DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2026.1735218
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41783503
تاريخ النشر: 2026-02-17
المؤلف: Francis Muchaamba وآخرون
الموضوع الرئيسي: ليستيريا مونوسيتوجينيس في سلامة الغذاء
نظرة عامة
تقيّم الدراسة فعالية مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) كطريقة سريعة وعالية الإنتاجية لتصنيف *Listeria monocytogenes*، باستخدام 118 سلالة من أنواع مصلية مختلفة. تظهر الدراسة أن FTIR يظهر تكرارية عالية، مع تجمعات متسقة من الملفات الطيفية عبر النسخ التقنية والبيولوجية. حقق كل من التجميع الهرمي ومصنف الشبكة العصبية الاصطناعية دقة 100% على مستوى مجموعة المصل، كما هو موضح بواسطة مؤشر راند المعدل 1.00 عند مقارنته بطرق تصنيف المصل التقليدية. ومع ذلك، فإن دقة FTIR محدودة مقارنة بتسلسل الجينوم الكامل (WGS)، ويرجع ذلك أساسًا إلى تداخل الطيف في مناطق البوليسكاريد بين بعض المجمعات الكلونية وأنواع المصل.
تكشف النتائج أن ظروف نمو البكتيريا تؤثر بشكل كبير على الملفات الطيفية، مع ملاحظة تجمعات مثالية في العزلات المزروعة على وسائط محددة مثل ALOA وBlood وOxford agar. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن درجة حرارة الحضانة ومدة الحضانة تؤثر على جودة الطيف، حيث تعزز درجات الحرارة المنخفضة (25 درجة مئوية) التمييز على مستوى نوع المصل داخل مجموعات المصل. وهذا يبرز ضرورة تحسين بروتوكولات الثقافة لتعزيز القدرة التمييزية لتصنيف السلالات المعتمد على FTIR. بشكل عام، تدعم الدراسة استخدام FTIR كأداة فحص أولية فعالة لتصنيف مسببات الأمراض واكتشاف التفشي، مما يشير إلى أن التكامل الإضافي مع الطرق الجزيئية يمكن أن يعزز دقتها وتطبيقها العملي في التعرف على مسببات الأمراض في الوقت الحقيقي.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على التحديات المتزايدة في سلامة الغذاء بسبب التصنيع، وتغير المناخ، وتغير تفضيلات المستهلكين، لا سيما تجاه الأطعمة العضوية والأطعمة الجاهزة للأكل. تتفاقم هذه التحديات بسبب زيادة عدد السكان المعرضين للخطر وظهور مسببات الأمراض المنقولة بالغذاء المقاومة للمضادات الحيوية، وخاصة *Listeria monocytogenes*، المرتبطة بمخاطر صحية شديدة، خاصة في المجموعات عالية المخاطر. إن قدرة المسبب على البقاء في بيئات معالجة الطعام، إلى جانب ضراوته، تتطلب طرق كشف سريعة وفعالة لمنع التفشي وضمان سلامة الغذاء.
تعتبر طرق تصنيف المصل التقليدية لـ *L. monocytogenes* كثيفة العمالة ومكلفة، بينما تقدم التقنيات الجزيئية مثل PCR وتصنيف تسلسل متعدد المواقع (MLST) بدائل أسرع لكنها لا تزال تواجه قيودًا في الدقة والوصول. تقدم التطورات الأخيرة في تقنيات مثل مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) طرقًا واعدة لتصنيف مسببات الأمراض بسرعة، مما يولد بصمات طيفية فريدة يمكن أن تميز السلالات بشكل فعال. ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات تتعلق بالتكرارية والحاجة إلى بروتوكولات موحدة. تهدف هذه الدراسة إلى تقييم القدرة التمييزية لـ FTIR باستخدام نظام IR Biotyper® مقابل الطرق التقليدية، وتقييم تأثير وسائط الثقافة وتحضير العينات، واستكشاف إمكانيات FTIR كأداة فحص سريعة في تحقيقات التفشي.
طرق
في هذه الدراسة، قارن المؤلفون أداء مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) ضد طرق تصنيف مختلفة، بما في ذلك التصنيف القائم على PCR، وتصنيف المصل المناعي، وتصنيف تسلسل متعدد المواقع (MLST)، وتسلسل الجينوم الكامل (WGS). تم تقييم التشابه بين التجمعات الناتجة عن هذه الطرق باستخدام ثلاثة مقاييس: مؤشر تنوع سيمبسون (SID)، مؤشر راند المعدل (ARI)، ومعامل والاس المعدل (AWC). تم تعيين WGS كمعيار ذهبي للمقارنة. كشفت التحليلات أن MLST كان لديه أعلى قدرة على اكتشاف التنوع (SID = 0.938)، تليها تصنيف المصل المناعي (SID = 0.744) وWGS (SID = 0.731). أظهر FTIR أدنى مؤشر تنوع (SID = 0.574)، متنبئًا بشكل أساسي بمجموعات المصل بدلاً من أنواع المصل المحددة.
على الرغم من قوته التمييزية الأقل، أظهر FTIR توافقًا قويًا مع تصنيف المصل المناعي، محققًا ARI وAWC بقيمة 1.000، مما يدل على اتفاق كامل. كان التوافق مع مجموعات المصل لـ WGS أيضًا ملحوظًا، مع ARI بقيمة 0.948 وAWC بقيمة 0.987. كانت الفروقات الوحيدة المحددة مع السلالات N843_10 وN843_15، التي تم تصنيفها كمجموعة مصل 3 بواسطة FTIR وتصنيف المصل المناعي ولكن كمجموعة مصل 1/2 بواسطة WGS. تؤكد هذه النتائج على فائدة FTIR في تعيين مجموعات المصل، على الرغم من قيودها في حل التنوع الدقيق مقارنة بالطرق الأخرى.
النتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يتضمن عادةً بيانات كمية، وتحليلات إحصائية، وتمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول التي توضح نتائج الدراسة. غالبًا ما تتم مقارنة النتائج مع الفرضيات أو الأبحاث السابقة لتسليط الضوء على الفروق المهمة أو تأكيد الاتجاهات المتوقعة.
في هذا القسم، يتم الإبلاغ عن مقاييس أو معايير محددة، مما يعرض فعالية أو تأثير التدخلات أو المتغيرات المدروسة. قد تناقش النتائج أيضًا تداعيات هذه النتائج فيما يتعلق بالمجال الأوسع للدراسة، مع التأكيد على كيفية مساهمتها في المعرفة الحالية أو اقتراح طرق جديدة للبحث المستقبلي. بشكل عام، هذا القسم حاسم لفهم الأساس التجريبي لاستنتاجات الدراسة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم تحليل ما مجموعه 118 سلالة من *Listeria monocytogenes*، تمثل أنواع مصلية وخلفيات جينية مختلفة، لتقييم فعالية مطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) لتفريق السلالات. تم زراعة السلالات تحت ظروف محكومة، مع التركيز على تأثير وسائط النمو، ودرجة الحرارة، ومدة الحضانة على الملفات الطيفية لـ FTIR. أظهرت النتائج أن FTIR يمكنه تصنيف السلالات بدقة إلى مجموعات مصل واسعة (1/2، 3، و4) بدقة 100%، على الرغم من أنه واجه صعوبة في حل الفروق الجينية الدقيقة على مستوى نوع المصل، لا سيما بين الأنواع المصلية المرتبطة ارتباطًا وثيقًا داخل مجموعات المصل 1/2 و3 بسبب تداخل الطيف.
كما سلطت الدراسة الضوء على التأثير الكبير لظروف النمو على طيف FTIR، مع اختلافات في نوع الوسائط تؤدي إلى أنماط تجمع مميزة. على سبيل المثال، تجمعت السلالات المزروعة على Blood agar وRAPID’L.mono agar بشكل منفصل، مما يبرز تأثير الوسائط على التركيب الخلوي والملفات الطيفية. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات أنه بينما يمكن لـ FTIR تمييز السلالات بفعالية بناءً على مجموعة المصل، إلا أنه لا يمكنه تمييز بعض أنواع المصل بشكل موثوق، مما يشير إلى إمكانيته كأداة ظاهرة أولية ينبغي أن تكملها طرق جينية للتحليل التفصيلي. تشير النتائج إلى أن FTIR لديه تطبيقات واعدة في تحليل تجمعات السلالات في الوقت الحقيقي، لا سيما في تحقيقات التفشي، على الرغم من قيودها في التمييز عالي الدقة مقارنة بتسلسل الجينوم الكامل.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2026.1735218
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41783503
Publication Date: 2026-02-17
Author(s): Francis Muchaamba et al.
Primary Topic: Listeria monocytogenes in Food Safety
Overview
The research evaluates the effectiveness of Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy as a rapid and high-throughput method for typing *Listeria monocytogenes*, utilizing 118 strains from various serotypes. The study demonstrates that FTIR exhibits high reproducibility, with consistent clustering of spectral profiles across technical and biological replicates. Both hierarchical clustering and an artificial neural network classifier achieved 100% accuracy at the serogroup level, indicated by an adjusted Rand index of 1.00 when compared to traditional serotyping methods. However, FTIR’s resolution is limited compared to whole-genome sequencing (WGS), primarily due to spectral overlaps in polysaccharide regions among certain clonal complexes and serotypes.
The findings reveal that the growth conditions of the bacteria significantly affect spectral profiles, with optimal clustering observed in isolates cultured on specific media such as ALOA, Blood, and Oxford agar. Additionally, incubation temperature and duration were found to influence spectral quality, with lower temperatures (25 °C) enhancing serotype-level discrimination within serogroups. This underscores the necessity of optimized culture protocols to enhance the discriminatory power of FTIR-based strain typing. Overall, the study supports the use of FTIR as an efficient initial screening tool for pathogen typing and outbreak detection, suggesting that further integration with molecular methods could enhance its resolution and practical application in real-time pathogen identification.
Introduction
The introduction highlights the growing challenges in food safety due to industrialization, climate change, and changing consumer preferences, particularly towards organic and ready-to-eat foods. These challenges are exacerbated by an increase in vulnerable populations and the rise of antimicrobial-resistant foodborne pathogens, notably *Listeria monocytogenes*, which is linked to severe health risks, especially in high-risk groups. The pathogen’s ability to persist in food-processing environments, coupled with its virulence, necessitates rapid and efficient detection methods to prevent outbreaks and ensure food safety.
Traditional serotyping methods for *L. monocytogenes* are labor-intensive and costly, while molecular techniques like PCR and multi-locus sequence typing (MLST) offer faster alternatives but still face limitations in resolution and accessibility. Recent advancements in technologies such as Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy present promising avenues for rapid pathogen typing, generating unique spectral fingerprints that can differentiate strains effectively. However, challenges remain regarding reproducibility and the need for standardized protocols. This study aims to evaluate the discriminatory power of FTIR using the IR Biotyper® system against traditional methods, assessing the impact of culture media and sample preparation, and exploring FTIR’s potential as a rapid screening tool in outbreak investigations.
Methods
In this study, the authors compared the performance of Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) against various typing methods, including PCR-based typing, serological serotyping, Multi-Locus Sequence Typing (MLST), and Whole Genome Sequencing (WGS). The similarity between the clusters generated by these methods was evaluated using three metrics: Simpson’s Index of Diversity (SID), Adjusted Rand Index (ARI), and Adjusted Wallace Coefficient (AWC). WGS was designated as the gold standard for comparison. The analysis revealed that MLST had the highest diversity-detecting ability (SID = 0.938), followed by serological serotyping (SID = 0.744) and WGS (SID = 0.731). FTIR demonstrated the lowest diversity index (SID = 0.574), primarily predicting serogroups rather than specific serotypes.
Despite its lower discriminatory power, FTIR showed strong concordance with serological serotyping, achieving an ARI and AWC of 1.000, indicating complete agreement. The concordance with WGS serogroups was also notable, with an ARI of 0.948 and AWC of 0.987. The only discrepancies identified were with strains N843_10 and N843_15, which were classified as serogroup 3 by FTIR and serological serotyping but as serogroup 1/2 by WGS. These findings underscore the utility of FTIR in serogroup assignment, despite its limitations in resolving finer diversity compared to other methods.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It typically includes quantitative data, statistical analyses, and visual representations such as graphs or tables that illustrate the outcomes of the study. The results are often compared against the hypotheses or previous research to highlight significant differences or confirm expected trends.
In this section, specific metrics or parameters are reported, showcasing the effectiveness or impact of the interventions or variables studied. The results may also discuss the implications of these findings in relation to the broader field of study, emphasizing how they contribute to existing knowledge or suggest new avenues for future research. Overall, this section is crucial for understanding the empirical basis of the study’s conclusions.
Discussion
In this study, a total of 118 Listeria monocytogenes strains were analyzed, representing various serotypes and genetic backgrounds, to assess the efficacy of Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy for strain differentiation. The strains were cultivated under controlled conditions, with a focus on the impact of growth media, temperature, and incubation duration on FTIR spectral profiles. The results demonstrated that FTIR could accurately classify strains into broad serogroups (1/2, 3, and 4) with 100% accuracy, although it struggled to resolve finer genotypic differences at the serotype level, particularly among closely related serotypes within serogroups 1/2 and 3 due to spectral overlap.
The study also highlighted the significant influence of growth conditions on FTIR spectra, with variations in media type leading to distinct clustering patterns. For instance, strains grown on Blood agar and RAPID’L.mono agar clustered separately, emphasizing the media’s effect on cellular composition and spectral profiles. Additionally, the analysis revealed that while FTIR could effectively differentiate strains based on serogroup, it could not reliably distinguish some serotypes, indicating its potential as a preliminary phenotypic tool that should be complemented by genetic methods for detailed analysis. The findings suggest that FTIR has promising applications in real-time strain cluster analysis, particularly in outbreak investigations, despite its limitations in high-resolution discrimination compared to whole-genome sequencing.