Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI84010.15789/2220-7619-2018-4-489-496MOLECULAR BASES OF EPIDEMIOLOGY, DIAGNOSTICS, PREVENTION AND TREATMENT OF INFECTIOUS DISEASESМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЭПИДЕМИОЛОГИИ, ДИАГНОСТИКИ, ПРОФИЛАКТИКИ И ЛЕЧЕНИЯ АКТУАЛЬНЫХ ИНФЕКЦИЙNEW OPPORTUNITIES TO IDENTIFY AND TYPE STAPHYLOCOCCUS spp. BY USING MALDI-TOF MASS SPECTROMETRYНОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ И ТИПИРОВАНИЯ STAPHYLOCOCCUS spp. МЕТОДОМ MALDI-TOF МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИStepanovA. S.СтепановА. С.
Russian Federation

Assistant Professor, Department of Medical Microbiology

195067, Russian Federation, St. Petersburg, Piskarevsky pr., 47Phone: +7 (921) 897-10-13 (mobile)

ассистент кафедры медицинской микробиологии 

195067, Россия, Санкт-Петербург, Пискаревский пр., 47Тел.: 8 (921) 897-10-13 (моб.)

aleksandr.stepanov@szgmu.ruVasilyevaN. V.ВасильеваН. В.
Russian Federation

PhD, MD (Biology), Professor, Head of the Department of Medical Microbiology

д.б.н., профессор, зав. кафедрой медицинской микробиологии

North-Western State Medical University named after I.I. Mechnikov, St. PetersburgСеверо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова, Санкт-Петербург30122018844894961712201817122018Copyright ©; 2018, Stepanov A.S., Vasilyeva N.V.Copyright ©; 2018, Степанов А.С., Васильева Н.В.2018Stepanov A.S., Vasilyeva N.V.Степанов А.С., Васильева Н.В.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/840

Abstract. Mass spectrometry profiles of microorganisms obtained by time-of-flight matrix-associated laser desorption/ionization (MALDI-TOF) mass spectrometry are a source of information about peptide profiles can be used for microbial identification and typing. A variety of technical and bioinformational solutions complicate developing of a united mass-spectro-profile database. Staphylococcus spp. strains are good studied objects for identification by MALDI-TOF mass spectrometry, frequently resulting in nosocomial infections, especially in immunocompromised patients. Rapid differentiation of nosocomial, multiresistant and highly virulent isolates of Staphylococcus spp. Allows to reduce the lethality in weakened and immunocompromised patients. The study was aimed at assessing comparability and reproducibility of identification and typing results for Staphylococcus spp by MALDI-TOF mass spectrometry. Comparing 292 Staphylococcus spp. isolates in clinical specimens obtained fron the multidisciplinary hospital at the NWSMU im. I.I. Mechnikov was carried out by using MALDI-TOF mass spectrometer BactoSCREEN ID (Litech, Russia) and Bruker Biotyper 3.1 (Bruker GmbH, Germany). Comparability of Staphylococcus spp. identification showed that 95.9%; 12 isolates (4.1%) by “Bruker Biotyper 3.1” and 3 isolates (1.1%) by using “BactoSCREEN ID” were incorrectly identified. Repeated identification leveled the differences between the systems used. In addition, it was shown that the method of protein extraction did not affect reliability of Staphylococcus spp. species identification by using databases (÷2, p > 0.05) compared to intraspecific typing (÷2, p < 0.0001). Using different extraction protocols showed that Staphylococcus spp. mass-spectra differed by peak intensity level within the mass range up to 4000 m/z, 5300±600 m/z and 6500±500 m/z, as well as higher than 7000 m/z. Peaks of low-molecular weight peptides were detected under full protein extraction compared to sample preparation on plate extraction. To develop a unified protocol for mass-spectrometry profile processing, a reliability of the basic statistical variables (mode, median, maximum, minimum and arithmetic mean) was evaluated. Analysis of the median mass spectrometry profiles is recommended for Staphylococcus spp. intraspecific typing by using MALDI-TOF mass spectrometry as the most reproducible and consistent approach. As a result, two systems for MALDI-TOF mass spectrometry reliably identify Staphylococcus spp., but standardization of sample preparation and bioinformation analysis is required for Staphylococcus spp. typing.

Резюме. Масс-спектро-профили микроорганизмов, получаемые с помощью времяпролетной матрице-ассоциированной лазерной десорбции/ионизациии (MALDI-TOF) масс-спектрометрии являются источником информации о пептидных профилях, которая может быть использована для идентификации и типирования. Разнообразие технических и биоинформационных решений затрудняет формирование единой базы масс-спектро-профилей. Бактерии рода Staphylococcus являются одними из наиболее изученных объектов для идентификации с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии, а также являются частыми возбудителями внутрибольничных инфекций, в особенности среди иммунокомпрометрированных пациентов. Методы быстрой дифференцировки нозокомиальных, полирезистентных и высоковирулентных изолятов Staphylococcus spp. позволят снизить летальность среди ослабленных и иммунокомпрометированных пациентов. Целью исследования была оценка сопоставимости и воспроизводимости результатов идентификации и типирования Staphylococcus spp. с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии. Сравнительные исследования 292 изолятов Staphylococcus spp., выделенных из клинических образцов на базе многопрофильного стационара СЗГМУ им. И.И. Мечникова проводили с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрометров «BactoSCREEN ID» (ООО «Литех», Россия) и Bruker Biotyper 3.1 (Bruker GmBH, Германия). Сопоставимость результатов видовой идентификации Staphylococcus spp. составляла 95,9%; причем среди неправильно идентифицированных изолятов изолятов 12 (4,1%) составляли идентифцированные с помощью Bruker Biotyper 3.1 и 3 изолята (1,1%) Staphylococcus spp. с помощью BactoSCREEN ID. Повторная идентифкация нивелировала различия между используемыми системами. Выявили, что способ экстракции белков не влиял на надежность видовой идентификации Staphylococcus spp. с использованием сравниваемых библиотек данных (÷2, p > 0,05) в отличие от внутривидового типирования (÷2, p < 0,0001). Масс-спектры Staphylococcus spp. при использовании различных протоколов экстракции различались по уровню интенсивности пиков диапазонов масс до 4000 m/z, 5300±600 m/z и 6500±500 m/z и более 7000 m/z. Пики низкомолекулярных пептидов выявляли при полной экстракции белка в отличии от пробоподготовки на поверхности мишени. Для формирования унифицированного протокола обработки масс-спектро-профилей проводили оценку надежности базовых статистических величин (мода, медиана, максимум, минимум и среднее арифметическое). Анализ медианы масс-спектро-профилей рекомендуется использовать для воспроизводимости и стабильности результатов внутривидового типирования Staphylococcus spp. с помощью MALDI-TOF масс-спектрометрии. В результате сравнительных исследований выявили, что две системы для MALDI-TOF масс-спектрометрия надежно идентифицируют Staphylococcus spp., а для типирования требуется унификация пробоподготовки и биоинформационного анализа.

Staphylococcus spp.MALDI-TOF mass spectrometrytypingmass-spectracluster analysisidentificationStaphylococcus spp.MALDI-TOF масс-спектрометриятипированиемасс-спектркластерный анализидентификация1. Гостев В.В., Калиногорская О.С., Черненькая Т.В., Науменко З.С., Ворошилова Т.М., Захарова Ю.А., Хохлова О.Е., Круглов А.Н., Сидоренко С.В. Антибиотикорезистентность метициллинорезистентных Staphylococcus aureus, циркулирующих в Российской Федерации // Антибиотики и химиотерапия. 2015. Т. 60, № 1–2. C. 3–9. [Gostev V.V., Kalinogorskaya O.S., Chernenkaya T.V., Naumenko Z.S., Voroshilova T.M., Zakharova Yu.A., Khokhlova O.E., Kruglov A.N., Sidorenko S.V. Antibiotic resistance of MRSA in Russian Federation. Antibiotiki i khimioterapiya = Antibiotics and Chemotherapy, 2015, vol. 60, no. 1–2, pp. 3–9. (In Russ.)]2. Козлова Н.С., Баранцевич Е.П., Баранцевич Н.Е. Антибиотикорезистентность стафилококков, выделенных из крови // Научное обозрение. 2014. № 3. C. 184–189. [Kozlova N.S., Barantsevich E.P., Barantsevich N.E. Antibiotic resistance of staphylococci isolated from blood. Nauchnoe obozrenie = Scientific Review, 2014, no. 3. pp. 184–189. (In Russ.)]3. Albrethsen J. Reproducibility in protein profiling by MALDI-TOF mass spectrometry. Clin. Chem., 2007, vol. 53, no. 5, pp. 852– 858. doi: 10.1373/clinchem.2006.0826444. Böhme K., Fernández-No I.C., Barros-Velázquez J., Gallardo J.M., Cañas B., Calo-Mata P. Comparative analysis of protein extraction methods for the identification of seafood-borne pathogenic and spoilage bacteria by MALDI-TOF mass spectrometry. Analyt. Methods, 2010, vol. 2, no. 12, pp. 1941–1947. doi: 10.1039/C0AY00457J5. Camoez M., Sierra J.M., Dominguez M.A., Ferrer-Navarro M., Vila J., Roca I. Automated categorization of methicillin-resistant Staphylococcus aureus clinical isolates into different clonal complexes by MALDI-TOF mass spectrometry. Clin. Microbiol. Infect., 2016, vol. 22, no. 2, pp. 161.e1–161.e7. doi: 10.1016/j.cmi.2015.10.0096. Chen X.-P., Li W.G., Zheng H., Du H.Y., Zhang L. Extreme diversity and multiple SCCmec elements in coagulase-negative Staphylococcus found in the Clinic and Community in Beijing, China. Ann. Clin. Microbiol. Antimicrob., 2017, vol. 16: 57. doi: 10.1186/s12941-017-0231-z7. Gibb S., Strimmer K. MALDIquant: a versatile R package for the analysis of mass spectrometry data. Bioinformatics (Oxford, England), 2012, vol. 28, no. 17, pp. 2270–2271. doi: 10.1093/bioinformatics/bts4478. Jamal W., Albert M.J., Rotimi V.O. Real-time comparative evaluation of bioMerieux VITEK MS versus Bruker Microflex MS, two matrix-assisted laser desorption-ionization time-of-flight mass spectrometry systems, for identification of clinically significant bacteria. BMC Microbiology, 2014, vol. 1, no. 14: 289. doi: 10.1186/s12866-014-0289-09. Lee M., Chung HS., Moon HW., Lee SH., Lee K. Comparative evaluation of two matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) systems, Vitek MS and Microflex LT, for the identification of Grampositive cocci routinely isolated in clinical microbiology laboratories. J. Microbiol. Methods, 2015, vol. 113, pp. 13–15. doi: 10.1016/j.mimet.2015.03.02010. Patel R. MALDI-TOF MS for the diagnosis of infectious diseases. Clin. Chem., 2015, vol. 61, no. 1, pp. 100–111.11. Ryan C.G., Clayton E., Griffin W.L., Sie S.H., Cousens D.R. SNIP, a statistics-sensitive background treatment for the quantitative analysis of PIXE spectra in geoscience applications. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B., 1988, vol. 34, pp. 396–402. doi: 10.1016/0168-583X(88)90063-812. Schulthess B., Brodner K., Bloemberg G.V., Zbinden R., Böttger EPP., Hombach M. Identification of Gram-positive cocci by use of matrix-assisted laser desorption ionization–time of flight mass spectrometry: comparison of different preparation methods and implementation of a practical algorithm for routine diagnostics. J. Clin. Microbiol., 2013, vol. 51, no. 6, pp. 1834–1840. doi: 10.1128/JCM.02654-1213. Schulthess B., Bloemberg G.V., Zbinden R., Böttger E.C., Hombach M. Evaluation of the Bruker MALDI Biotyper for identification of gram-positive rods: development of a diagnostic algorithm for the clinical laboratory. J. Clin. Microbiol., 2014, vol. 52, no. 4, pp. 1089–1097. doi: 10.1128/JCM.02399-1314. Schuster D., Josten M., Janssen K., Bodenstein I., Albert C., Schallenberg A., Gajdiss M., Sib E., Szekat C., Kehl K., Parčina M., Hischebeth G.T.R., Bierbaum G. Detection of methicillin-resistant coagulase-negative staphylococci harboring the class A mec complex by MALDI-TOF mass-spectrometry. Int. J. Med. Microbiol., 2018, vol. 308, no. 5, pp. 522–526. doi: 10.1016/j.ijmm.2018.05.00115. Seng P., Fournier PE., La Scola B., Drancourt M., Raoult D. MALDI-TOF-mass spectrometry applications in clinical microbiology. Future Microbiol., 2010, vol. 5, no. 11, pp. 1733–1754. doi: 10.2217/fmb.10.12716. Staphylococcus aureus subtyping for MRSA detection. URL: https://www.bruker.com/products/mass-spectrometry-and-separations/maldi-biotyper-for-microbiological-research/mbt-subtyping-software-module/staphylococcus-aureus-subtyping-for-mrsa-detection.html (21.11.2017)17. Wang H.-Y., Lee T.Y., Tseng Y.J., Liu T.P., Huang K.Y., Chang Y.T., Chen C.H., Lu J.J. A new scheme for strain typing of methicillin-resistant Staphylococcus aureus on the basis of matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight mass spectrometry by using machine learning approach. PLoS One, 2018, vol. 13, no. 3, pp. e0194289. doi: 10.1371/journal.pone.019428918. Westblade L.F., Garner O.B., MacDonald K., Bradford C., Pincus D.H., Mochon A.B., Jennemann R., Manji R., Bythrow M., Lewinski M.A., Burnham C.-A.D., Ginocchio C.C. Assessment of reproducibility of matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight mass spectrometry for bacterial and yeast identification. J. Clin. Microbiol., 2015, vol. 53, no. 7, pp. 2349–2352. doi: 10.1128/JCM.00187-1519. Wolters M., Rohde H., Maier T., Belmar-Campos C., Franke G., Scherpe S., Aepfelbacher M., Christner M. MALDI-TOF MS fingerprinting allows for discrimination of major methicillin-resistant Staphylococcus aureus lineages. Int. J. Med. Microbiol., 2011, vol. 301, no. 1, pp. 64–68. doi: 10.1016/j.ijmm.2010.06.002