Ứng dụng Khối phổ trong Vi sinh lâm sàng – Phần 2

Giới thiệu

Khối phổ kế ion hóa giải hấp phụ laser hỗ trợ ma trận thời gian bay (MALDI-TOF MS) đã cách mạng hóa vi sinh lâm sàng bằng cách cung cấp khả năng nhận diện vi sinh vật nhanh chóng và chính xác từ các mẫu nuôi cấy. Tuy nhiên, như được trình bày trong bài báo của Weiss và Basu (2025), tiềm năng của khối phổ không chỉ dừng lại ở việc xác định vi sinh vật mà còn mở rộng sang nhiều ứng dụng mới nổi, từ nhận diện trực tiếp từ mẫu máu, tích hợp với tự động hóa phòng xét nghiệm, đến xác định tính nhạy cảm kháng sinh, phân loại chủng, và chẩn đoán không xâm lấn. Bài viết này sẽ phân tích các ứng dụng tiên tiến này, cùng với những thách thức và triển vọng trong tương lai.

Nhận diện vi sinh vật trực tiếp từ mẫu máu dương tính

Một trong những mục tiêu quan trọng của chẩn đoán bệnh truyền nhiễm là xác định nhanh vi sinh vật từ máu, đặc biệt trong các trường hợp nhiễm trùng huyết, nơi thời gian là yếu tố sống còn. Truyền thống, mẫu máu được nuôi cấy trong môi trường lỏng, sau đó phân lập trên thạch rắn trước khi áp dụng MALDI-TOF. Tuy nhiên, các nghiên cứu từ năm 2013 đã chứng minh khả năng sử dụng MALDI-TOF trực tiếp từ các chai máu dương tính, loại bỏ bước nuôi cấy phụ.

Quy trình này đòi hỏi tách vi khuẩn khỏi các thành phần máu và môi trường nuôi cấy. Các bộ dụng cụ thương mại như MALDI Sepsityper (Bruker) sử dụng phương pháp ly giải và ly tâm để loại bỏ tế bào máu, trong khi VITEK MS (bioMérieux) áp dụng kỹ thuật lọc và rửa vi khuẩn. Những phương pháp này đã cho thấy hiệu quả, nhưng việc yêu cầu các bước tiền xử lý bổ sung và khó khăn trong việc thực hiện xét nghiệm 24/7 (ví dụ, vào ca đêm) đã hạn chế sự phổ biến của chúng so với các nền tảng phân tử. Dù vậy, nghiên cứu tiếp tục được thực hiện để đơn giản hóa quy trình và mở rộng ứng dụng cho các mẫu khác như nước tiểu và dịch cơ thể.

Tích hợp MALDI-TOF vào tự động hóa phòng xét nghiệm

Sự phát triển của tự động hóa toàn diện phòng xét nghiệm (total laboratory automation – TLA) đã thay đổi cách thức xử lý mẫu trong vi sinh lâm sàng. TLA tự động hóa các công đoạn như cấy mẫu, ủ, chụp ảnh đĩa thạch, phân tích, và loại bỏ đĩa, giúp giảm thiểu lao động thủ công. Trước đây, khi cần sử dụng MALDI-TOF, nhân viên phòng xét nghiệm phải lấy mẫu từ đĩa thạch và đặt lên tấm MALDI. Các hệ thống mới hơn, như được mô tả trong bài báo, sử dụng cánh tay robot để tự động lấy khuẩn lạc và áp dụng lên tấm MALDI, sau đó đưa trực tiếp vào thiết bị phân tích.

Lợi ích của tích hợp này bao gồm khả năng hoạt động liên tục, giảm thời gian chờ, và cải thiện hiệu quả. Ví dụ, với các mẫu nước tiểu, thời gian ủ ngắn trước khi phân tích MALDI-TOF có thể cho phép xác định vi sinh vật trong thời gian thực. Tuy nhiên, chi phí cao và yêu cầu không gian lớn vẫn là rào cản cho các phòng xét nghiệm nhỏ.

Xác định tính nhạy cảm kháng sinh (AST)

Xác định tính nhạy cảm kháng sinh (AST) là một trong những vai trò quan trọng của phòng xét nghiệm vi sinh. Các nỗ lực ứng dụng MALDI-TOF cho AST được chia thành ba hướng chính:

1. Chức năng (Functional): Phương pháp này tập trung vào việc phát hiện các sản phẩm phân hủy kháng sinh, chẳng hạn như carbapenemase hoặc β-lactamase. Bằng cách ủ vi khuẩn với kháng sinh và phân tích các sản phẩm phân hủy dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z), MALDI-TOF có thể phát hiện kháng kháng sinh. Tuy nhiên, phương pháp này chỉ hiệu quả với các cơ chế kháng liên quan đến enzyme, khó đa nhiệm, và đòi hỏi thay đổi quy trình làm việc, khiến việc áp dụng vào thực tế lâm sàng còn hạn chế.
2. Dấu ấn sinh học (Biomarker): Cách tiếp cận này tìm kiếm các đỉnh ion đặc trưng liên quan đến kháng kháng sinh, chẳng hạn như protein β-lactamase hoặc bơm efflux. Ví dụ, một đỉnh ion tại m/z 11.109 Da được liên kết với Klebsiella pneumoniae sản sinh carbapenemase (KPC), và một protein hòa tan trong phenol tại m/z 24.515 Da liên quan đến kháng methicillin ở Staphylococcus aureus. Tuy nhiên, do kích thước lớn của các protein này (>20 kDa), chúng thường nằm ngoài phạm vi phân tích của các nền tảng MALDI-TOF thương mại (2-20 kDa). Các nỗ lực sử dụng trí tuệ nhân tạo và học máy để phân tích hàng trăm đỉnh ion đang được nghiên cứu để tìm ra các mối liên hệ phức tạp hơn.
3. Các phương pháp khác: Các cách tiếp cận sáng tạo bao gồm theo dõi sự phát triển của vi khuẩn trong môi trường có kháng sinh. Ví dụ, xét nghiệm MALDI Biotyper Antibiotic Susceptibility Test Rapid Assay đo lường sự giảm diện tích của một số đỉnh ion khi có kháng sinh nhạy cảm. Một phương pháp khác sử dụng axit amin đánh dấu đồng vị để theo dõi sự thay đổi khối lượng của protein, hoặc nuôi cấy vi khuẩn trong các giọt nhỏ chứa kháng sinh trên tấm MALDI. Mặc dù đầy hứa hẹn, các phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn phát triển sơ khai.

Phân loại chủng và phát hiện ổ dịch

Phân loại chủng và xác định ổ dịch là yếu tố quan trọng trong kiểm soát nhiễm khuẩn. Các phương pháp giải trình tự toàn bộ gen (WGS) hiện là tiêu chuẩn vàng, nhưng tốn thời gian và chi phí cao. MALDI-TOF đã cho thấy tiềm năng trong phân loại chủng, ví dụ trong các ổ dịch Escherichia coli sản sinh độc tố Shiga hoặc Acinetobacter baumannii. Tuy nhiên, sự biến thiên trong phổ khối đòi hỏi kiểm soát tốt hơn các biến số và phát triển thêm các phương pháp.

Một kỹ thuật liên quan, ion hóa laser oxit kim loại (MOLI MS), sử dụng oxit cerium để phân tích lipid thay vì protein, đã được chứng minh có khả năng phân loại chủng chính xác. Mặc dù yêu cầu thay đổi quy trình so với MALDI-TOF, MOLI MS có thể tận dụng các nền tảng đã được FDA phê duyệt, tạo điều kiện cho việc áp dụng lâm sàng trong tương lai.

Hình ảnh khối phổ (MSI) và chẩn đoán mô

Hình ảnh khối phổ (MALDI MSI) cho phép phát hiện và nhận diện vi sinh vật trực tiếp trong mô, đặc biệt hữu ích khi vi sinh vật không phát triển trong nuôi cấy. Thay vì đặt mẫu lên tấm dẫn điện, ma trận hóa học được phun lên mẫu mô, và laser được quét theo hai chiều để tạo ra “hình ảnh hóa học”. Phương pháp này đã được áp dụng cho vi khuẩn, nấm, và ký sinh trùng trong các nghiên cứu trên động vật, nhưng vẫn cần phát triển thêm để áp dụng lâm sàng.

Khối phổ ion hóa môi trường xung quanh và chẩn đoán dựa trên hơi thở

Các kỹ thuật ion hóa môi trường xung quanh (ambient ionization MS) cho phép phân tích mà không cần môi trường chân không, giảm thời gian xử lý. Một ứng dụng đầy hứa hẹn là chẩn đoán dựa trên hơi thở, đặc biệt trong việc phát hiện Aspergillus fumigatus ở bệnh nhân nhiễm nấm phổi xâm lấn. Sử dụng sắc ký khí kết hợp khối phổ (GC/MS), các chất chuyển hóa thứ cấp trong hơi thở có thể được phân tích để xác định vi sinh vật một cách không xâm lấn, giảm chi phí và thời gian so với các phương pháp truyền thống.

Kết luận

Các ứng dụng mới nổi của khối phổ, từ nhận diện trực tiếp từ mẫu máu, tích hợp tự động hóa, xác định kháng kháng sinh, đến chẩn đoán dựa trên mô và hơi thở, đang mở ra những cơ hội to lớn cho vi sinh lâm sàng. Mặc dù nhiều phương pháp vẫn đang trong giai đoạn phát triển, nhưng tiềm năng cải thiện chăm sóc bệnh nhân thông qua chẩn đoán nhanh và chính xác là không thể phủ nhận. Trong thập kỷ tới, khối phổ hứa hẹn sẽ trở thành công cụ chẩn đoán quan trọng nhất trong lĩnh vực bệnh truyền nhiễm.

Nguồn: Weiss, R. F., & Basu, S. K. (2025). The Mass Spectrometry Revolution in Clinical Microbiology Part 2: Emerging Applications. Clinical Laboratory Medicine.

Thông tin bài báo khoa học:

Nếu bạn đang quan tâm bài báo này hoặc cần bản gốc của bài báo, hãy liên hệ Zalo 0913.334.212 để được hỗ trợ.

Nếu bạn thấy bài viết mang lại giá trị cho mình, hãy mời chúng tôi ly cà phê bằng cách quét mã phía dưới nhé!