การระบุชนิดและการจำแนกสายพันธุ์ของแบคทีเรียด้วยวิธีโมเลกุล

การระบุชนิดและการจำแนกสายพันธุ์ของแบคทีเรียด้วยวิธีโมเลกุลครอบคลุมถึงวิธีการที่ใช้ในการระบุว่าเชื้อที่แยกได้นั้นเป็นแบคทีเรียชนิดใด และนอกเหนือจากระดับชนิดแล้ว ยังใช้ในการจำแนกสายพันธุ์เพื่อการสอบสวนการระบาดและการเฝ้าระวัง ซึ่งมีตั้งแต่การหาลำดับยีนเครื่องหมายที่อนุรักษ์ไว้และการจับคู่โปรไฟล์โปรตีน ไปจนถึงการจำแนกสายพันธุ์โดยอาศัยการตัดด้วยเอนไซม์จำเพาะและการหาลำดับสารพันธุกรรม

Definition

การระบุชนิดของแบคทีเรียคือการจัดกลุ่มเชื้อที่แยกได้ให้อยู่ในกลุ่มอนุกรมวิธานโดยใช้เครื่องหมายโมเลกุลหรือโปรไฟล์โปรตีน ในขณะที่การจำแนกสายพันธุ์ด้วยวิธีโมเลกุลคือการแยกความแตกต่างระหว่างเชื้อที่แยกได้ซึ่งเป็นชนิดเดียวกัน เพื่อประเมินความสัมพันธ์ทางระบาดวิทยา

Scope

หัวข้อนี้กล่าวถึงการระบุชนิดโดยอาศัยลำดับสารพันธุกรรม (โดยเฉพาะการหาลำดับยีน 16S rRNA), การระบุชนิดโปรตีนด้วยเทคนิค MALDI-TOF mass spectrometry และวิธีการจำแนกสายพันธุ์ด้วยวิธีโมเลกุล เช่น pulsed-field gel electrophoresis และที่เพิ่มขึ้นคือการจำแนกสายพันธุ์ด้วยการหาลำดับจีโนมทั้งหมด โดยนำเสนอในฐานะหัวข้อทางห้องปฏิบัติการและข้อมูลอ้างอิง ไม่ใช่แนวทางการรักษา

Core questions

• เชื้อที่แยกได้นี้จัดอยู่ในสปีชีส์หรือสกุลใด และเครื่องหมายโมเลกุลสามารถระบุได้อย่างมั่นใจเพียงใด?
• เชื้อที่แยกได้สองตัวหรือมากกว่านั้นเป็นสายพันธุ์เดียวกันหรือไม่ และเกณฑ์ความคล้ายคลึงกันใดที่กำหนดความสัมพันธ์?
• วิธีการจำแนกสายพันธุ์ใดที่ให้พลังในการจำแนกและความสามารถในการทำซ้ำที่เหมาะสมกับคำถาม?

Key concepts

• การหาลำดับยีน 16S rRNA
• การวิเคราะห์โปรไฟล์ด้วย MALDI-TOF mass spectrometry
• Pulsed-field gel electrophoresis (PFGE)
• Multilocus sequence typing (MLST)
• การจำแนกสายพันธุ์ด้วยการหาลำดับจีโนมทั้งหมด
• พลังในการจำแนกและความสามารถในการทำซ้ำ
• เกณฑ์ความสัมพันธ์ของสายพันธุ์

Mechanisms

การระบุชนิดสามารถอาศัยการเพิ่มปริมาณและการหาลำดับยีน 16S rRNA ซึ่งมีบริเวณที่อนุรักษ์ไว้และบริเวณที่แปรผัน ทำให้สามารถจัดจำแนกแบคทีเรียส่วนใหญ่ที่มีความสำคัญทางคลินิกได้ แม้จะมีข้อจำกัดในกรณีที่แบคทีเรียชนิดใกล้เคียงกันมีลำดับที่เกือบจะเหมือนกัน (Patel, 2001) ส่วนเทคนิค MALDI-TOF mass spectrometry จะระบุชนิดของสิ่งมีชีวิตโดยการจับคู่สเปกตรัมมวลโปรตีนที่เป็นลักษณะเฉพาะกับฐานข้อมูลอ้างอิง ซึ่งช่วยให้ระบุชนิดจากโคโลนีได้อย่างรวดเร็ว (Greub, 2010) สำหรับการจำแนกในระดับสายพันธุ์ เทคนิค pulsed-field gel electrophoresis จะเปรียบเทียบรูปแบบชิ้นส่วนดีเอ็นเอที่ถูกตัดด้วยเอนไซม์จำเพาะจากโครโมโซม โดยมีเกณฑ์มาตรฐานที่กำหนดว่าเมื่อใดที่เชื้อที่แยกได้ถือว่าแยกไม่ออก มีความสัมพันธ์ใกล้ชิด หรือแตกต่างกัน (Tenover, 1995) ปัจจุบันการหาลำดับจีโนมทั้งหมดช่วยให้การจำแนกสายพันธุ์มีความละเอียดสูงขึ้น และถูกนำมาใช้เพิ่มขึ้นสำหรับการเฝ้าระวังและการสร้างแผนผังการระบาด (Deng et al., 2016)

Clinical relevance

การระบุชนิดและการจำแนกสายพันธุ์ที่แม่นยำจะอธิบายว่าห้องปฏิบัติการตั้งชื่อสิ่งมีชีวิตและเชื่อมโยงเชื้อที่แยกได้ที่มีความสัมพันธ์กันอย่างไร ซึ่งสนับสนุนการเฝ้าระวังการป้องกันการติดเชื้อ การตรวจจับการระบาด และการรายงาน หัวข้อนี้อธิบายถึงวิธีการสร้างหลักฐานดังกล่าว และไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Epidemiology

การจำแนกสายพันธุ์ด้วยวิธีโมเลกุลเป็นหัวใจสำคัญของระบาดวิทยาโมเลกุล: การเปรียบเทียบสายพันธุ์ระหว่างผู้ป่วย หอผู้ป่วย หรือแหล่งอาหาร ช่วยในการพิจารณาว่ากรณีต่างๆ มีแหล่งที่มาเดียวกันหรือไม่ วิธีการที่อาศัยจีโนมทั้งหมดได้กลายเป็นเครื่องมือหลักสำหรับการเฝ้าระวังและการสอบสวนการระบาดของเชื้อก่อโรคที่มาจากอาหารและที่เกี่ยวข้องกับการดูแลสุขภาพ (Deng et al., 2016)

Evidence & guidelines

การตีความการจำแนกสายพันธุ์ได้รับการชี้นำมานานโดยเกณฑ์มาตรฐานที่เกิดจากความเห็นพ้องของผู้เชี่ยวชาญสำหรับการอ่านรูปแบบการตัดด้วยเอนไซม์จำเพาะ (Tenover, 1995) ประสิทธิภาพของการระบุชนิดและการจำแนกสายพันธุ์ การจัดการฐานข้อมูล และมาตรฐานคุณภาพถูกกำหนดโดยองค์กรวิชาชีพและผู้ผลิตชุดทดสอบ และไม่ได้นำเสนอซ้ำในที่นี้

History

การระบุชนิดโดยอาศัยลำดับสารพันธุกรรมเริ่มเป็นที่แพร่หลายเมื่อเทคนิค PCR และการหาลำดับยีน 16S rRNA เข้าสู่ห้องปฏิบัติการทางคลินิก (Patel, 2001) ในขณะที่การจำแนกสายพันธุ์ที่ทำซ้ำได้ถูกกำหนดเป็นมาตรฐานผ่านเกณฑ์ความเห็นพ้องสำหรับการตีความรูปแบบ PFGE (Tenover, 1995) ต่อมาเทคนิค MALDI-TOF mass spectrometry ได้เปลี่ยนแปลงการระบุชนิดตามปกติโดยลดระยะเวลาดำเนินการลงอย่างมาก (Greub, 2010) และการหาลำดับจีโนมทั้งหมดได้ขยายการจำแนกสายพันธุ์ไปสู่ความละเอียดระดับนิวคลีโอไทด์เดี่ยว (Deng et al., 2016)

Debates

ควรนิยามความสัมพันธ์ของสายพันธุ์อย่างไร?

เกณฑ์รูปแบบแถบดีเอ็นเอให้หมวดหมู่ความสัมพันธ์ที่ทำซ้ำได้แต่มีความหยาบ ในขณะที่วิธีการจีโนมทั้งหมดให้ความละเอียดที่ละเอียดกว่า; สาขาวิชานี้ยังคงเจรจาเกณฑ์และวิธีการเปรียบเทียบผลลัพธ์ระหว่างวิธีการและห้องปฏิบัติการต่างๆ

Seminal works

• patel-2001
• tenover-1995
• greub-2010

Frequently asked questions

การหาลำดับ 16S rRNA มีประโยชน์มากที่สุดเมื่อใด?

มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับสิ่งมีชีวิตที่ระบุได้ยากด้วยวิธีฟีโนไทป์ หรือที่เจริญเติบโตช้า แม้ว่าอาจไม่สามารถแยกแยะชนิดที่ใกล้เคียงกันมากซึ่งมีลำดับ 16S ที่เกือบจะเหมือนกันได้

เหตุใดจึงต้องจำแนกสายพันธุ์ของแบคทีเรียนอกเหนือจากการระบุชนิด?

การจำแนกสายพันธุ์ช่วยแยกแยะเชื้อที่แยกได้ซึ่งเป็นชนิดเดียวกัน เพื่อพิจารณาว่าพวกมันเป็นส่วนหนึ่งของห่วงโซ่การแพร่เชื้อเดียวกันหรือไม่ ซึ่งจำเป็นสำหรับการสอบสวนการระบาดและการเฝ้าระวังการควบคุมการติดเชื้อ