在所有的人类疾病中，感染性疾病在发病率上位列第一、死亡率上位列第三。因此，快速、敏感、准确、全面的病原菌鉴定、用药和溯源技术，对于感染性疾病的防治至关重要。近日，来自青岛能源所单细胞中心、中国疾病预防控制中心传染病预防控制所、北京协和医院检验科、丹纳赫公司、青岛星赛生物科技有限公司、重庆国际免疫研究院等的研究人员，基于拉曼组策略，提出了单细胞精度的病原菌鉴定、活性判断、活力测量、药敏表型测定和全基因组溯源技术体系SCIVVS（Single-Cell Identification, Viability and Vitality tests and Source-tracking）。该工作以应邀专家评论的方式发表于《智能检验医学（英文）》iLABMED杂志。
SCIVVS基于拉曼组技术，支撑单细胞精度的细菌或真菌种类鉴定、活性判断、活力测量、药敏表型测定和全基因组溯源
在感染性疾病的临床治疗中，通常需要从患者样本出发，完成活菌总数检测、病原种类鉴定、病原活性/活力检测、抗微生物药物敏感性测量、病原来源的追溯乃至传播途径追踪等一系列系统性的诊断步骤，从而指导精准用药和高效防控。具体来说，目前业界通常采取基于病原培养的策略，这不仅耗费大量的等待时间，而且难以处理慢生长菌。而基于目标基因的靶向性检测，乃至mNGS等元基因组测序手段，通常难以获得病原的活性、活力等必要信息，也难以准确、全面地评估目标病原对于各种药物的敏感性。上述一系列诊断步骤通常需要由培养、生化生理实验、质谱、测序等多种手段、多台仪器配合完成，导致目前通常难以迅速、灵敏、准确、全面且一站式、全自动地完成整个流程。
为解决感染性疾病临床诊疗所面临的这个重要挑战，研究人员提出了基于拉曼组平台的解决方案SCIVVS。针对临床样品，首先不是提取总核酸或者进行平板培养，而是提取所有的细胞，进行重水饲喂、特定抗生素的暴露反应和单细胞拉曼光谱的高通量采集。在每一张拉曼光谱上，利用其指纹区，可基于与一个病原拉曼光谱参照数据库的比对，快速完成每个细胞的种类鉴定这一环节；同时，利用其重水利用峰（C-D峰），则可量化每个细胞的活性、代谢活力、针对特定抗生素的表型药敏性等。进而，为了追踪特定细胞的来源，可通过拉曼激活单细胞分选技术，快速获得目标种类或目标药敏性表型的单细胞，从而对接下游单细胞全基因组测序或单细胞培养。
为了支撑SCIVVS技术体系，在国家重大科学仪器研制、国家重点研发计划等项目的支持下，研究人员研制成功临床单细胞拉曼药敏快检仪CAST-R、高通量流式拉曼分选仪FlowRACS、单细胞拉曼光镊分选仪RACS-Seq/Culture等原创仪器体系，并针对胃粘膜（幽门螺杆菌）感染、血液（鲍曼不动杆菌等）感染、尿液（大肠杆菌）感染等临床场景，合作完成了应用示范。
SCIVVS无需进行微生物培养和分离纯化，而直接从临床样品出发，在单个菌体的精度进行拉曼采集或分选，因此可在数个小时内揭示微生物种类、活性、代谢活力、表型药敏性，以及这些参数的异质性，而且后继可以通过单细胞全基因组或纯培养物进行验证。另外，一个完整的SCIVVS流程，除了测序仪之外，只需要一台单细胞拉曼分选仪，有望实现“一站式”、“全自动”的临床检验操作。因此，SCIVVS与传统策略相比，具有快速、敏感、准确、全面、成本低、一体化、适用性广等优势。
单个细胞是病原体的功能单元和进化单位，故基于其在代谢表型组和基因组层面的单菌体分辨率，SCIVVS有望成为一种新的方法学体系和数据框架，在“最深”的水平服务各种临床场景和疾控应用。为充分挖掘其潜力，研究人员将基于“感染性疾病单细胞技术网络”，进一步开发SCIVVS的临床流程，验证其适用范围，拓展其应用场景，推动微生物单细胞多组学技术在临床诊疗上的广泛应用。
该工作由徐健研究员、张建中研究员、徐英春教授、汤一苇博士、马波研究员、吴玉章教授等合作完成，还得到了国家重点研发计划、中科院战略性先导专项、国家自然科学基金、深港创新圈计划等的支持。（文/图 刘阳）
原文链接：https://doi.org/10.1002/ila2.12
Jian Xu*, Jianzhong Zhang, Yingchun Xu, Yi-Wei Tang, Bo Ma, Yuzhang Wu*. Single cell metabolic phenome and genome via the ramanome technology platform: Precision medicine of infectious diseases at the ultimate precision? iLABMED, 2023.
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