Nat Commun. (IF>15)：尿路感染的代谢组综合研究

一、背景介绍

          尿路感染（UTIs）是常见于女性，数据显示美国每年有八百万余患者因此就医，引发尿路感染的病原体种类繁多，如大肠杆菌、克雷伯菌、葡萄球、白色念珠菌等。目前UTIs的诊断依赖于细菌培养，即将尿液样本接种在培养基上，18小时后计数菌落来判断，但这种方法存在明显局限性，比如说时间延迟、诊断不精确、无法快速识别病原体等，会导致诊断周期的进一步延长。目前临床代谢研究为疾病诊断提供了一种新可能性，可以短时间内检测尿液中代谢物，实现大规模筛查，本研究即旨在通过LC-MS平台分析尿液中微生物的代谢物，寻找尿路感染的标志物，以建立适用于临床诊断的代谢组学策略。

 

二、材料方法

 

          研究含有四个主要队列样本，分别用于标志物挖掘和验证：标志物挖掘队列包括77个阳性样本和33个阴性样本，用于非靶向代谢组学分析，寻找能够区分培养阳性和培养阴性样本的潜在代谢物生物标志物；标志物验证队列包括519个尿液培养样本，以稳定同位素标记的精氨酸作为内标，定量分析精氨酸浓度，验证精氨酸作为标志物的潜能；另一个标志物验证队列包括95个尿液培养样本，以稳定同位素标记的甲基腺嘌呤作为内标，靶向验证甲基腺嘌呤作为标志物的潜能；最后的临床验证队列包括了1629个临床样本，分为两个独立队列，其中587个样本使用固相萃取（SPE）纯化后进行分析，另外1042个使用稀释注射方法直接分析。

 

三、结果讨论

          研究挖掘了精氨酸和甲基腺嘌呤这两种潜在标志物，其ROC曲线下面积（AUC）分别为0.98和0.89，显示出了良好的诊断潜力。靶向分析精氨酸浓度揭示其浓度与肠杆菌目细菌感染密切相关，当精氨酸浓度超过174纳摩尔时，敏感性为94%，特异性为97%；在非肠杆菌目的细菌感染中，甲基腺嘌呤能够识别非肠杆菌目细菌引起的感染，敏感性为91%，特异性为83%。对于微生物代谢能力的验证发现，精氨酸和甲基腺嘌呤确由病原体在尿液中产生，比如大肠杆菌在尿液中培养时，可检测到同位素标记的精氨酸产生，由此证明了尿液中精氨酸由细菌产生。大规模临床验证发现，使用SPE纯化的尿液样本进行分析，精氨酸对肠杆菌的预测具有95%的敏感性和86%的特异性；直接基于尿液样本分析，精氨酸预测具有93%的敏感性和90%的特异性，甲基腺嘌呤预测具有78%的敏感性和79%的特异性，显示了相对便捷的临床适用性。

 

四、研究结论

          研究通过代谢组学方法，成功发现了尿液中的精氨酸和甲基腺嘌呤作为尿路感染的生物标志物，并在多个独立的临床队列中验证了其诊断性能。这些生物标志物能够在短时间内提供高准确性的诊断结果，显著缩短了诊断时间，减少了抗生素的滥用，并提高了临床诊断的精确性。代谢组学方法的实际应用价值在于其能够作为快速筛查工具，整合到现有的临床诊断流程中，提高诊断效率，降低医疗成本，具有广泛的临床应用前景。

 

五、结果展开

图1. 显示筛选出精氨酸和甲基腺嘌呤作为尿路感染的标志物。

a.显示阳性（黄）和阴性（紫）尿液样本的代谢物数据，其中两个潜在标志物（红）分别对应精氨酸（agmatine）和N6-甲基腺嘌呤（N6-methyladenine）。
b.显示精氨酸和N6-甲基腺嘌呤的接收者操作特征（ROC）曲线，其中前者AUC值为0.98，后者为0.89，具有良好诊断潜力。
c.显示精氨酸二级质谱图对比，阳性尿液样本（i）、标准品（ii；250 nM）以及加入相同浓度标准品的阴性样本（iii）。
d.显示N6-甲基腺嘌呤二级质谱图对比，阳性尿液样本（iv）、标准品（v；50 µM）以及加入相同浓度标准品的阴性样本（vi）。

 

图2. 显示精氨酸和N6-甲基腺嘌呤作为尿路感染标志物的定量分析。

a.小提琴图显示不同感染类型的样本中精氨酸浓度，发现精氨酸在肠杆菌目感染样本中显著高于其他，其浓度阈值为174 nM时，敏感性为94%，特异性为97%。
b.小提琴图显示不同感染类型样本中N6-甲基腺嘌呤浓度，发现N6-甲基腺嘌呤在非肠杆菌目感染样本中显著高于其他，其浓度阈值为217 nM时，敏感性为78%，特异性为79%。
c.显示大肠杆菌培养实验中精氨酸的变化（上，蓝色表示消耗，绿色表示产生），以及金黄色葡萄球菌培养实验中N6-甲基腺嘌呤的产生（紫色）。

 

图3. 显示大队列样本临床验证试验中，精氨酸作为肠杆菌感染样本诊断标志物的潜能。

a.小提琴图显示临床尿液样本中精氨酸的浓度分布，其中NG为阴性样本，DCS为可疑样本，ENT为肠杆菌目细菌感染，non-ENT为非肠杆菌目细菌感染，Mix为混合感染，可见ENT样本中精氨酸显著高于其他。
b.ROC曲线展示精氨酸作为肠杆菌目感染诊断标志物的性能，其中ROC曲线下面积（AUC）为0.96，置信区间（CI）为0.94-0.98，对于0.17 μM的阈值，敏感性为95%，特异性为86%，PPV（阳性预测值）为0.68，NPV（阴性预测值）为0.98。

 

图4. 显示经过肌酐浓度校正后，精氨酸作为肠杆菌感染样本诊断标志物的潜能。

a. 小提琴图显示经过肌酐浓度校正后精氨酸的浓度分布，可见肌酐归一化对精氨酸浓度的诊断性能影响较小。
b. ROC曲线展示校正后精氨酸作为肠杆菌目感染诊断标志物的性能，对比发现未校正浓度在诊断时表现更好。

 

参考文献：

Chan CCY, Gregson DB, Wildman SD, Bihan DG, Groves RA, Aburashed R, Rydzak T, Pittman K, Van Bavel N, Lewis IA. Metabolomics strategy for diagnosing urinary tract infections. Nat Commun. 2025 Mar 18;16(1):2658.