百日咳是一种极具传染性的急性呼吸道感染性疾病，尽管已广泛开展了儿童疫苗接种，但并不能由此获得终身免疫。为应对百日咳在世界流行的挑战，2022年12月21日欧洲疾病预防控制中心发布了《百日咳鲍特菌的实验室诊断和分子监测》，详细描述了百日咳实验室诊断和分子监测的方案，值得我国从事百日咳诊疗的医护人员和技术人员研究学习，现介绍并解读该文件的主要内容。
版权归中华医学会所有。
未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
除非特别声明，本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。
百日咳是由百日咳鲍特菌(Bordetella pertussis)引起的具有高度传染性的呼吸道疾病，全年龄段人群均可感染发病。自20世纪50年代起，随着百日咳疫苗的广泛接种，百日咳发病率显著降低，但近年来，一些疫苗接种率较高的国家和地区相继报道百日咳发病率逐渐上升，称为百日咳再现[1]。但国家之间监测的百日咳流行病学变化特征并不一致，不同国家推广的百日咳检测方法和应用策略存在显著差异[2]，削弱了百日咳发病数据之间的可比性。2022年12月21日欧洲疾病预防控制中心(European Centre for Disease Prevention and Control，ECDC)发布了《百日咳鲍特菌的实验室诊断和分子监测》[3]，不仅详细描述了百日咳实验室诊断，包括细菌培养、核酸检测、抗原鉴别以及血清鉴定的方法，而且对相关的分子监测，如抗原序列分析和基因组测序等方法加以阐述，值得我国从事百日咳诊疗的医护人员和技术人员研究学习，本文介绍并解读该文件的主要内容。
百日咳鲍特菌主要在人的鼻咽部生长繁殖，可从鼻咽拭子(nasopharyngeal swab，NPS)或鼻咽抽吸物(nasopharyngeal aspirate，NPA)标本中分离。NPA是临床上常见的呼吸道感染病原体检测标本，且可分成等份并保存，易于多个研究共享，但收集以门诊就诊为主的年长儿、青少年和成人的NPA标本较难，因此除了婴幼儿住院患者，NPS更易于采集。此外，由于需要患儿及其家属更长时间的配合，临床上采集到合格的NPA标本更为困难，相对而言，NPS采样更加方便快捷，接受度更高。因此，作者所在团队2000年以来，一直采用NPS进行百日咳鲍特菌分离培养和核酸检测。NPS采样技术在新型冠状病毒病疫情期间也得到了推广和普及。用于百日咳鲍特菌分离培养和特异核酸检测标本最佳的采集时间为咳嗽出现后的3周内[4]。世界卫生组织推荐咳嗽病程1个月内适宜百日咳病原学诊断[5]。如有可能，室温下采集的拭子应立即接种，如需转运，4 h内运送到微生物实验室进行培养；如置于含有木炭的Reagan Lowe (RL)、Amies培养基中或通用运输培养基中可适当放宽转运时间。建议高温季节时采用冰盒转运。
与成人相比，儿童(尤其是婴儿)患者的NPS中百日咳鲍特菌DNA含量更高，因此，百日咳婴幼儿一般采用细菌培养或核酸扩增的方法辅助诊断。对咳嗽持续时间< 21 d的百日咳疑似病例采集NPS，并划线接种到补充有15%去纤维蛋白绵羊血或马血的新鲜RL或鲍-金培养基(Bordet-Gengou medium，BG)上，RL和BG平板上的百日咳分离率相似。BG的主要优点是观察溶血更为方便。由于百日咳鲍特菌为苛养型革兰阴性球杆菌，且生长速度慢，因此通常要加入选择性培养基添加物——头孢氨苄以抑制其他细菌的生长。
接种标本的平板应置于35~36 ℃有氧条件下培养7 d，并每天检视，3 d后若见灰白色、圆形、半透明水银滴样的细小疑似菌落，可以采用特异性血清凝集试验或聚合酶链反应(PCR)加以鉴定，也可以借助基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱进行确认。过夜培养就可见的疑似菌落可能是副百日咳鲍特菌，也应进行鉴定确认。培养7 d后没有可疑菌落生长的平板可以培养阴性处理。为避免平板干燥，孵箱内需保持湿度在60%左右。传统的细菌培养，虽然检测特异度高，也可以用于评估其抗生素的耐药性，但由于操作的复杂性，结果容易受到标本的采取手法，实验室的培养条件等因素的影响，其阳性检出率低。
核酸检测受抗生素使用的影响较细菌培养小，咳嗽病程短于4周(<28 d)的疑似病例，尤其是尚处于发病初期的百日咳病例，可以通过核酸检测进行诊断。对于病程已超过1个月，但不能排除仍具有传染性的患者，仍可考虑进行核酸检测。李玥等[6]以百日咳临床诊断为评估标准，发现核酸检测法的灵敏度为细菌培养法的1.9倍，但特异度不及细菌培养法。其他研究结果也有类似发现[7,8]。
由于检测灵敏度与发病到样本采集之间的时间成反比，ECDC建议在症状出现后尽快进行标本采集，最好在发病后21 d内采集。通过PCR诊断百日咳在婴幼儿中特别有用，因为他们大多在感染早期就诊。
PCR可以对不同鲍特菌感染进行鉴别诊断。诊断时应用较多的鲍特菌目的基因序列主要是重复插入序列(insertion sequences，IS)，尤其是IS481和IS1001。IS481存在于百日咳鲍特菌、霍氏鲍特菌和一些支气管脓毒鲍特菌分离株中，IS1001存在于副百日咳鲍特菌和一些支气管脓毒鲍特菌分离株中。IS元件以高拷贝数存在于基因组中，从而增加了检测灵敏度。仅以IS481阳性确定为百日咳鲍特菌感染，或以IS1001阳性确认为副百日咳鲍特菌感染的诊断标准是不正确的。为了同时获得较高的灵敏度和特异性，推荐与其他靶基因，如PT基因启动子(pertussis toxin promoter，ptxP)，或在霍氏鲍特菌中存在的类IS1001序列(hIS1001)结合使用，即基于IS481、IS1001、IS1002和hIS1001的多重PCR来区分百日咳鲍特菌、副百日咳鲍特菌和霍氏鲍特菌等。本课题组自2013年以来，共采集8 168例可疑百日咳患儿的NPS，仅分离到副百日咳鲍特菌15例；近期采用多重PCR方法检测2018年以来细菌培养阴性的NPS共4 321例，副百日咳鲍特菌阳性4例，未检出霍氏鲍特菌；提示当前国内儿童人群副百日咳鲍特菌流行程度很低，还未发现存在霍氏鲍特菌感染。但检测对象的范围(如主要是婴幼儿标本，年长儿和成人标本较少；主要是华北、东北地区的患者，其他地区患者较少)有限，还需更多研究。
LAMP作为新型核酸扩增技术已开始商品化，凭借无需复杂的热循环装置和昂贵的试剂，可在恒温条件下特异、快速地扩增DNA，可作为PCR替代品高效地检测百日咳鲍特菌，广泛应用于缺乏实验室技术条件的基层。据最新报道[9]，一种新型uvrD_2 LAMP检测方法对检测鼻咽拭子中的百日咳鲍特菌DNA具有高度敏感性和特异性，其诊断性能不亚于复杂且高成本的多靶点qPCR，但其更快、更简单且更便宜。
侧流免疫分析(lateral flow immunoa－ssays，LFIA)针对血液中的抗体或鼻咽中的百日咳鲍特菌抗原，通过将样品添加到吸收性样品垫上，测试使用液相色谱，结果可以类似于新型冠状病毒肺炎侧流法(lateral flow，LF)的方式进行解释，其中阳性测试将在设备上显示为双线(对照线和测试线)。在Salminen等[10]研究中，分别将LF与常规的酶联免疫吸附试验(enzyme-linked immunoassay，ELISA)方法用来检测170株疑似百日咳样本，得出二者的检测的总体一致性为157/170(92%)，LF的敏感性和特异性分别高达88%(63/72)和96%(94/98)。此外，Knuutila等[11]将LF与口腔流体ELISA进行对比，也得出相似的结论。LF可以作为一种易于执行的方法来替代ELISA检测方法，用于诊断和监测百日咳，尤其在实验条件不足和资源匮乏的国家。但从采样到获得结果的时间较长，还需要进一步优化。目前这种LF分析尚未进行商业化。
目前百日咳的即时检测(point-of-care testing，POCT)主要包括LAMP和LF方法，其他的POCT方法仍处于研发过程。
对于咳嗽病程不到2周的患者，可能由于患百日咳的时间比较短，尚未形成足够量的抗体，导致血清学阳性率较低。但如果患者咳嗽了2~3周或更长时间，ECDC建议通过血清学方法检测抗PT-IgG水平进行诊断最有效，尤其对于就诊时间常常较晚的年长儿、青少年和成人更为适用。百日咳鲍特菌可表达多种毒力因子，其中百日咳毒素(Pertussis toxin，PT)是其特有毒力因子，测定血清中PT-IgG抗体的浓度是血清学检测的目标，一般采用ELISA或多重免疫测定(multiplex immunoassays，MIA)法。一般而言，100 IU/mL或125 IU/mL的PT-IgG抗体的浓度可作为1年内近期感染的临界值，50~100 IU/mL可作为过去几年内感染的临界值。丹麦、荷兰和英国等研究表明，诊断百日咳现症感染要获得最佳灵敏度和特异度，抗PT-IgG单次临界值在60 IU/mL和75 IU/mL之间[12,13]。
用于检测的血清或血浆最好在4 h内进行快速分离，应在室温下保存；需延迟检测的样品，则放入冰柜(2~8 ℃)冷藏，如需要长期储存，样品应该在－20 ℃以下或更低温度下冷冻。此外，由于口腔流体拭子(oral fluid swabs)较血液采集更为容易，市面上已出现可用于口腔流体取样的试剂盒，只需要棉签沿着牙龈线摩擦1~2 min收集液体即可进行百日咳诊断。Litt等[14]用口腔流液ELISA检测血清阳性样本的灵敏度为79.7%，特异度高达96.6%，可作为一种无创检测方法替代ELISA，也更容易为儿童和监护人所接受，成本也更低。
菌毛(fimbriae，Fim)是百日咳鲍特菌表面的一种丝状蛋白，Fim2和Fim3作为主要亚基，其表达水平决定了百日咳鲍特菌分离株的血清型，由此血清型可以分为Fim2、Fim3或Fim2，3[15]。一般采用玻片凝集方法，将已培养24~48 h的细菌与特定血清分型抗血清或单克隆抗体在载玻片上混合，轻轻摇动载玻片，在30 s内观察是否发生凝集。也可使用微量凝集和间接ELISA方法。细菌凝集方法适用于少量分离株，而ELISA方案更适合一次性处理大量分离株。如有可能，建议使用单克隆抗体对百日咳鲍特菌进行血清分型。
大环内酯类是治疗百日咳鲍特菌感染的一线药物。尽管美国首先报道了耐红霉素百日咳鲍特菌[16]，但当前国外耐药菌株并不多见，而近年来国内大环内酯类耐药百日咳鲍特菌呈广泛流行。上海地区分离株对红霉素等大环内酯类耐药比例为57.5%[17]，北京地区高达91.9%[18]。大环内酯类耐药百日咳鲍特菌分离株也已在邻国(日本和越南)出现[19,20]。在上述研究中，采用药敏检测方法包括E-test纸条法和纸片扩散法分别测量最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration，MIC)以及纸片抑菌直径，所有耐药菌株红霉素MIC>256 mg/L或纸片抑菌直径<35 mm。大环内酯类耐药机制是百日咳鲍特菌23S rRNA基因结构域V中2 047位(A2047G)核苷酸A改变为G的点突变。
2000年，百日咳领域的专家基于XbaI和SpeI两种酶建立了百日咳鲍特菌的脉冲场凝胶电泳(pulsed-field gel electrophoresis，PFGE)的参考方法[21]，用来分析分子大小在23和500 kb之间的条带，具体信息可以参考网站：http：//www.pasteur.fr/recherche/unites/Bordetella/Analysis.html/。一项2012年至2015年的研究在欧洲百日咳鲍特菌中发现了PFGE谱型发生明显变化，BpSR3 (29.4%)和BpSR10 (27.2%)变得普遍，而以前占主导地位的BpSR11和其他谱的数量和占比下降[22]。PFGE不仅可以观察到菌株谱，也可以鉴别不同地区和/或不同时间的流行菌株之间的差异。在aP或wP疫苗免疫的人群中，感染菌株的PFGE谱也有所不同。但该方法要求分析的样品为活菌，且需要对细菌进行传代培养。
MAST主要研究百日咳鲍特菌5个表面功能蛋白[PT、丝状血凝素(FHA)、PRN、Fim2和Fim3]的编码基因。这些蛋白具有很强的免疫原性，因此也成为百日咳疫苗的重要的组分。其中ptxP虽然不直接编码疫苗成分，但其等位基因型ptxP3与PT和其他毒力因子的分泌增加有关，故也被列入了该分型。因此可以根据PT的A亚基(ptxA)、ptxP、百日咳黏附素(prn)、fim2和fim3等基因进行基因分型，将测序所得等位基因提交到https：//pubmlst.org/进行序列比对。
PT由5个亚单位组成(PtxA-PtxE)，其中PT的酶催化活性存在于PtxA亚基中。研究表明，PT增加了百日咳鲍特菌感染的严重程度，与百日咳鲍特菌密切相关的副百日咳鲍特菌因为不产生PT，通常不会导致严重感染[23]。ptxA基因包含810个碱基，迄今已发现13个等位基因(ptxpA1-ptxpA13)，目前，国内也表现出与欧盟/欧洲经济区等地方相似的流行情况，ptxA1在分离株中占主导地位[18,24]。1996年至2018年法国已经鉴定了5个PT缺陷分离株，研究发现3株是由于整个PT操纵子的缺失，另外2株分别是由于ptxS4中7个核苷酸的缺失和ptxS1亚基中1个核苷酸的缺失导致没有表达PT[25]。FHA基因(fhaB)包含约12 000个碱基，由于其庞大的序列，该基因的常规测序尚未进行。虽全基因组测序(whole genome sequencing，WGS)描述了fhaB3等位基因，揭示了其更多的多态性，但后续fhaB等位基因相关的报道很少。
PRN是百日咳鲍特菌暴露于细菌表面的外膜蛋白(outer membrane protein，OMP)，其既是百日咳鲍特菌的毒力因子，又能作为抗原诱导机体产生保护性抗体。PRN是在百日咳鲍特菌中发现的最具多态性的基因之一，迄今已鉴定了18个等位基因，其中prn1和prn7等位基因在疫苗前时期占优势，在欧盟/欧洲经济区，prn2是目前的主要流行型别，95%的流行百日咳分离株具有这种基因型。国内流行临床菌株中的prn基因型与西方国家有所不同，以prn1最为常见[26]。从实施全细胞百日咳疫苗(WPV)免疫接种迈入无细胞百日咳疫苗(APV)接种时期后，缺乏PRN的百日咳分离株开始出现并在高疫苗覆盖率地区进行传播。在欧洲9个国家(比利时、丹麦、芬兰、法国、意大利、荷兰、挪威、瑞典和英国)进行的一项研究显示，PRN缺陷型分离株从1998年至2001年的1.0%显著增加到2012年至2015年的25.0%，澳大利亚、日本和美国也出现了类似的增长[27]。百日咳鲍特菌基因组发生多个突变可导致不表达PRN。近期，有研究首次在国内报道了prn缺失型百日咳鲍特菌分离株[24]，该现象需持续关注。
Fim是百日咳鲍特菌表面的一种丝状聚合蛋白，由4个主要的菌毛(Fim)亚单位(FimA、FimX、Fim2和Fim3)和1个次要亚单位(FimD)组成，可增强细菌对宿主细胞的黏附。其中，虽然Fim2和Fim3的氨基酸序列同源性超过60%，均能诱导抗原特异性抗体，但二者之间并无交叉反应。Fim 2-1和Fim 2-2等位基因均是在前疫苗时代的分离株发现的，但随着Fim2-2临床分离株中在当代临床分离株被发现，表明该突变已再次流行。但国内多项研究表明，我国流行株仍以Fim 2-1为主[17,28]。
目前已鉴定出19种ptxP等位基因。在疫苗前时代，携带ptxP1和ptxP2等位基因的分离株占优势，引入疫苗后，百日咳鲍特菌菌株基本上以ptxP1型别为主。然而随着时间的变化，百日咳流行菌株对疫苗相关抗原基因已出现适应性变化，欧盟/欧洲经济区出现了较ptxP1型百日咳鲍特菌产生更高水平PT的ptxP3型菌株。美国、中国等其他国家也报道存在ptxP3型菌株，在部分地区是主要型别[29,30]。
VNTR通过区分基因组上多个VNTR的重复数来区分菌株，每个VNTR基因座的重复数通常通过使用PCR扩增每个基因座并测量扩增产物的长度来确定。MLVA量化了每个分离物中几个VNTR位点的串联重复数，可用于流行病学溯源分析。自大规模疫苗接种后，国外的研究表明MLVA型MT27和MT29分离株随着时间的推移越来越流行，携带ptxP3的MT27已成为大多数发达国家的主要毒株[31,32]。目前，国内对MLVA型别的研究还不多见，Xu等[33]对我国1950年至2007年间从临床上分离到的百日咳鲍特菌进行了MLVA分析，发现主流MLVA呈现动态变化，此外，还发现百日咳鲍特菌种群的进化与国家疫苗接种覆盖率密切相关。近期，Wu等[34]在国内首次发现2株属于MT28和MT27的ptxP3-耐红霉素百日咳菌株。Fu等[35]随后报道了MT28 ptxP3-耐红霉素百日咳菌在上海地区传播和流行的情况。
WGS对分离株之间的遗传差异有较高的分辨率，为百日咳鲍特菌致病性和疫苗时代菌株基因组进化研究提供新的线索。WGS需要高质量提取细菌DNA。紫外分光光度法或荧光法测量260/280和260/230吸光度比率来确保模板质量，应使用260/280比率和260/230比率大约分别维持在1.8和2.0~2.2的DNA样品，可用凝胶电泳和荧光方法分别来验证DNA的数量和完整性。
WGS可以通过短读测序仪和长读测序仪来实现，短读测序仪并行产生数百万个范围在50~400个碱基对之间的原始读数，成本低廉，并能提供高度准确的结果，适用百日咳鲍特菌的分子分型、毒力相关基因检测、暴发调查和表型预测，但针对含有大批重复GC区域的百日咳鲍特菌，短阅读WGS分型存在困难。长读测序仪通过产生大于10 kb序列的读取则可以很好地克服这些问题，但相应会较短读测序仪有更高的错误率。WGS适用于生物学研究的各个领域，然而相应的成本以及缺乏操作和质量控制，以及分析流程的统一规范，阻碍了该技术在常规监测中的应用。
探索基因组多样性最流行的方法是将等位基因视为分析单位的逐个基因方法，将基因组序列上传到细菌分离物基因组序列数据库(BIGSdb)，百日咳鲍特菌基因组序列数据库可在https：//bigsdb.pasteur.fr/bordetella/获得，可以针对所有已知的百日咳鲍特菌关键靶标的等位基因进行扫描，产生的等位基因谱可以通过基因组比较进行分析。
综上所述，应根据疑诊患者的年龄、病程等临床特征选择细菌培养、核酸检测或血清学等实验室检测方法辅助百日咳诊断。细菌培养是百日咳诊断的金标准，特异性高；此外，培养获得的分离株可以用于百日咳种群变化的分子监测，监测大环内酯类抗生素耐药性，对于评估疫苗有效性和未来疫苗开发也非常重要，ECDC强烈推荐。但细菌分离培养的敏感性较低，周期较长，易受外界因素影响，如患者已使用抗生素或样本装运、保存条件不当等。与细菌学和血清学方法相比，核酸检测方法对不符合临床诊断标准的非典型病例、隐性感染者引起的百日咳有着较高的敏感性和特异性。血清学方法是青少年和成人百日咳最常用的检测方法，使用商业试剂盒测定抗PT-IgG抗体，采用国际标准并使用适当的临界值对结果进行解释和分析。
自从APV疫苗代替WPV疫苗以来，百日咳鲍特菌抗原基因多态性发生变化，不表达PRN的分离株已在全球进行流行，对流行百日咳菌株的分子监控的工作就显得十分重要。最简单也是最古老的百日咳鲍特菌分型方法是血清分型，但因只能区分3种血清型，对解释百日咳菌株流行的作用非常有限。MLVA、PFGE等方法的出现能灵敏地识别新出现的分离株，PFGE方法分析整个基因组，较MAST和MLVA更加稳定且具有高分辨率，但由于缺乏标准化，很难在实验室之间进行比较。WGS的分辨能力最高，可用于分析百日咳所有基因的缺失或多态性，同时借助高通量DNA测序技术，更加精确分析全基因组水平的单核苷酸多态性差异、基因变异分布的规律及其突变率。大环内酯类耐药百日咳鲍特菌分离株目前主要在中国流行，需要从表型和基因型两方面监测这些菌株是否在欧盟/欧洲经济区等地区乃至全世界传播，这不仅是对于百日咳鲍特菌分子水平的动态检测和评估流行病学趋势，更是为百日咳患者的临床预防和有效治疗提供指导。
所有作者均声明不存在利益冲突
