抗生素抗性已成为全球主要的健康问题之一，尤其是碳青霉烯类抗生素作为治疗严重和危及生命细菌感染的最后手段，正面临失效危机。碳青霉烯耐药细菌能够产生碳青霉烯酶，这种酶通过水解作用破坏碳青霉烯类抗生素的中心β-内酰胺环，导致抗生素失活。碳青霉烯耐药肠杆菌科细菌（CRE）因其全球传播、多重耐药性和在血液感染中的高死亡率而成为最紧迫的抗菌素耐药性威胁之一。早期检测CRE是防止其快速传播和降低CRE相关死亡率的关键。目前，表型、基因型和酶活性检测是检测碳青霉烯酶的三种主要方法。常用的表型方法虽然易于实施，但存在特异性低、灵敏度低且耗时（需18–48小时）的缺点。基于聚合酶链反应（PCR）的基因型方法具有高灵敏度和准确性，但成本高昂，且无法检测未知碳青霉烯酶基因，因此不适用于常规筛查。此外，酶活性检测通常与比色法、荧光法和质谱法（MS）结合。尽管比色法和荧光法具有高灵敏度、操作简便和成本低等优点，但光学信号重叠及化学标记复杂等问题限制了应用。相比之下，质谱法可通过直接检测底物与产物分子量，大大提高检测准确性。

基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱（MALDI-TOF MS）已在临床微生物实验室中广泛用于微生物鉴定、抗菌药物敏感性测试和血液感染诊断。此外，MALDI-TOF MS已被用于通过监测碳青霉烯的水解和未水解形式的离子峰来检测碳青霉烯酶活性。然而，直接使用碳青霉烯类抗生素作为探针存在离子化效率低、水解时间长及成本高等问题。因此，开发具有高灵敏度、操作简便且成本较低的新型MS探针势在必行。为提升检测特异性与准确性，吉林大学国新华课题组基于碳青霉烯核心结构设计并合成了新型探针PTACA，其结构中含有吡嗪基团，可显著增强离子化效率。如图1所示，CRE中表达的碳青霉烯酶能选择性水解PTACA的碳青霉烯核心结构。值得注意的是，水解（+18 Da）反应后会直接伴随脱羧（-44 Da）反应，生成一种质量偏移为- 26 Da的新产物离子。借助这一特征，PTACA探针可精准区分CRE与非耐药菌株。

为验证PTACA的性能，研究者测试了其对CRE、大肠杆菌标准株ATCC 25922（不产β-内酰胺酶与碳青霉烯酶）和TEM-1型β-内酰胺酶阳性大肠杆菌ATCC 35218的识别效果。如图2所示，PTACA在与CRE孵育后明显水解，谱图中出现产物离子峰[Mₚ+H]⁺（m/z 324.1），且PTACA离子峰（m/z 350.8）强度显著下降；而与ATCC 25922及ATCC 35218反应后，PTACA离子峰保持不变，未见水解产物，显示其良好的特异性。进一步，作者对58株临床分离大肠杆菌菌株（18株敏感菌、20株ESBLs菌、20株CRE）进行检测，并通过图3展示其水解效率比值Ip/(Ip+Is)。结果显示，敏感菌及ESBLs菌比值极低，而所有CRE菌株均表现出显著比值且差异较小，表明PTACA能稳定、准确识别临床CRE，结果与传统mCIM/eCIM方法一致，验证了其可靠性。此外，研究还在人工尿液中模拟感染环境，评估PTACA的复杂样本检测能力。如图4所示，PTACA在与人工尿液中CRE反应后，谱图中出现[Mₚ+H]⁺离子峰，而与标准敏感大肠杆菌及TEM-1型耐药株反应时无产物离子出现，显示其在复杂生物样本中仍具高选择性。该结果表明PTACA结合MALDI-TOF MS有望实现临床CRE感染的快速与准确诊断。

综上，本研究设计的MALDI-TOF MS探针PTACA以碳青霉烯核心结构实现对碳青霉烯酶的特异性识别，并通过吡嗪基团提高离子化效率，突破了传统检测灵敏度低、时间长的限制。该方法可快速、稳定识别CRE菌株，并具备在临床复杂样本中应用的潜力。但需注意，研究对象主要为大肠杆菌CRE菌株，未涵盖其他耐药属种，且未在真实临床尿液样本中验证。未来研究应进一步拓展探针适用范围，并与现行检测方法进行系统比较。

图1  PTACA探针检测碳青霉烯酶的示意图

图2  PTACA探针与不同细菌孵育60分钟后的MALDI-TOF MS光谱。（A）CRE，（B）标准敏感大肠杆菌和（C）TEM-1型耐药大肠杆菌

图3  PTACA 探针在临床分离大肠杆菌菌株中的应用

图4  PTACA与ATCC 25922、ATCC 35218及人工尿液中CRE孵育60分钟后的MALDI-TOF MS谱图

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.microc.2025.114300