MicrobeMS нармафзори мукаммали рӯимизии асосёфта ба MATLAB мебошад, ки барои коркарди спектрҳои массаи MALDI-ToF-и аз микроорганизмҳо гирифташуда, назорати сифат, сохтани пойгоҳи додаҳо ва шиносоии таксономӣ таҳия шудааст. Система на танҳо муқоисаи спектри бактерияи номаълумро бо пойгоҳи додаҳои истинодӣ, балки ворид кардани спектрҳои хом, идоракунии metadata, санҷишҳои автоматии сифати спектр, baseline correction, smoothing, normalisation, peak picking, сохтани consensus/database spectrum, визуализатсияи pseudo-gel, unsupervised hierarchical cluster analysis, identification-и асосёфта ба масофаи спектрӣ, ҷустуҷӯи biomarker ва пайвастшавӣ ба баъзе барномаҳои шабакаи нейронии сунъиро дар як муҳит муттаҳид мекунад.

Дар таҳқиқот вазифаҳои нармафзор бо таҳлили дубораи highly pathogenic bacteria test panel, ки қаблан дар доираи як external quality assurance exercise-и нобино дар сатҳи Аврупо ташкил шуда буд, нишон дода мешаванд. Панели санҷишӣ 10 изоляти бактериявӣ ва дар маҷмӯъ 24 спектри technical replicate-ро дар бар мегирад. Дар таҳлили сифат барои ҳамаи спектрҳо холи миёнаи умумии сифат 64,3 ва диапазони мушоҳидашуда 45,0–75,4 гузориш шудааст. Дар ҷараёни кори стандартии identification-и MicrobeMS аз 24 спектр 23-то дар сатҳи genus ва species дуруст шиносоӣ шудаанд; дар ягона натиҷаи автоматии нодуруст як спектри Yersinia pestis ҳамчун Yersinia similis дараҷабандӣ шудааст. Санҷиши дастии пайгирии дар мақола овардашуда бо нишон додани мавҷудияти сигнали хоси шадид дар атрофи m/z 3065 дастгирӣ кардааст, ки намунаи мазкур бо Y. pestis мувофиқ аст.

Ин натиҷаҳо функсионалии MicrobeMS-ро дар таҳқиқоти академии MALDI-ToF нишон медиҳанд; аммо манбаъ ба таври возеҳ қайд мекунад, ки нармафзор ва пойгоҳҳои додаҳои спектрии RKI аз formal clinical validation нагузаштаанд. Аз ин рӯ натиҷаи 23/24-ро ҳамчун сатҳи дақиқии ташхисии тасдиқшудаи танзимкунанда шарҳ додан мумкин нест. Панели санҷишӣ маҷмӯи додаҳои маҳдуд ва махсус аст; муваффақияти шиносоӣ ба сифати спектр, фарогирии пойгоҳи додаҳои истинодӣ, стандартсозии парвариш ва ченкунӣ, танзимоти preprocessing ва усули таҳлил вобаста мебошад.

MicrobeMS кадом мушкилотро ҳал кардан мехоҳад?

Ҳадафи асосии MicrobeMS таъмин кардани муҳити таҳлилии чандир ва асосёфта ба MATLAB барои шиносоии микробӣ бо MALDI-ToF mass spectrometry мебошад, ки муҳаққиқро пурра ба экосистемаи тиҷоратии нармафзор вобаста намекунад.

Дар MALDI-ToF MS шиносоии микроорганизми номаълум одатан ба муқоисаи спектри таҷрибавӣ бо пойгоҳҳои спектрие такя мекунад, ки аз микроорганизмҳои истинодии таксономияшон пешакӣ бо усулҳои боэътимод муайяншуда сохта шудаанд. Меъёрҳои spectral similarity ё distance ҳисоб мешаванд, вурудҳои истинодӣ дараҷабандӣ мегарданд ва тақсимоти score-и ҳосилшуда барои арзёбии ҳувияти genus ё species-и намунаи номаълум истифода мешавад.

Мувофиқи кори манбаъ, платформаҳои тиҷоратии MALDI-ToF ин равандро барои лабораторияҳои routine хеле хуб муттаҳид кардаанд, аммо дар таҳқиқоти академӣ ниёз ба санҷиши алгоритмҳои гуногун, сохтани пойгоҳҳои спектрии худӣ, назорати мустақим ба metadata ва мубодилаи додаҳо бо абзорҳои дигар ба миён меояд. MicrobeMS дар тӯли тақрибан ду даҳсолаи корҳои RKI бо ҳамин ниёзҳо таҳия шудааст.

Оё MATLAB дар ин ҷо танҳо забони таҳлил аст?

Не. MATLAB на танҳо муҳаррики ҳисоббарории математикии MicrobeMS, балки муҳити сохтори додаҳо, интерфейси графикии корбар, коркарди спектрӣ, муқоисаи матритсавӣ, таҳлили оморӣ ва гузоришдиҳӣ мебошад.

Версияи v0.92, ки дар кори манбаъ баррасӣ шудааст, дар Windows ва Linux дар шакли MATLAB p-code ва инчунин ҳамчун standalone application барои Windows истифода шуда метавонад. Дар GUI-и асосии барнома графики спектр, рӯйхати спектрҳои боршуда, идоракунии preprocessing ва peak-picking, идоракунии database ва фармонҳои таҳлил дар як фазои корӣ ҷамъ оварда шудаанд.

Интерфейси воқеии Шакли 1 дар қисми боло спектри MALDI-ToF ва дар сатри идоракунии поён маълумоти файл, visualization, preprocessing, peak picking, peak database ва analysis-ро нишон медиҳад. Дар менюи Analysis роҳҳои гуногуни таҳлил, аз ҷумла standard ID, MBT-like ID, in silico ID, compare with database, hierarchical clustering, t-test, Wilcoxon rank-sum test, peak-frequency test ва average spectra мавҷуданд.

Ҷараёни асосии кори MicrobeMS чӣ гуна аст?

Меъмории Шакли 2-и манбаъ ба чор синфи калон тақсим мешавад: воридкунии додаҳо; санҷишҳои сифат ва визуализатсия; preprocessing; таҳлил ва гузоришдиҳӣ. Раванди воқеии standard identification бошад ин сохторро ба занҷири муфассалтар табдил медиҳад.

Кадом форматҳо дастгирӣ мешаванд?

Яке аз ҷиҳатҳои қавии MicrobeMS мубодилаи додаҳо мебошад. Кори манбаъ қайд мекунад, ки сохторҳои BrukerRaw-и аз системаҳои Bruker MALDI-ToF гирифташуда ва файлҳои fid-и онҳо метавонанд мустақим коркард шаванд. Спектрҳои bioMérieux VITEK MS бошанд тавассути mzXML ворид карда мешаванд.

Файли .muf-ро дар муҳити кори MATLAB мустақиман чунин бор кардан мумкин аст:

spec = load('sample_set.muf','-mat');

Ба ҳамин монанд, файлҳои peak-list-и .pkf ҳамчун MATLAB structure array дастрасанд. Ин сохтор имкон медиҳад, ки MicrobeMS танҳо як низоми таҳлилии пӯшида дар GUI набошад ва муҳаққиқ додаҳоро дар муҳити MATLAB низ мустақилона таҳқиқ кунад.

Чаро metadata ин қадар муҳим аст?

Маънои илмии спектри MALDI-ToF танҳо аз peak-ҳои спектрӣ иборат нест. Майдонҳои metadata, аз ҷумла таксономияи бактерия, давомнокии culture, ҳарорат, growth medium, sample-preparation method, operator ва маълумоти дастгоҳ барои traceability-и натиҷаҳо муҳиманд.

MicrobeMS нигоҳ доштани ин metadata-ро ҳамроҳ бо спектрҳо ва таҳрири баъдии онҳоро аз GUI дастгирӣ мекунад. Дар экрани воқеии metadata-и Шакли 3-и манбаъ майдонҳои зиёде, аз ҷумла genus, species, strain, spectrum ID, growth conditions, sample treatment, laser power, calibration standard ва preprocessing parameters якҷоя нишон дода шудаанд.

Ин metadata баъдан барои тафсири спектрҳо дар dendrogram ё pseudo-gel истифода шуда метавонад ва майдонҳои интихобшуда ба MATLAB command window ва log file содир карда мешаванд.

Санҷиши сифат кадом чор хусусиятро чен мекунад?

Санҷиши сифати MicrobeMS мувофиқ будани спектрро барои identification ё database construction-и баъдӣ аз рӯи чор меъёри объективӣ арзёбӣ мекунад:

1. Сатҳи spectral noise,
2. Шумораи peak дар ҳар spectrum,
3. Болоравии baseline,
4. Қимати миёнаи resolving power-и mass peak-ҳои муайяншуда.

Барои ҳар меъёр score-и сифат аз 0 то 100 ҳисоб мешавад. Сифр сифати паст ва санҷиши номуваффақро, 100 бошад сифати хеле баландро нишон медиҳад. Чор score бо вазнҳои танзимшавандаи корбар якҷоя шуда, QT score-и умумии боз ҳам дар диапазони 0–100 сохта мешавад.

Дар Шакли 4-и манбаъ натиҷаҳои сифат дар HTML report бо мантиқи чароғи роҳнамоии сурх-зард-сабз нишон дода шудаанд. Ин визуализатсия танҳо ороиши гузориш нест; ҳадаф он аст, ки operator спектрҳои мушкилро зуд бинад.

Сифати спектрҳо дар панели HPB чӣ гуна буд?

Дар таҳлили дубораи HPB test panel барои ҳамаи спектрҳо QT score-и миёнаи умумӣ 64,3 ва диапазони мушоҳидашуда 45,0–75,4 гузориш шудааст.

Таҳқиқот махсус таъкид мекунад, ки дар баъзе намунаҳои B. anthracis, Y. pestis ва B. thuringiensis бо консентратсияи пасти ҳуҷайра score-ҳои сифат пасттар буданд. Ин метавонад дар намунаҳое, ки фарқиятҳои спектрии байни намудҳои наздик аллакай хурданд, хавфи identification error-ро зиёд кунад.

Preprocessing кадом амалҳоро дар бар мегирад?

Марҳилаи preprocessing-и MicrobeMS барои табдил додани спектри хом ба сохтори устувортар ва муқоисашаванда якчанд усулро пешниҳод мекунад:

• Autocalibration,
• Baseline subtraction бо усули Minimum ё asymmetric least squares,
• Average smoothing ё Savitzky-Golay smoothing,
• Normalisation бо Modified 1-norm,
• Spectrum resolution reduction,
• Буридани минтақаи паст ё баланди m/z.

Барои autocalibration қайд мешавад, ки дар ҳар spectrum ҳадди ақал ду analyte peak бо мавқеи дақиқ маълум лозим аст.

Алгоритми peak picking чӣ гуна кор мекунад?

MicrobeMS барои peak detection ба ҷойи intensity threshold-и доимӣ дар тамоми m/z функсияи threshold-и вобаста ба диапазони масса истифода мебарад. Сабаб дар он аст, ки analytical sensitivity-и MALDI-ToF MS метавонад дар минтақаи m/z-и паст баландтар ва дар минтақаи m/z-и баланд пасттар бошад.

Threshold ба якҷояшавии се ҷузъ асос меёбад:

1. Функсияи asymmetric least-squares baseline,
2. S-шакли sigmoid threshold-и вобаста ба m/z,
3. Тақсимоти noise, ки бо factor-и танзимшаванда scale шудааст.

Дар таҳқиқот ҷузъи sigmoid чунин дода шудааст:

\[ T(x)=\frac{I_m\,s}{1+e^{k(x-x_c)}} \]

ва

\[ k=e^{-l} \]

таъриф мешавад.

\(x_c\) мавқеи m/z-и дорои maximum slope-ро; \(l\) идоракунии slope-ро; \(s\) intensity scaling factor-ро нишон медиҳад. \(I_m\) бошад intensity-и миёнаест, ки бо арзёбии 13 peak-и пуршиддаттарини spectrum ва баъд аз хориҷ кардани се peak-и қавитарин аз peak-ҳои боқимонда гирифта мешавад. Ҳадаф пешгирӣ кардани он аст, ки чанд peak-и фавқулода қавӣ ба танҳоӣ scale-и threshold-ро муайян кунанд.

MicrobeMS инчунин интихоби шумораи собити peak-ҳоро иҷозат медиҳад. Дар барномаҳои пешфарз аксаран 30 peak барои ҳар spectrum истифода мешавад. Вақте шумораи собити peak интихоб мешавад, қимати \(s\) то расидан ба шумораи дилхоҳи peak ба таври iterative тағйир дода мешавад.

Намоиши pseudo-gel барои чӣ истифода мешавад?

Баррасии садҳо ё ҳазорҳо spectrum дар шакли графикҳои алоҳида амалӣ нест. Аз ин рӯ MicrobeMS intensity-и спектриро ба gray-scale ё color values табдил дода, метавонад дар меҳвари m/z нисбат ба spectrum number тасвири pseudo-gel созад.

Дар Шакли 5-и манбаъ зиёда аз 1.400 spectrum-и Bacillus cereus sensu stricto ва Bacillus anthracis пас аз preprocessing дар як намоиши pseudo-gel пешниҳод шудаанд. Бандҳои амудӣ мавҷудияти такрории peak-ҳоро дар мавқеъҳои муайяни m/z нишон медиҳанд, дар ҳоле ки фарқиятҳои мунтазами бандҳо байни гурӯҳҳои species ё strain метавонанд ба biomarker peak-ҳои эҳтимолӣ ишора кунанд.

Бо истифода аз функсияи WindowButtonMotionFcn-и MATLAB барои MouseOver behavior ба корбар имкон дода мешавад, ки peak-ҳои муайяни m/z ва metadata-и вобастаро дар spectrum интерактивӣ таҳқиқ кунад.

Database spectrum чӣ гуна сохта мешавад?

Database spectrum дар MicrobeMS на аз як ченкунӣ, балки ҳамчун consensus reference аз якҷоя кардани якчанд spectrum, ки як микроорганизмро намояндагӣ мекунанд, сохта мешавад.

Мувофиқи манбаъ, дар ҳолати идеалӣ барои як database spectrum тақрибан 12–20 spectrum-и инфиродӣ истифода бурда шавад; онҳо беҳтараш аз се biological replicate гирифта шаванд ва барои ҳар biological replicate ҳадди ақал чор technical replicate мавҷуд бошад.

Database spectrum аз average mass spectrum ва peak table-и махсуси вобаста иборат аст. Бар хилофи peak table-ҳои spectrum-и инфиродӣ, database peak table-ҳо ғайр аз average m/z ва normalize/weighted intensity боз peak abundance, яъне басомади пайдо шудани peak дар source spectra-ро низ дар бар мегиранд.

MicrobeMS метавонад ин reference-ҳоро аз labeled datasets, manually selected spectra ё дар bulk batch mode созад. Манбаъ қайд мекунад, ки зиёда аз 1.700 database spectrum entries-и RKI database бо истифода аз ин automated feature сохта шудаанд.

Пойгоҳи таҷрибавии спектрии RKI чӣ қадар калон аст?

Версияи v4.2-и public RKI MALDI-ToF database, ки дар таҳқиқот истифода шудааст, 11.055 MALDI-ToF spectrum ва дар доираи biosafety level 1–3 1.601 bacterial strain-ро дар бар мегирад.

Ин ададҳо бо шумораи “database spectrum” як мафҳум нестанд. Қимати 11.055 spectrum-ҳои инфиродии MALDI-ToF дар коллексияи додаҳоро; ифодаи зиёда аз 1.700 database spectrum бошад consensus/reference entries-и аз ҷониби MicrobeMS сохташударо нишон медиҳад.

In silico database чӣ кор мекунад?

MicrobeMS дар баробари experimental MALDI spectra метавонад pseudo-MALDI databases-и аз genome/protein data сохташударо низ query кунад.

Дар таҳқиқот хабар дода мешавад, ки RKI in silico database-и версияи 2024 17.850 pseudo-MALDI spectrum дорад ва дар ҳар in silico spectrum 80 pseudo-peak мавҷуд аст. Ин додаҳо аз UniProtKB гирифта мешаванд.

Муаллиф ин пойгоҳи додаҳоро ба таври возеҳ experimental меномад ва қайд мекунад, ки он ҳанӯз ба identification accuracy-и пойгоҳҳои аз ченкуниҳои воқеии mass-spectrometry сохташуда нарасидааст. Аз ин рӯ in silico database на барои diagnostic use, балки барои research ва testing пешниҳод мешавад.

UHCA шабоҳати байни бактерияҳоро чӣ гуна нишон медиҳад?

Unsupervised hierarchical cluster analysis (UHCA) spectrum-ҳоро бе истифодаи пешакии class label аз рӯи similarity-и ченшавандаи байни онҳо cluster мекунад.

Default distance approach-и MicrobeMS D-values мебошад, ки аз Pearson product-moment correlation coefficient ҳосил шудааст. Ба таври алтернативӣ Euclidean, standardized Euclidean ва City Block distances истифода шуда метавонанд. Дар clustering Ward's method пешфарз аст; single, average, complete ва centroid linkage options низ мавҷуданд.

Барои sample UHCA-и HPB test panel дар манбаъ шартҳои preprocessing/analysis-и зерин дода шудаанд:

Дар dendrogram-и Шакли 6-и манбаъ technical replicate-ҳо дар сатҳи strain cluster-ҳои ҷудогона ташкил медиҳанд. Strain cluster-ҳои species-и наздик дар clade-ҳои сатҳи баландтар якҷоя мешаванд. Bacillus anthracis бо B. thuringiensis, аъзои Burkholderia pseudomallei complex ва Yersinia pestis бо Y. pseudotuberculosis намунаҳои чунин рафторанд.

Баъзе strain cluster-ҳои ба spectrum-ҳои low-concentration ва lower-quality тааллуқдошта heterogeneity-и дохилии бештар нишон медиҳанд. Аз ин рӯ таҳқиқот таъкид мекунад, ки натиҷаҳои UHCA низ ба истеҳсоли spectrum-и босифат ва standardised вобастаанд.

Score-и шиносоии спектрӣ чӣ гуна ҳисоб мешавад?

Дар default identification approach-и MicrobeMS, experimental ва reference peak table-ҳо аввал ба low-resolution, discretized spectral vectors табдил дода мешаванд. Сипас Pearson correlation coefficient байни ду spectrum ҳисоб мешавад:

\[ r(x,y)=\frac{\operatorname{cov}(x,y)}{\sigma_x\sigma_y} \]

Ин correlation value ба D-value табдил мешавад:

\[ D(x,y)=1000[1-r(x,y)] \]

\(D=0\) correlation-и комилро, аз ҷиҳати назариявӣ \(D=2000\) бошад anti-correlation-и пурраро нишон медиҳад.

Сипас similarity value чунин ҳисоб мешавад:

\[ S=1000-D \]

Вақте \(S<1\), қимат ба 1 баробар карда мешавад ва logarithmic identification score:

\[ S_{ld}=\log_{10}(S) \]

ба даст меояд. Мувофиқи ин, \(S_{ld}=3\) ба ҳадди болоие мувофиқ аст, ки peak table-ҳо якхелаанд; ҳар қадар қимат ба сифр наздик шавад, positive correlation заифтар мегардад.

Оё score-и MicrobeMS бо score-ҳои тиҷоратӣ якхела аст?

Не. Таҳқиқот махсус қайд мекунад, ки score-ҳои MicrobeMS \(S_{ld}\)-ро бо score-ҳои тиҷоратии MALDI Biotyper мустақим муқоиса кардан мумкин нест, зеро preprocessing ва усулҳои score calculation гуногунанд.

Дар мушоҳидаҳое, ки ҳамон додаҳо бо standard workflow ва default parameters коркард шудаанд, гуфта мешавад, ки қиматҳои MicrobeMS \(S_{ld}\) ба ҳисоби миёна тақрибан 0,3 score unit баландтар аз муқобилҳои тиҷоратӣ мебошанд. Аз ин рӯ муаллиф universal \(S_{ld}\) cut-off барои genus ё species identification пешниҳод намекунад.

Чаро MATLAB vectorization муҳим аст?

Яке аз сабабҳои муҳимми суръати MicrobeMS дар пойгоҳҳои калони спектрӣ MATLAB vectorization approach мебошад. Ба ҷойи loop-ҳои scalar, correlation-ҳои зиёд бо matrix ва vector operations ҳамзамон ҳисоб мешаванд.

Мувофиқи performance example-и манбаъ, байни 2.000 database peak table ва 400 experimental spectrum 800.000 correlation coefficient дар hardware-и стандартии PC-и 2026 дар камтар аз як сония ҳисоб шуда метавонад.

Ин performance benchmark-и тамоми нармафзор нест ва набояд ҳамчун вақти кафолатдодашуда барои ҳар компютер шарҳ дода шавад. Манбаъ ин мисолро танҳо барои марҳилаи correlation calculation медиҳад.

Brute-force approach нисбат ба хатогиҳои calibration чист?

MicrobeMS барои кам кардани таъсири фарқиятҳои ногузири mass-calibration ба identification score метавонад calibration constants-и experimental spectrum-ро дар диапазони муайянкардаи корбар систематикӣ тағйир диҳад.

Ҳар calibration variation ба таври bulk бо database peak table-ҳо муқоиса мешавад ва аз байни қиматҳои ба дастомадаи \(S_{ld}\) баландтарин ё миёнаи n натиҷаи баландтарин интихоб шуда метавонад. Манбаъ қайд мекунад, ки ин compute-intensive method ба шарофати MATLAB vectorization бе ба вуҷуд овардани runtime-и дароз татбиқ карда мешавад.

Чаро rank-list analysis алоҳида лозим аст?

Як score-и баландтарин ҳамеша барои taxonomic decision-и равшан кофӣ нест. Хусусан вақте species-ҳои наздик дар сатҳҳои болоии database ranking омехта ҷой мегиранд, танҳо натиҷаи аввалро арзёбӣ кардан метавонад фиребанда бошад.

Аз ин рӯ MicrobeMS метавонад ҷойҳои намояндагони як species дар database ranking ва score-ҳои онҳоро якҷоя арзёбӣ карда, species-specific rank-list score ҳисоб кунад.

Шакли асосии normalized score:

\[ S_{rl,j}=1000\frac{F_j}{F_{j,\max}} \]

ва equivalent logarithmic он:

\[ S_{ldrl,j}=\log_{10}(S_{rl,j}) \]

дода шудааст. \(S_{ldrl,j}\) метавонад аз 0 то 3 тағйир ёбад.

Манбаъ қайд мекунад, ки rank-list analysis вақте барои species-и дахлдор дар database ҳадди ақал панҷ strain ва беҳтараш зиёда аз ҳашт strain мавҷуд аст, боэътимодтар мебошад; агар reference кам бошад, натиҷа бояд бо эҳтиёт тафсир шавад.

Нақши artificial neural network function чист?

MicrobeMS танҳо бо correlation/distance-based identification маҳдуд нест. Он ANN interface ба NeuroDeveloper software-ро низ дар бар мегирад.

Яке аз ангезаҳои таҳияи ин функция он буд, ки ҷудо кардани организмҳои аз ҷиҳати спектрӣ ниҳоят монанд, мисли Bacillus anthracis ва хешовандони наздики он ё Yersinia pestis ва Y. pseudotuberculosis, бо standard distance methods душвор буда метавонад.

Аммо манбаъ ба таври возеҳ қайд мекунад, ки ANN function дар давраҳои аввали MicrobeMS бо муваффақият истифода шудааст, вале дар солҳои охир фаъолона таҳия нашудааст. Аз ин рӯ ANN module натиҷаи асосии validation-и кори ҷорӣ нест.

Аз нигоҳи Туркия чӣ маъно дорад?

Ин таҳқиқот нармафзореро тавсиф мекунад, ки дар муҳити Robert Koch Institute-и Олмон таҳия шудааст ва коллексияҳои спектрии RKI-ро истифода мебарад; он validation data-и аз лабораторияҳои клиникии Туркия ҷамъшударо дар бар намегирад.

Сохтори vendor-neutral data processing-и MicrobeMS барои мақсадҳои research метавонад барои MALDI-ToF research laboratories-и Туркия аз ҷиҳати methodology ҷолиб бошад. Аммо барои истифодаи маҳаллӣ compatibility-и device format, laboratory preprocessing protocol, local strain diversity, reference database coverage, quality assurance processes ва clinical/regulatory requirements бояд алоҳида арзёбӣ шаванд.

Хусусан натиҷаи 23/24-и ин таҳқиқот performance rate-е нест, ки мустақиман ба routine microbiological diagnosis дар Туркия интиқол дода шавад. Манбаъ нармафзорро ҳамчун formal validated clinical diagnostic product пешниҳод намекунад.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ мекунад

• MicrobeMS муҳити мукаммали асосёфта ба MATLAB барои таҳлили spectrum-ҳои микроорганизмҳои MALDI-ToF мебошад.
• Аз import-и raw data то preprocessing, quality control, peak picking ва identification чандин амалиёт дар як нармафзор анҷом дода мешаванд.
• Metadata ва spectral database management дастгирӣ мешаванд.
• Абзорҳо барои коркарди different data sources дар асоси BrukerRaw ва mzXML мавҷуданд.
• Quality test аз рӯи чор меъёр score-ҳои инфиродӣ ва умумии 0–100 тавлид мекунад.
• Намоиши pseudo-gel баррасии якҷояи садҳо ё ҳазорҳо spectrum-ро дастгирӣ мекунад.
• UHCA имкон медиҳад peak-table based unsupervised clustering анҷом дода шавад.
• Барои correlation/distance-based identification MATLAB vectorization ҳисобкунии босуръати large comparison matrices-ро таъмин мекунад.
• Дар standard identification example-и HPB test panel аз 24 ҳолат 23-то дар сатҳи genus ва species дуруст шиносоӣ шудаанд.
• Барнома дар RKI барои database construction ва research analysis-и spectrum-ҳои special/rare pathogen истифода шудааст.

Натиҷаҳое, ки таҳқиқот дастгирӣ намекунад ё исбот намекунад

• Нишон дода нашудааст, ки MicrobeMS formal validated clinical diagnostic software мебошад.
• Formal validation-и RKI spectral database-ҳо барои regulatory purpose дар ин таҳқиқот пешниҳод нашудааст.
• Натиҷаи 23/24 accuracy rate-и умумӣ барои ҳамаи бактерияҳо, дастгоҳҳо, лабораторияҳо ё sample types нест.
• Нишон дода нашудааст, ки MicrobeMS дар маҷмӯъ аз commercial MALDI-ToF platforms дақиқтар аст.
• Score-ҳои MicrobeMS \(S_{ld}\) бо score-ҳои тиҷоратии MALDI Biotyper як ба як equivalent нестанд.
• In silico database бо experimental spectrum database performance-и якхелаи identification надорад.
• ANN function evaluation-и асосии performance-и ҷории таҳқиқот нест.
• Истифодаи ҳозираи нармафзор барои clinical decision ё treatment selection худ аз худ кофӣ нест.

Усул ва натиҷаҳои таҳқиқот

HPB test panel чӣ гуна сохта шудааст?

HPB test panel-и дар software examples-и таҳқиқот истифодашуда аз blinded laboratory comparison study, ки соли 2014 дар доираи external quality assurance exercise-и дастгиришудаи Иттиҳоди Аврупо ташкил шуда буд, гирифта шудааст.

Панел 10 different bacterial isolate-ро дар бар мегирад; аз онҳо панҷто highly pathogenic bacteria ва панҷто non-HPB муайян шудаанд. Аз Аврупо 11 лаборатория дар ring trial иштирок кардаанд ва воҳиди ZBS6-и RKI test samples-ро бе ошкор шудани taxonomic identity ба худ таҳлил кардааст.

Таҳлили ин software study озмоиши нави prospective laboratory нест; он reanalysis-и test panel-и қаблан нашршуда бо истифода аз хусусиятҳои ҷории MicrobeMS мебошад.

Рақамҳои асосии test panel

Standard identification workflow чӣ гуна иҷро шудааст?

MicrobeMS ду identification approach пешниҳод мекунад. Experienced user метавонад ҳамаи preprocessing, peak detection ва identification parameters-ро дастӣ муайян кунад. Дар standard workflow-и алтернативӣ бошад, барнома қадамҳоро асосан автоматӣ иҷро мекунад.

Вақте Standard ID интихоб мешавад:

1. Quality test иҷро мешавад.
2. Мувофиқи параметрҳои файли microbems.opt preprocessing анҷом дода мешавад.
3. Peak-ҳо хориҷ карда мешаванд.
4. Identification analysis dialog кушода мешавад.
5. Database-и пешакӣ муайяншудаи .pkf ба таври автоматӣ бор мешавад.
6. Experimental peak list бо database entries муқоиса мешавад.
7. Score ranking ва taxonomic results сохта мешаванд.
8. Натиҷаҳоро ба HTML, text ё Excel report содир кардан мумкин аст.

Дар манбаъ гуфта мешавад, ки барои experimental database-ҳо reference entry-ҳои дорои 30 peak бартарӣ доранд; дар in silico database бошад entry-ҳои дорои 78 peak самараноктар мебошанд. RKI database-ҳо метавонанд версияҳои гуногуни .pkf бо 30, 45 ё 78 peak дошта бошанд.

Дар дохили 23 натиҷаи дуруст чӣ ҳаст?

Дар standard identification analysis аз 24 technical spectrum 23-то дар сатҳи genus ва species дуруст гурӯҳбандӣ шудаанд. Намунаи Francisella tularensis инчунин дар сатҳи subspecies subsp. holarctica дуруст шиносоӣ шудааст.

Дар ягона automated error барои spectrum no. 21 ба ҷойи Yersinia pestis натиҷаи Yersinia similis гирифта шудааст. Манбаъ таъкид мекунад, ки Y. similis узви аз ҷиҳати генетикӣ наздики Y. pseudotuberculosis complex мебошад.

Дар manual inspection-и spectrum-и намунаи дахлдор peak-и шадид дар атрофи m/z 3065 дида шудааст ва манбаъ онро ҳамчун typical MALDI feature-и вобаста ба Y. pestis strain-ҳои carrying pPCP1 plasmid арзёбӣ кардааст. Ҳамин тавр, manual follow-up interpretation-и ҳувияти дурусти test sample — Y. pestis — ро дастгирӣ кардааст.

Ин мисол ҳамчунин нишон медиҳад, ки automated score ranking expert evaluation-ро пурра иваз намекунад.

Шакли 7 чӣ нишон медиҳад?

Шакли 7 дар саҳифаи охири таҳқиқот се қабати MicrobeMS identification system-ро якҷоя нишон медиҳад. Дар панели A inter-spectral distance analysis dialog ҷойгир аст; дар он peak-table comparison, m/z range, bin width, distance method ва calibration variation parameters идора мешаванд.

Дар HTML report-и панели B test spectrum identity, quality-test results, rank-list summary ва database matches-и баландтарин бо мантиқи чароғи роҳнамоии сурх/сабз пешниҳод мешаванд. Панели C бошад visual comparison-и experimental ва database peak list-ҳоро таъмин мекунад.

Аз ин рӯ MicrobeMS натиҷаро танҳо ҳамчун як numerical score намедиҳад; он имкони баррасии якҷояи quality information, ranking structure ва spectral peak matches-ро фароҳам меорад.

Дар independent software tests чӣ ёфт шудааст?

Манбаъ test experience-и ду external user-ро дар MicrobeMS v0.92 алоҳида гузориш медиҳад.

Matthias Mailänder хабар медиҳад, ки functions-и тавассути GUI дастрасро, ба ғайр аз NeuroDeveloper integration ва LC-MS in silico spectra, ба таври систематикӣ санҷидааст; vendor MALDI-ToF data бор шудааст, preprocessing chain кор кардааст ва quality-controlled identification/classification functions қавӣ будаанд.

Jörg Rau бошад нармафзорро дар Windows 10 дар муҳити воқеии laboratory дар баробари commercial MALDI software истифода кардааст. Манбаъ мегӯяд, ки interface содда аст, text/Excel/HTML reports осон тафсир мешаванд ва дар complex cluster analyses ҳисобҳо зуд анҷом меёбанд.

Инҳо operational tests-и муҳиманд, аммо бо controlled, multicenter formal software validation study як чиз нестанд. Дар ҳақиқат, худи мақола ба таври возеҳ қайд мекунад, ки MicrobeMS ва RKI database-ҳо аз formal validation нагузаштаанд.

Ҷиҳатҳои қавии MicrobeMS

• Истифодаи мустақими matrix/vector computation advantage-и MATLAB дар муқоисаҳои калони спектрӣ,
• Мавҷуд будани тамоми занҷир аз preprocessing то identification дар як муҳит,
• Import/export options барои data formats-и гуногун,
• Дастрасии муфассал ба spectrum metadata,
• Механизми objective quality-test,
• Абзорҳои сохтмон ва идоракунии experimental database,
• Research-oriented visualizations монанди pseudo-gel ва dendrogram,
• Тағйирпазир будани параметрҳо тавассути microbems.opt,
• Standard ва advanced identification workflow options,
• Имкони таҳлили spectrum data дар муҳити local ва restricted.

Маҳдудиятҳои асосӣ

• Нармафзор ва RKI database-ҳо аз formal clinical validation нагузаштаанд.
• Identification success ба species ва strain coverage-и reference database-и истифодашуда сахт вобаста аст.
• Low-quality spectra метавонанд ҷудокунии closely related species-ро душвор кунанд.
• Preprocessing ва peak-picking parameters метавонанд ба натиҷаҳо таъсир расонанд.
• In silico database ҳанӯз ба accuracy level-и experimental database-ҳо нарасидааст.
• ANN module дар солҳои охир фаъолона таҳия нашудааст.
• Academic flexibility-и нармафзор бо standardisation ва formal traceability-и интизоршаванда дар regulated clinical products як чиз нест.

Ёддошт оид ба манбаъ ва усул

Номи пурраи аслии кор: MicrobeMS - A MATLAB Toolbox for Microbial Identification Based on Mass Spectrometry

Муаллиф: Peter Lasch.

Муаллифи масъул: Peter Lasch.

Саҳми баробар: Кор якмуаллифӣ аст; изҳороти co-first/equal contribution вуҷуд надорад.

Муассиса: Robert Koch Institute, ZBS 6 – Proteomics and Spectroscopy (ZBS 6), Seestraße 10, Berlin, Олмон.

Навъи манбаъ: Таҳқиқоти тавсифи scientific software, methodology ва reanalysis-и sample data дар асоси MATLAB.

Вазъи нашр: Кори боршуда preprint буда, аз peer review нагузаштааст. Натиҷаҳо бояд бо дарназардошти ин марҳилаи нашр арзёбӣ шаванд.

Платформаи боршуда: SSRN.

Рақами abstract-и SSRN: 7231327.

DOI-и тасдиқшудаи preprint: 10.64898/2026.05.08.723807.

Платформаи DOI: BioRxiv preprint record, ки бо ҳамон унвон ва муаллиф нашр шудааст.

Санаи нашри BioRxiv: 12 майи 2026.

Версияи маҷаллаи peer-reviewed: То 24 августи 2026 дар bibliographic check версияи алоҳидаи тасдиқшудаи peer-reviewed journal пайдо нашудааст.

Версияи нармафзори дар мақола баррасишуда: MicrobeMS v0.92, январи 2026.

Фарқи версияи ҷорӣ: Wiki-и расмии MicrobeMS то моҳи майи 2026 версияи v0.93-ро ҳамчун current version нишон медиҳад. Тавсифи илмии ин мақолаи Verianla ба v0.92, ки дар кори манбаъ баррасӣ шудааст, асос меёбад; тағйироти баъдтар ба v0.93 иловашуда ҳамчун натиҷаи бозгаштӣ қабул нашудаанд.

Муҳити барномасозӣ: MATLAB.

Шакли паҳнкунӣ дар манбаъ: MATLAB p-code барои Windows ва Linux; standalone application барои Windows.

Ёддошти паҳнкунии ҷорӣ: Сомонаи расмии лоиҳа MicrobeMS-ро ҳамчун open-source software тавсиф намекунад; software барои testing ва non-commercial use ройгон паҳн карда мешавад. Аз ин рӯ MicrobeMS дар ин мақола “open source” номида нашудааст.

Ёддошт оид ба ибораи паҳнкунӣ дар манбаъ: Дар як қисми software description standalone ва MATLAB m-/p-code якҷоя зикр мешаванд, дар ҳоле ки Code Availability section танҳо p-code Windows/Linux ва standalone Windows distribution-ро нишон медиҳад. Wiki-и ҷорӣ низ source code не, балки p-code/standalone packages пешниҳод мекунад. Ин изҳорот бе шарҳ ба як distribution form табдил дода нашудаанд.

Конфигуратсияи асосии software: Қисми муҳими parameters-и automatic QT, preprocessing, peak detection ва identification дар editable text file-и microbems.opt нигоҳ дошта мешавад.

Test dataset: HPB panel, ки дар доираи 2014 QUANDHIP External Quality Assurance Exercise ташкил шудааст; 10 isolate ва 24 technical replicate spectrum.

Public experimental database: Дар манбаъ барои RKI MALDI-ToF database v4.2 11.055 spectrum ва 1.601 bacterial strain гузориш шудааст.

Database DOI: Дар abstract section-и таҳқиқот барои RKI database collection пайванди 10.5281/zenodo.7702374 дода шудааст.

In silico database: Таҳқиқот experimental in silico database-ро бо 17.850 pseudo-MALDI spectrum ва 80 pseudo-peak дар ҳар spectrum, барои соли 2024, тавсиф мекунад; муаллиф онро барои diagnostic use тавсия намедиҳад.

Ҳудуди formal validation: Муаллифи манбаъ ба таври возеҳ мегӯяд, ки на software-и MicrobeMS ва на RKI database-ҳо аз formal validation нагузаштаанд. Ин нуқта фарқи асосӣ аз commercial, regulatory MALDI-ToF diagnostic systems мебошад.

Independent testing: Дар таҳқиқот operational software tests-и алоҳида, ки Matthias Mailänder ва Jörg Rau дар v0.92 анҷом додаанд, гузориш шудаанд. Онҳо formal clinical validation ҳисобида нашудаанд.

Ёддошти редаксионии дохили манбаъ: Дар бахши “Independent Testing” ҳар ду зербахши Matthias Mailänder ва Jörg Rau ҳамчун “8.1” рақамгузорӣ шудаанд. Азбаски ин numbering error ба мундариҷаи илмӣ таъсир намерасонад, он бе далел ба source text нисбат дода нашуда, танҳо дар ин ҷо сабт шудааст.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллиф ягон бархӯрди манфиатҳоро гузориш надодааст.

Изҳороти generative artificial intelligence: Муаллиф мегӯяд, ки танҳо барои linguistic revision-и матни мақола commercial version-и DeepL ва free version-и Gemini истифода шудаанд ва ягон AI method ё tool-и дигар истифода нашудааст.

Acknowledgements: Муаллиф ба Nico Fischer, Elke Westhäuser, Charlyn John, Jeremias Meiß, Maren Stämmler ва Andy Schneider барои microbial sample preparation ва MALDI-ToF MS measurements; инчунин ба Joerg Doellinger, Alejandra Bosch, Marcel Erhardt ва Thomas Maier барои scientific discussion ва support ташаккур мегӯяд.

CRediT: Дар кори якмуаллифии боршуда CRediT authorship contribution statement-и ҷудогона мавҷуд нест.

Ҳудуди амнияти илмӣ ва тафсир: Ин таҳқиқот computational analysis ва software workflow-и microbial spectra-ро тавсиф мекунад. Матни Verianla барои culturing ё laboratory production-и highly pathogenic organisms operational protocol намесозад; он бо spectral analysis ва software results-и кори манбаъ маҳдуд аст.

Ҳудуди мундариҷаи илмӣ: MicrobeMS architecture, equations, quality tests, preprocessing methods, databases, UHCA parameters, HPB test panel ва identification findings-и ин мақолаи Verianla ба кори боршуда асос меёбанд. External sources танҳо барои bibliographic verification-и preprint DOI, date, current publication status ва current software version/distribution status истифода шудаанд; biological ё diagnostic result-и нав, ки дар манбаъ набошад, илова нашудааст.