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MALDI-TOF MS: uno strumento in evoluzione nella diagnostica clinica

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I progressi della MALDI-TOF MS ne hanno ampliato significativamente l'uso nei laboratori diagnostici ad alta produttività

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La spettrometria di massa con desorbimento laser assistito da matrice e ionizzazione a tempo di volo (MALDI-TOF MS) è diventata uno strumento consolidato per l'identificazione di agenti patogeni in una varietà di campioni di pazienti. Sebbene questa tecnologia sia utilizzata da molti anni per l'identificazione dei batteri, le nuove generazioni di MALDI-TOF MS stanno rapidamente espandendo le capacità di questa tecnologia in un contesto clinico ad alto volume

Le ultime versioni degli strumenti MALDI-TOF MS sono in grado di rilevare una gamma più ampia di biomolecole, hanno ampliato le capacità di identificazione dei patogeni e migliorano l'efficienza di elaborazione per la diagnostica ad alto rendimento. Questi miglioramenti facilitano direttamente un passaggio più rapido dalla diagnosi al trattamento e guidano ulteriormente le strategie terapeutiche attraverso nuovi metodi di analisi della sensibilità antimicrobica. La continua evoluzione della MALDI-TOF MS ha consolidato questa tecnologia come componente chiave dei laboratori diagnostici.

Utilizzo della MALDI-TOF MS per applicazioni che vanno oltre l'identificazione batterica

Con la crescente prevalenza di infezioni batteriche resistenti agli antimicrobici, l'uso appropriato degli antibiotici è fondamentale per prevenire lo sviluppo di nuovi patogeni resistenti che possono eludere le attuali opzioni terapeutiche. Le tecniche microbiologiche classiche possono fornire profili di sensibilità antimicrobica (AMS) determinando le concentrazioni minime inibitorie per i patogeni di interesse, ma questo approccio richiede fino a 72 ore per produrre risultati. Nei casi critici, questo tempo relativamente lento rappresenta un ostacolo significativo per un trattamento tempestivo del paziente in difficoltà e può costringere gli operatori sanitari a prescrivere antibiotici di cui non si conosce l'efficacia per l'agente patogeno in questione.

La MALDI-TOF MS utilizza nuovi metodi di rilevamento per determinare l'AMS senza la necessità di saggi di crescita che richiedono tempo e lavoro, fornendo profili di suscettibilità più velocemente rispetto agli standard tradizionali. Guidato dal Dr. Karsten Becker, un gruppo dell'Istituto di Microbiologia Medica di Muenster, in Germania, ha riferito di aver utilizzato la MALDI-TOF MS per determinare l'AMS con una sensibilità e una specificità fino al 100% in quattro o cinque ore, a seconda del patogeno di interesse. Il team di Becker è riuscito a determinare i profili AMS per ceppi di Klebsiella e Pseudomonas confrontando le intensità spettrali durante la crescita in microgocce di terreno contenente antimicrobici. Gli spostamenti spettrali in presenza di terreni di coltura contenenti antimicrobici indicavano prevedibilmente la resistenza dei ceppi.

In altri casi, la MALDI-TOF MS è stata adattata per rilevare le proteine che conferiscono resistenza agli antibiotici grazie alla presenza di geni di resistenza noti nei batteri. Ad esempio, alcuni ceppi di Bacteroides fragilis patogeni ospitano un gene che codifica la metallo-beta-lattamasi, che conferisce resistenza a quasi tutti i farmaci beta-lattamici. Utilizzando la MALDI-TOF MS, specifici spostamenti spettrali possono determinare la presenza di questo fattore di resistenza, guidando così gli operatori sanitari verso opzioni terapeutiche alternative

Inoltre, la MALDI-TOF MS è stata utilizzata per generare "impronte digitali" proteomiche che facilitano la classificazione dello Staphyloccoccus aureus in base ai profili di resistenza. Data la prevalenza dello S. aureus meticillino-resistente (MRSA) come infezione problematica resistente agli antibiotici che causa circa 20.000 morti all'anno negli Stati Uniti, l'identificazione efficiente di un focolaio è fondamentale per migliorare i risultati sanitari. Pertanto, l'uso della MALDI-TOF MS per il profilo AMS dimostra una promettente applicazione di questa tecnologia al di là dell'identificazione standard dei patogeni.

L'evoluzione del panorama commerciale della MALDI-TOF MS

Il rilascio di nuove generazioni di strumenti MALDI-TOF MS riflette il progresso della tecnologia MALDI-TOF MS applicata alla diagnostica clinica. L'azienda diagnostica globale bioMerieux ha recentemente annunciato l'autorizzazione 510(k) da parte della FDA per la sua ultima iterazione di MALDI-TOF MS, VITEK MS PRIME. Questa autorizzazione segue la marcatura CE del prodotto nell'aprile 2021, consentendo la disponibilità sul mercato negli Stati Uniti, in Europa e in altre regioni del mondo. VITEK MS PRIME dimostra molti dei recenti aggiornamenti di questa tecnologia, progettati specificamente per una diagnostica più snella. Le nuove funzioni consentono il caricamento continuo dei campioni senza interrompere l'elaborazione in corso e permettono di dare priorità ai campioni per i casi critici che richiedono una diagnosi immediata. Inoltre, il sistema di identificazione dei patogeni di VITEK MS PRIME può essere integrato con la tecnologia MALDI-TOF di bioMerieux per i test AMS, fornendo una diagnosi efficiente e una guida terapeutica.

Anche Shimadzu Scientific Instruments ha recentemente rilasciato il suo ultimo MALDI-8030, che migliora significativamente le capacità di rilevamento rispetto ai modelli precedenti. Il MALDI-8030 riflette in modo specifico l'esigenza di ampliare le classi di biomolecole che possono essere analizzate con la MALDI-TOF MS e, di conseguenza, di espandere l'identificazione dei patogeni. Il modello di Shimadzu analizza sia ioni positivi che negativi (doppia polarità), il che facilita il rilevamento di una gamma più ampia di molecole, tra cui peptidi, oligonucleotidi, lipidi, glicani, polimeri e piccole molecole. La capacità di rilevare diverse classi di molecole può ampliare il database degli organismi identificabili e idealmente consente una caratterizzazione fenotipica più completa dei patogeni noti. Come esempio principale, impronte molecolari più approfondite forniranno un migliore profilo AMS per gli agenti patogeni individuati e, in ultima analisi, faciliteranno strategie di trattamento più efficaci limitando la resistenza agli antibiotici.

Applicazione della MALDI-TOF MS alla pandemia COVID-19

La pandemia COVID-19 causata dal SARS-CoV-2 continua a generare infezioni diffuse a livello globale con l'emergere di nuove varianti patogene. La SARS-CoV-2 viene tipicamente diagnosticata mediante RT-PCR, utilizzando combinazioni di primer/sonda che legano le sequenze nucleotidiche virali che vengono poi amplificate per il rilevamento. Tuttavia, le ultime varianti del SARS-CoV-2 sono fonte di preoccupazione perché le nuove mutazioni possono impedire il legame del primer/sonda con le sequenze virali, rendendo molte delle tecniche di RT-PCR comunemente utilizzate inclini a risultati falsi negativi

Un gruppo guidato dal dottor Alberto Paniz-Mondolfi della Icahn School of Medicine at Mount Sinai, a New York, ha recentemente combinato l'uso della MALDI-TOF MS con la RT-PCR per migliorare l'individuazione delle diverse varianti del SARS-CoV-2. Il team di Paniz-Mondolfi ha combinato le due tecnologie per rilevare in modo affidabile cinque diversi target su due geni virali. In particolare, l'aggiunta della MALDI-TOF MS ha facilitato l'individuazione di geni virali che non erano stati rilevati dalla sola RT-PCR a causa di mutazioni delle sequenze virali. Il lavoro di Paniz-Mondolfi illustra ulteriormente le ampie capacità della più recente tecnologia MALDI-TOF MS.

Il progresso della diagnostica clinica

Mentre i laboratori diagnostici si evolvono per accogliere carichi di campioni più elevati e capacità diagnostiche più sofisticate, i progressi della MALDI-TOF MS dimostrano che questa tecnologia è destinata a rimanere. La MALDI-TOF si è già affermata come standard per l'identificazione dei patogeni, ma gli aggiornamenti più recenti hanno migliorato in modo significativo la gamma di organismi identificabili e ampliato la funzionalità della tecnologia per includere il profilo di sensibilità antimicrobica. In questo modo, MALDI-TOF non solo fornisce una diagnostica efficiente, ma facilita anche piani di trattamento più efficaci. Inoltre, i più recenti strumenti MALDI-TOF MS sono specificamente concepiti per facilitare l'elaborazione dei campioni ad alta produttività, con la possibilità di dare priorità ai campioni urgenti. L'insieme di queste caratteristiche fa della MALDI-TOF MS un componente chiave dei laboratori diagnostici che mirano a fornire diagnosi ad alto volume con indicazioni terapeutiche basate sull'evidenza.