Połączenie profili ekspresji genów gospodarza i wykrywanie patogenów metagenomicznych na podstawie kwasu nukleinowego w osoczu umożliwia dokładną diagnostykę sepsy

Połączenie profili ekspresji genów gospodarza i wykrywanie patogenów metagenomicznych na podstawie kwasu nukleinowego w osoczu umożliwia dokładną diagnostykę sepsy

W niedawnym badaniu opublikowanym w Naturalna mikrobiologia Naukowcy opracowali zintegrowaną metagenomię gospodarza, drobnoustroju i osocza, aby ułatwić diagnozowanie sepsy.

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

tło

Sepsa jest przyczyną 20% wszystkich zgonów na świecie i od 20 do 50% wszystkich zgonów szpitalnych w Stanach Zjednoczonych. Wstępne wykrycie i identyfikacja infekcji bakteryjnych jest niezbędne do terminowej i skutecznej antybiotykoterapii, która ma kluczowe znaczenie dla przeżycia posocznicy. Jednak w ponad 30% przypadków nie stwierdza się patogenów etiologicznych. Rozróżnienie między sepsą a niezakaźnymi chorobami ogólnoustrojowymi jest ważne, ponieważ podczas hospitalizacji często wyglądają one klinicznie podobnie.

O badaniu

W niniejszym badaniu naukowcy opracowali narzędzie do diagnostyki sepsy, które łączy profilowanie transkrypcyjne gospodarza z kompleksową identyfikacją patogenu.

W dwóch szpitalach trzeciego stopnia zespół przeprowadził prospektywne badanie obserwacyjne krytycznie chorych dorosłych pacjentów przyjmowanych z oddziału ratunkowego (ED) na oddział intensywnej terapii (OIOM). Pacjentów podzielono na pięć podgrup w oparciu o obecność lub brak sepsy. Do pacjentów tych zaliczali się pacjenci, którzy: (1) mieli klinicznie potwierdzoną sepsę oraz potwierdzone bakteryjne zakażenie krwi (SepsisBSI); (2) potwierdzona klinicznie sepsa i potwierdzone zakażenie poza krwiobiegiem (posocznica non-BSI); (3) podejrzenie sepsy, charakteryzujące się ujemnymi klinicznymi wynikami badań mikrobiologicznych (podejrzenie sepsy); (4) pacjenci bez objawów sepsy i wyjaśnienia krytycznej choroby (brak sepsy); lub (5) pacjenci o nieokreślonym statusie (Nieokreślony).

Wykonując sekwencjonowanie kwasu rybonukleinowego (RNA) na próbkach krwi pełnej, zespół najpierw zbadał różnice w transkrypcji między pacjentami z klinicznie i mikrobiologicznie potwierdzoną sepsą a pacjentami bez objawów infekcji. Technika zwana analizą wzbogacania zestawu genów (GSEA) wykrywa skupiska genów w zestawie danych o powiązanych funkcjach biologicznych.

Przeprowadzono badanie różnicowej ekspresji genów (DE) w grupach SepsisBSI i Sepsisnon-BSI w celu zidentyfikowania dalszych różnic między pacjentami z sepsą i zakażeniami krwiobiegu i miejsc obwodowych. Zespół opracował uniwersalny klasyfikator do diagnostyki sepsy, oparty na wzorcach ekspresji genów w krwi pełnej, w odpowiedzi na praktyczne wymagania dotyczące diagnozowania sepsy zarówno u pacjentów z sepsą BSI, jak i pacjentów z posocznicą bez BSI. Zespół zastosował strategię uczenia się za pomocą workowej maszyny wektorów nośnych (bSVM), aby wybrać geny, które najskuteczniej odróżniają pacjentów z sepsą (SepsisBSI i Sepsisnon-BSI) od pacjentów bez sepsy (No-Sepsa).

Po zsekwencjonowaniu RNA od pacjentów, od których dostępne były próbki osocza, ustalono medianę odczytów wynoszącą 2,3 × 107. Ponadto przeprowadzono analizę DE w celu ustalenia, czy można zastosować biologicznie wiarygodny sygnał do rozróżnienia pacjentów z sepsą i bez niej.

Wyniki

W grupie bez sepsy najczęściej diagnozowano zaostrzenie niewydolności serca, przedawkowanie/zatrucie, zatrzymanie akcji serca i zatorowość płucną. Niezależnie od podgrupy większość pacjentów wymagała leczenia wazopresyjnego i wentylacji mechanicznej. Pacjenci biorący udział w badaniach SepsisBSI i Sepsisnon-BSI, u których potwierdzono posocznicę, nie wykazali różnic w porównaniu z pacjentami bez sepsy pod względem wieku, płci, rasy, pochodzenia etnicznego, wyniku w skali APACHE III, niedoboru odporności, stanu intubacji, szczytowej liczby białych krwinek ani śmiertelności w ciągu 28 dni. W grupie pacjentów bez posocznicy wszyscy oprócz jednego mieli dwa lub więcej kryteriów zespołu ogólnoustrojowej reakcji zapalnej (SIRS).

Badanie wykazało również obniżenie poziomu szlaków sygnalizacyjnych związanych z przetwarzaniem i translacją rybosomalnego RNA, a także zwiększenie ekspresji genów zaangażowanych we wrodzoną sygnalizację immunologiczną i degranulację neutrofilów u pacjentów z sepsą. Korzystając z analizy DE, zespół odkrył 5227 genów. Kohorta osób chorych na sepsę bez BSI wykazała wzbogacenie genów związanych z defensynami, peptydami przeciwdrobnoustrojowymi i sygnalizacją G-alfa, a także innymi szlakami sygnałowymi. Z drugiej strony kohorta badania SepsisBSI wykazała wzbogacenie genów związanych między innymi z interakcjami immunoregulacyjnymi między komórkami nielimfoidalnymi i limfoidalnymi oraz sygnalizacją CD28.

Model bSVM wykazał średni obszar walidacji krzyżowej pod krzywą charakterystyki operacyjnej odbiornika (ROC) (AUC) wynoszący 0,81. Próbki z liczbą transkryptów poniżej progu kontroli jakości (QC) miały niższą średnią masę wejściową niż próbki z wystarczającą liczbą.

Co ciekawe, zidentyfikowano wiele genów o zróżnicowanej ekspresji jako biomarkery sepsy, w tym podwyższony poziom CD177 i izotyp ludzkiego antygenu leukocytów z supresją (HLA-DRA), co wskazuje na biologicznie znaczącą sygnaturę transkryptomu z RNA osocza. W grupie osób chorych na sepsę bez BSI metagenomiczne sekwencjonowanie nowej generacji (mNGS) kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) w osoczu ujawniło trzy z ośmiu patogenów bakteryjnych infekcji dróg moczowych (UTI) i dwa z 25 patogenów bakteryjnych infekcji dolnych dróg oddechowych (LRTI). Żaden z trzech pacjentów z ciężkim zapaleniem jelita grubego wywołanym przez C. difficile nie miał tego patogenu. Dodatkowe potencjalne patogeny bakteryjne, niezidentyfikowane w hodowli, wykryto u ośmiu z 73 pacjentów z potwierdzoną sepsą.

Dyplom

Ogólnie rzecz biorąc, wyniki badania wykazały, że wiarygodną diagnostykę sepsy ułatwia połączenie profilowania ekspresji genów gospodarza z identyfikacją patogenów metagenomicznych na podstawie kwasu nukleinowego osocza. Konieczne są przyszłe badania, aby zweryfikować i oszacować korzyści terapeutyczne tej niezależnej od kultury strategii diagnostycznej.

Odniesienie:

• 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

.