La combinazione dei profili di espressione del gene ospite e del rilevamento metagenomico dei patogeni dall'acido nucleico plasmatico consente una diagnosi accurata della sepsi

La combinazione dei profili di espressione del gene ospite e del rilevamento metagenomico dei patogeni dall'acido nucleico plasmatico consente una diagnosi accurata della sepsi

In un recente studio pubblicato su Microbiologia naturale I ricercatori hanno sviluppato una metagenomica integrata ospite-microbo-plasma per facilitare la diagnosi di sepsi.

Lernen: Integrierte Wirts-Mikroben-Plasma-Metagenomik zur Sepsis-Diagnose in einer prospektiven Kohorte kritisch kranker Erwachsener. Bildnachweis: Kateryna Kon/Shutterstock

sfondo

La sepsi rappresenta il 20% di tutti i decessi nel mondo e dal 20 al 50% di tutti i decessi ospedalieri negli Stati Uniti. Il rilevamento e l’identificazione iniziali delle infezioni microbiche sono necessari per una terapia antibiotica tempestiva ed efficace, fondamentale per la sopravvivenza dalla sepsi. Tuttavia, in oltre il 30% dei casi non vengono rilevati agenti patogeni eziologici. Distinguere tra sepsi e malattie sistemiche non infettive è importante perché spesso appaiono clinicamente simili durante il ricovero.

A proposito dello studio

Nel presente studio, i ricercatori hanno sviluppato uno strumento diagnostico per la sepsi che combina il profilo trascrizionale dell’ospite con l’identificazione completa dei patogeni.

In due ospedali di assistenza terziaria, il team ha condotto uno studio osservazionale prospettico su pazienti adulti critici ricoverati dal pronto soccorso (ED) all’unità di terapia intensiva (ICU). I pazienti sono stati divisi in cinque sottogruppi in base alla presenza o assenza di sepsi. Questi pazienti includevano quelli che: (1) avevano sepsi clinicamente confermata e infezione batterica del sangue confermata (SepsisBSI); (2) sepsi clinicamente confermata e infezione confermata non ematica (sepsi non BSI); (3) sospetta sepsi, caratterizzata da test microbiologici clinici negativi (sospetta sepsi); (4) pazienti senza evidenza di sepsi e senza una spiegazione per la loro malattia critica (nessuna sepsi); o (5) pazienti con stato indeterminato (Indeterm).

Eseguendo il sequenziamento dell'acido ribonucleico (RNA) su campioni di sangue intero, il team ha prima esaminato le variazioni trascrizionali tra i pazienti con sepsi clinicamente e microbiologicamente provata e quelli senza sintomi di infezione. Una tecnica chiamata Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) rileva cluster di geni all'interno di un set di dati con funzioni biologiche correlate.

È stato condotto uno studio sull'espressione genica differenziale (DE) nei gruppi SepsisBSI e Sepsisnon-BSI per identificare ulteriori differenze tra i pazienti affetti da sepsi con infezioni nel flusso sanguigno e nei siti periferici. Il team ha sviluppato un classificatore diagnostico universale della sepsi basato su modelli di espressione genetica nel sangue intero in risposta al requisito pratico di diagnosticare la sepsi sia nei pazienti con sepsiBSI che in quelli con sepsi non BSI. Il team ha utilizzato una strategia di apprendimento Bagged Support Vector Machine (bSVM) per selezionare i geni che distinguevano con maggior successo i pazienti con sepsi (SepsisBSI e Sepsisnon-BSI) dai pazienti senza sepsi (No-Sepsis).

Dopo il sequenziamento dell'RNA ottenuto dai pazienti i cui campioni di plasma erano disponibili, è stata determinata una media di 2,3 × 107 letture. Inoltre, è stata eseguita l'analisi DE per determinare se un segnale biologicamente plausibile potesse essere utilizzato per distinguere i pazienti con e senza sepsi.

Risultati

Esacerbazione dell’insufficienza cardiaca, overdose/avvelenamento, arresto cardiaco ed embolia polmonare erano le condizioni più comunemente diagnosticate nel gruppo senza sepsi. Indipendentemente dal sottogruppo, la maggior parte dei pazienti necessitava di supporto vasopressorio e ventilazione meccanica. I pazienti nello studio SepsisBSI e Sepsisnon-BSI che avevano dimostrato sepsi non hanno mostrato differenze rispetto ai pazienti senza sepsi in termini di età, sesso, razza, etnia, punteggio APACHE III, immunodeficienza, stato di intubazione, picco di conta dei globuli bianchi o mortalità a 28 giorni. Nel gruppo di pazienti senza sepsi, tutti tranne uno presentavano due o più criteri di sindrome da risposta infiammatoria sistemica (SIRS).

Lo studio ha anche riscontrato una sottoregolazione delle vie di segnalazione associate all’elaborazione e alla traduzione dell’RNA ribosomiale, nonché una sovraregolazione dei geni coinvolti nella segnalazione immunitaria innata e nella degranulazione dei neutrofili nei pazienti con sepsi. Utilizzando l'analisi DE, il team ha trovato 5.227 geni. La coorte di sepsi non BSI ha mostrato un arricchimento di geni associati a defensine, peptidi antimicrobici e segnalazione G-alfa, nonché altre vie di segnalazione. D'altra parte, la coorte SepsisBSI ha mostrato un arricchimento di geni associati, tra le altre cose, alle interazioni immunoregolatorie tra cellule non linfoidi e linfoidi e alla segnalazione CD28.

Il modello bSVM ha mostrato un'area media di convalida incrociata sotto la curva delle caratteristiche operative del ricevitore (ROC) (AUC) di 0,81. I campioni con conteggi delle trascrizioni inferiori alla soglia del controllo di qualità (QC) avevano una massa di input media inferiore rispetto ai campioni con conteggi sufficienti.

È interessante notare che un certo numero di geni espressi in modo differenziale sono stati identificati come biomarcatori di sepsi, tra cui CD177 elevato, isotipo DR soppresso dell'antigene leucocitario umano (HLA-DRA), che indica una firma trascrittomica biologicamente significativa dall'RNA plasmatico. Nel gruppo con sepsi non BSI, il sequenziamento metagenomico di nuova generazione (mNGS) dell’acido desossiribonucleico (DNA) plasmatico ha rivelato tre degli otto patogeni delle infezioni batteriche del tratto urinario (UTI) e due dei 25 patogeni delle infezioni batteriche delle vie respiratorie inferiori (LRTI). Nessuno dei tre pazienti con colite grave causata da C. difficile aveva questo patogeno. Ulteriori potenziali agenti patogeni batterici non identificati dalla coltura sono stati trovati in otto dei 73 pazienti con sepsi confermata.

Diploma

Nel complesso, i risultati dello studio hanno dimostrato che la diagnosi affidabile della sepsi è facilitata combinando il profilo di espressione del gene ospite con l'identificazione dei patogeni metagenomici dall'acido nucleico plasmatico. Sono necessarie ricerche future per verificare e stimare il beneficio terapeutico di questa strategia diagnostica indipendente dalla cultura.

Riferimento:

• Kalantar, K., Neyton, L., Abdelghany, M., Mick, E., Jauregui, A. & Caldera, S. et al. (2022). Integrierte Wirts-Mikroben-Plasma-Metagenomik zur Sepsis-Diagnose in einer prospektiven Kohorte kritisch kranker Erwachsener. Naturmikrobiologie. doi: 10.1038/s41564-022-01237-2 https://www.nature.com/articles/s41564-022-01237-2

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