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使用Xpert MTB/RIF检测法诊断肺结核

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DOI：

10.3791/3547

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2012年4月9日

 , 
1Institute for Infectious Diseases, University of Bern, 2MCL Laboratories Inc.

本文内容

摘要

Xpert MTB/RIF 检测整合了样本去污染、免手动操作、仪器内置样本处理以及超灵敏的半巢式 PCR 技术，可在约两小时内对咳出的痰液或浓缩痰沉淀物中的结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis）和利福平耐药性进行同步检测。该检测标准化程度高，仅需中等水平的实验室基础设施和培训。

摘要

由结核分枝杆菌（Mycobacterium tuberculosis，MTB）引起的结核病（TB）仍然是一个重大的公共卫生问题：该感染影响全球最多三分之一的人口1，每年近两百万人死于结核病2。世界卫生组织（WHO）的“遏制结核病策略”强调，应确保所有结核病患者都能普遍获得高质量、以患者为中心的治疗3。在呼吸道标本中快速检测MTB，并根据可靠的耐药性检测结果开展药物治疗，是成功实施该策略的前提。然而，在世界许多地区，结核病的诊断仍依赖于敏感性低、标准化程度差的痰涂片显微镜检查方法。结核病检测效果不佳，以及耐药MTB菌株的出现和传播，正日益威胁全球结核病控制工作的进展2。

有效的肺结核诊断需要在全球范围内提供标准化、易于使用且性能可靠的诊断工具，以直接检测结核分枝杆菌复合群（MTB complex）以及对利福平（RIF）等关键抗生素的耐药性。后者结果可作为耐多药结核分枝杆菌（MDR TB）的标志物，据报道在>95%的MDR-TB分离株中存在。4, 5 快速获得可靠的检测结果，有望直接转化为科学的患者管理决策，最终治愈个体患者，并阻断结核病在社区中的传播链。2

Cepheid公司（美国加利福尼亚州森尼韦尔）的Xpert MTB/RIF检测6, 7以显著的方式满足了上述各项要求。该检测是一种核酸扩增试验，用于：1）检测痰液或浓缩痰沉淀物中的结核分枝杆菌复合群（MTB）DNA；以及2）检测rpoB基因中与利福平（RIF）耐药相关的突变8。该检测专为配合Cepheid公司的GeneXpert Dx系统使用而设计，该系统集成并自动化了样本处理、核酸扩增以及靶序列的检测过程，采用实时PCR和逆转录PCR技术。系统包括一台仪器、一台个人计算机、一个条形码扫描仪，以及预装用于运行检测和查看结果的软件9。该系统使用一次性Xpert MTB/RIF检测 cartridge，其中包含PCR试剂并承载PCR反应过程。由于cartridge为封闭式设计，可完全避免样本之间的交叉污染6。目前用于检测MTB的核酸扩增方法普遍复杂、劳动强度大且技术要求高。Xpert MTB/RIF检测有望将标准化、高灵敏度和极高特异性的结核病及耐药性诊断检测推广至全民可及的基层医疗点3，前提是这些地区具备相应的支付能力。为促进检测的可及性，创新诊断基金会（FIND）已协商达成大幅降价。当前由FIND协商确定的价格及符合折扣资格的国家名单可在其官网上查询10。

方案

国际结核病护理标准第2条指出，所有疑似患有肺结核的患者应至少提交两份痰标本进行细菌学检查。在条件允许时，应至少采集一份清晨痰标本，因为此时间点采集的痰液检出率最高。11 Xpert MTB/RIF 检测可用于痰液样本或由诱导咳出或自然咳出的痰液经浓缩后制备的痰沉淀物，这些样本可为抗酸杆菌（AFB）涂片阳性或阴性。6, 12, 13 该检测适用于临床怀疑患有肺结核且符合以下条件的患者样本：1）未接受过抗结核治疗；2）曾 < 7天的治疗，或3）在过去60天内未接受过治疗。请注意，本方法不应用于监测药物治疗的效果7 因为细菌DNA可能在抗菌治疗后仍然存留。

将临床标本（包括使用过的检测卡）视为可能传播传染性病原体的物质进行处理。应采取适当的预防措施，例如佩戴一次性防护手套、实验服和眼部防护装备，并遵循所在机构的安全规程和指南。

1. 咳出的痰液样本

注意：一次处理的样本数量不得超过 GeneXpert Dx 系统可用的检测模块数量！

  1. 使用记号笔为每个 Xpert MTB/RIF 卡盒标记相应的标本编号。
  2. 用无菌移液管将 1.0 ml 咳出的痰液转移至锥形螺口管中。或者，也可直接在原始的防漏痰液采集容器中处理全部标本。
  3. 用无菌移液管向咳出的痰液中加入 2.0 ml Xpert MTB/RIF 样本试剂（体积比 2:1）。
  4. 盖上管盖，用力振荡管子 10–20 次。或者，可进行涡旋振荡（30 秒）。
  5. 将管子直立静置 5 分钟，室温放置。
  6. 再次用力振荡管子 10–20 次。或者，可进行涡旋振荡（30 秒）。
  7. 将管子再次直立静置 10 分钟，室温放置。
  8. 检查标本：样品应已液化，无可见的痰块残留。

2. 浓缩沉淀物

注意：每次处理的样本数量不得超过可用的 GeneXpert Dx 系统模块数量！

  1. 使用相应的样本编号标记每个 Xpert MTB/RIF 检测卡。
  2. 用无菌移液管将 1.5 ml Xpert MTB/RIF 样本处理试剂转移至一个带螺口盖的锥形管中。
  3. 用无菌移液管向含有样本处理试剂的管中加入至少 0.5 ml 浓缩沉淀物。
  4. 盖上管盖，剧烈振荡管子 10-20 次，或 alternatively 使用涡旋振荡器（30 秒）。
  5. 将管子直立静置 5 分钟，室温放置。
  6. 再次剧烈振荡管子 10-20 次，或 alternatively 使用涡旋振荡器（30 秒）。
  7. 将管子再次直立静置 10 分钟，室温放置。
  8. 检查样本：样本应已液化，无可见的痰块。

3. 加载 Xpert MTB/RIF 试剂盒

注意：在将样本加入 cartridge 后 30 分钟内开始检测！

  1. 检查Xpert MTB/RIF试剂盒上的标签和样本编号。
  2. 打开试剂盒盖子。
  3. 使用提供的无菌移液管，将液化后的样本吸入移液管中，直至弯月面高于最低刻度线，然后将样本转移至Xpert MTB/RIF试剂盒的开放加样口内。

注意：请缓慢分装，以尽量降低气溶胶生成的风险！

  1. 关闭 cartridge 盖子。

4. 开始测试

注意：在开始检测之前，确保 GeneXpert Dx 系统已安装 GX2.1 软件，并且 Xpert MTB/RIF 检测已导入该软件！9

  1. 打开计算机，然后开启 GeneXpert Dx 仪器。
  2. 在 Windows 桌面上，双击 GeneXpert Dx 快捷方式图标。
  3. 使用您的用户名和密码登录 GeneXpert Dx 系统软件。
  4. 在 GeneXpert Dx 系统窗口中，单击 创建检测。此时将出现 扫描试剂盒条形码 对话框。
  5. 在 样本编号 框中，扫描或输入样本编号。
  6. 扫描 Xpert MTB/RIF 试剂盒上的条形码。此时将出现 创建检测 窗口。
  7. 单击 开始检测，并在弹出的对话框中输入您的密码。
  8. 打开带有闪烁绿灯的仪器模块门，放入试剂盒。
  9. 关闭门。检测开始，指示灯停止闪烁并保持常亮绿色。检测完成后，指示灯熄灭。
  10. 等待系统在运行结束时释放门锁，然后打开模块门并取出试剂盒。
  11. 根据您所在机构的标准操作规程，将使用过的试剂盒 disposed 放入适当的废弃物容器中。

5. 典型结果

每片Xpert MTB/RIF检测卡均包含用于检测结核分枝杆菌复合群（MTB complex）和利福平（RIF）耐药性的试剂，以及一个样本处理对照（SPC），用于评估目标细菌的充分处理情况，并监测PCR反应中是否存在抑制物。探针检测对照（PCC）用于验证试剂的重悬、检测卡内PCR管的填充、探针完整性及染料稳定性。9 Xpert MTB/RIF 检测中的引物扩增结核分枝杆菌rpoB基因的一部分 rpoB 含有81个碱基对“核心”区域的基因。五种不同颜色的荧光核酸杂交探针（称为分子信标）对整个81 bp核心区域进行检测。14 每种分子信标均被设计得具有高度特异性，若靶序列与野生型序列存在差异，则不会与之结合 rpoB 仅因单个核苷酸替换而产生的序列差异。由于分子信标仅在与其靶标（即野生型）结合时才产生荧光， rpoB 序列中，该检测方法利用五种颜色的缺失情况，区分核心区域的保守野生型序列与耐利福平相关的突变。6

在阴性样本中，SPC 应为阳性，在阳性样本中 SPC 可为阴性或阳性。如果在阴性检测中未检测到 SPC，则测试结果将显示为“无效”。在 PCR 反应开始之前，GeneXpert Dx 系统会测量探针的荧光信号，以监测微珠重悬、反应管填充、探针完整性和染料稳定性。若探针的荧光信号符合规定的可接受标准，则 PCC 通过。结果由 GeneXpert Dx 系统根据测得的荧光信号和内置的计算算法进行判读，并在下方所示的 查看结果 窗口中显示9：

检测到结核分枝杆菌： 检测到结核分枝杆菌靶DNA；SPC和PCC两个对照均符合预设的可接受标准。较低的Ct值代表较高的起始DNA模板浓度；较高的Ct值代表较低的DNA模板浓度。在“检测到结核分枝杆菌”的结果中，“检测到利福平耐药”（图1A）、“未检测到利福平耐药”（图1B）或“利福平耐药结果不确定”将单独显示在一行。

未检测到结核分枝杆菌： 未检测到结核分枝杆菌靶标DNA；两种对照（SPC和PCC）均符合预设的可接受标准（图2）。

无效： 无法确定结核分枝杆菌（MTB）的存在与否：SPC 未达到可接受标准，即样本未被正确处理，或 PCR 受到抑制（图 3）。注意：请使用额外标本重复检测！

错误：一项或多项 PCC 结果未通过（FAIL）。MTB 和 SPC 均显示无结果（NO RESULT）。注意：请使用额外标本重复检测！如果 PCC 已通过（PASS），则此错误由系统组件故障引起。

图1： 检出结核分枝杆菌（MTB）靶标DNA；两个对照组SPC和PCC均符合预设的可接受标准。较低的Ct值表示DNA模板的起始浓度较高；较高的Ct值表示DNA模板浓度较低。在“检出MTB”的结果中，“未检出利福平耐药”（图1A）、“检出利福平耐药”（图1B）或“利福平耐药结果不确定”将单独显示为一行。

显示MTB诊断结果和主要荧光曲线的GeneXpert系统界面。
图1A. 检测到MTB；未检测到利福平（RIF）耐药性，即rpoB基因的81 bp利福平耐药决定区（RRDR）仅存在野生型核酸序列。6 点击此处查看高清图像。

GeneXpert 诊断软件界面；PCR 分析图；MTB/RIF 检测结果。
图 1B. 检出结核分枝杆菌（MTB）；检出利福平（RIF）耐药。探针 B（箭头所示）信号完全缺失，该探针覆盖 rpoB 基因利福平耐药决定区（RRDR）第 513 至 517 位点。6 本例中，部分测序结果显示检出了 rpoB 基因 D516V 突变。8 点击此处查看高清大图。

GeneXpert Dx系统界面，Xpert MTB-RIF检测结果，显示MTB检测循环的PCR图谱。
图2. 未检测到MTB靶标DNA；两个对照（SPC和PCC）均符合预设的可接受标准。点击此处查看大图。

GeneXpert Dx 系统界面；带有荧光数据的 PCR 分析图，显示检测结果。
图 3. 无效检测结果，即无法确定结核分枝杆菌（MTB）的存在与否：SPC 未达到可接受标准，原因可能是样本未被正确处理，或 PCR 反应受到抑制。点击此处查看大图。

讨论

Xpert MTB/RIF 检测法将样本去污染、免手工操作、仪器内置样本处理以及超灵敏的半巢式 PCR 技术整合于一体，可在单一、易于使用的系统中，对咳出的痰液或浓缩沉淀物中的 MTB 及利福平（RIF）耐药性进行同步检测。该检测方法的分析检测限为每毫升痰液 131 CFU。6 Ct 值与痰液中 MTB 细胞数量之间的对数线性关系在每毫升 102 至 107 CFU 范围内均成立。由于临床相关的 MTB 浓度均处于该检测的线性范围内，因此该检测可提供细菌负荷的半定量估算值。7 该检测仅需中等水平的实验室基础设施和培训。其检测限至少比传统显微镜检测低两个数量级。6 特异性极佳。此外，在耐药结核病时代，实现对利福平耐药 MTB 的同步检测，对于现场即时检测具有重要意义。3

迄今为止，有关该检测方法在临床环境中诊断肺结核性能的已发表数据仍然有限。12; 13 与培养法作为参考标准相比，Xpert MTB/RIF 检测在疑似肺结核患者痰液中检测结核分枝杆菌（MTB）的总体临床敏感性为 97.6%。该结果来自一项前瞻性多中心研究，共纳入五个研究地点（秘鲁利马；阿塞拜疆巴库；南非开普敦和德班；印度孟买）的 1462 例患者。研究人群中经培养确诊结核病的总体检测前概率为 50.7%。在涂片和培养均为阳性的病例中，敏感性为 99.8%；在涂片阴性但培养阳性病例中，敏感性为 90.2%。在合并肺结核的 HIV 阳性患者中，MTB/RIF 检测的敏感性为 93.9%，而 HIV 阴性患者中为 98.4%。12 在结核病低流行环境中，与培养法相比，检测 MTB 的总体一致性为 89%；对于涂片阳性标本，敏感性为 98%，涂片阴性标本为 72%，特异性表现优异。13 使用未经处理的痰液与浓缩沉淀物进行检测时，敏感性无显著差异。12 在同一项研究中，以测序结果为参考，MTB/RIF 检测在 211 例利福平耐药患者中正确检出 209 例（敏感性 99.1%），在全部 506 例利福平敏感患者中均正确识别（特异性 100%）。12 作者发现，无论在何种检测场景下，该检测在病例检出及利福平耐药判别方面的性能表现相似，提示其结果可能具有广泛的适用性。12 此外，除痰液外的其他呼吸道标本（如支气管肺泡灌洗液和支气管分泌物）的浓缩沉淀物也进行了检测，其敏感性和特异性与痰标本相当。13 目前关于该检测方法在肺外结核检测中性能的数据正在逐步积累。15

全球结核病防控迫切需要有效的工具，以便在全民可及的基层医疗点快速诊断新发结核病病例，并检测出耐利福平的结核分枝杆菌（MTB）。3 目前用于检测结核分枝杆菌的核酸扩增方法操作复杂、劳动强度大且技术要求高。Xpert MTB/RIF 检测技术有望将标准化、高灵敏度和高特异性的结核病及耐药性诊断引入这些基层医疗环境，前提是相关机构能够承担其费用。为了促进检测技术的可及性，创新诊断基金会（FIND）已就 Xpert MTB/RIF 检测试剂盒达成了大幅度的价格降低。目前由 FIND 协商确定的价格以及可享受优惠的国家名单均可在网站上查询。10

致谢

作者感谢 W. J. Looney 对手稿的仔细审阅。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Xpert MTB/RIF 检测CepheidGXMTB/RIF-10
移液管Sarstedt Ltd86.1172.001
锥形管，15 ml，120 x 17 mm，PSSarstedt Ltd62.553.542

参考文献

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Xpert MTB RIF GeneXpert Dx PCR

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