Kuti MA, Looi LM, Lago N, Ru K. Access to pathology and laboratory medicine services: A crucial gap. Lancet. 2018;391(10133):1927–38. DOI: 10.1016/S0140-6736(18)30458-6

[42] Balloux F, Brønstad Brynildsrud O, van Dorp L, Shaw LP, Chen H, Harris KA, Wang H, Eldholm V. From theory to practice: Translating whole-genome sequencing (WGS) into the clinic. Trends Microbiol. 2018;26(12):1035–48. DOI: 10.1016/j.tim.2018.08.004

[43] Quainoo S, Coolen JPM, van Hijum SAFT, Huynen MA, Melchers WJG, et al. Whole-genome sequencing of bacterial pathogens: The future of nosocomial outbreak analysis. Clin Microbiol Rev. 2017;30(4):1015–63. DOI: 10.1128/CMR.00016-17

[44] Satam H, Joshi K, Mangrolia U, Waghoo S, Zaidi G, Rawool S, et al. Next-generation sequencing technology: Current trends and advancements. Biology. 2023;12(7):e997. DOI: 10.3390/biology12070997

[45] Ogunrinola GA, Oyewale JO, Oshamika OO, Olasehinde GI. The human microbiome and its impacts on health. Int J Microbiol. 2020;2020:e8045646. DOI: 10.1155/2020/8045646

[46] Kumari A, Pooja, Sharma S, Acharya A. Introduction to molecular imaging, diagnostics, and therapy. In: Nanomaterial-Based Biomedical Applications in Molecular Imaging, Diagnostics and Therapy. Singapore: Springer; 2020. p. 11–26. DOI: 10.1007/978-981-15-4280-0_2

[47] Koumakis L. Deep learning models in genomics: Are we there yet? Comput Struct Biotechnol J. 2020;18:1466–73. DOI: 10.1016/j.csbj.2020.06.017

[48] Prieto-Vila M, Yamamoto Y, Takahashi R, Ochiya T. Single-cell transcriptomics. In: Handbook of Single-Cell Technologies. Singapore: Springer; 2021. p. 585–6. DOI: 10.1007/978-981-10-8953-4_12

[49] McArdle AJ, Menikou S. What is proteomics? Arch Dis Child Educ Pract Ed. 2021;106(3):178–81. DOI: 10.1136/archdischild-2019-317434

[50] Wingo AP, Liu Y, Gerasimov ES, Gockley J, Logsdon BA, Duong DM, et al. Integrating human brain proteomes with genome-wide association data implicates new proteins in Alzheimer's disease pathogenesis. Nat Genet. 2021;53(2):143–46. DOI: 10.1038/s41588-020-00773-z

[51] David A, Rostkowski P. Chapter 2 – Analytical techniques in metabolomics. In: Environmental Metabolomics. Elsevier; 2020. p. 35–64. DOI: 10.1016/b978-0-12-818196-6.00002-9

[52] Qiu S, Wang W, Zhang A, Wang X. Mass spectrometry‐based metabolomics toward biological function analysis. In: Mass Spectrometry‐Based Metabolomics in Clinical and Herbal Medicines. Wiley; 2021. p. 157–70. DOI: 10.1002/9783527835751.ch12

[53] Ran N, Pang Z, Gu Y, Pan H, Zuo X, Guan X, et al. An updated overview of metabolomic profile changes in chronic obstructive pulmonary disease. Metabolites. 2019; 9(6):e111. DOI: 10.3390/metabo9060111