Kombinácia profilov expresie hostiteľského génu a metagenomickej detekcie patogénu z plazmatickej nukleovej kyseliny umožňuje presnú diagnostiku sepsy

Kombinácia profilov expresie hostiteľského génu a metagenomickej detekcie patogénu z plazmatickej nukleovej kyseliny umožňuje presnú diagnostiku sepsy

V nedávnej štúdii publikovanej v Prírodná mikrobiológia Výskumníci vyvinuli integrovanú metagenomiku hostiteľ-mikrób-plazma na uľahčenie diagnostiky sepsy.

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

pozadia

Sepsa predstavuje 20 % všetkých úmrtí na celom svete a 20 až 50 % všetkých úmrtí v nemocniciach v Spojených štátoch. Počiatočná detekcia a identifikácia mikrobiálnych infekcií je nevyhnutná pre včasnú a účinnú antibiotickú liečbu, ktorá je kľúčová pre prežitie zo sepsy. Vo viac ako 30% prípadov sa však nezistia žiadne etiologické patogény. Rozlišovanie medzi sepsou a neinfekčnými systémovými ochoreniami je dôležité, pretože počas hospitalizácie sa často javia klinicky podobné.

O štúdiu

V tejto štúdii výskumníci vyvinuli diagnostický nástroj sepsy, ktorý kombinuje transkripčné profilovanie hostiteľa s komplexnou identifikáciou patogénu.

V dvoch nemocniciach terciárnej starostlivosti tím vykonal prospektívnu observačnú štúdiu kriticky chorých dospelých pacientov prijatých z oddelenia pohotovosti (ED) na jednotku intenzívnej starostlivosti (JIS). Pacienti boli rozdelení do piatich podskupín na základe prítomnosti alebo neprítomnosti sepsy. Títo pacienti zahŕňali tých, ktorí: (1) mali klinicky potvrdenú sepsu, ako aj potvrdenú bakteriálnu infekciu krvného riečišťa (SepsisBSI); (2) klinicky potvrdená sepsa a potvrdená infekcia mimo krvného obehu (sepsa non-BSI); (3) podozrenie na sepsu, charakterizované negatívnymi klinickými mikrobiologickými testami (podozrenie na sepsu); (4) pacienti bez známok sepsy a vysvetlenia ich kritického ochorenia (žiadna sepsa); alebo (5) pacienti s neurčitým stavom (Indeterm).

Vykonaním sekvenovania ribonukleovej kyseliny (RNA) na vzorkách plnej krvi tím najprv skúmal transkripčné variácie medzi pacientmi s klinicky a mikrobiologicky preukázanou sepsou a pacientmi bez príznakov infekcie. Technika nazývaná Analýza obohacovania súboru génov (GSEA) deteguje zhluky génov v rámci súboru údajov so súvisiacimi biologickými funkciami.

Uskutočnila sa štúdia diferenciálnej génovej expresie (DE) v skupinách SepsisBSI a Sepsisnon-BSI s cieľom identifikovať ďalšie rozdiely medzi pacientmi so sepsou s infekciami v krvnom riečisku a periférnych miestach. Tím vyvinul univerzálny diagnostický klasifikátor sepsy založený na vzorcoch génovej expresie v plnej krvi v reakcii na praktickú požiadavku diagnostikovať sepsu u pacientov so sepsou BSI aj sepsou bez BSI. Tím použil stratégiu učenia Bagged Support Vector Machine (bSVM) na výber génov, ktoré najúspešnejšie odlíšili pacientov so sepsou (SepsisBSI a Sepsisnon-BSI) od pacientov bez sepsy (No-Sepsis).

Po sekvenovaní RNA od získaných pacientov, ktorých vzorky plazmy boli dostupné, sa určil medián 2,3 × 107 odčítaní. Okrem toho sa vykonala DE analýza, aby sa určilo, či by sa dal použiť biologicky hodnoverný signál na rozlíšenie pacientov so sepsou a bez nej.

Výsledky

Exacerbácia srdcového zlyhania, predávkovanie/otrava, zástava srdca a pľúcna embólia boli najčastejšie diagnostikované stavy v skupine bez sepsy. Bez ohľadu na podskupinu väčšina pacientov vyžadovala vazopresorickú podporu a mechanickú ventiláciu. Pacienti v SepsisBSI a Sepsisnon-BSI, ktorí mali dokázanú sepsu, nevykazovali žiadny rozdiel od pacientov bez sepsy vo veku, pohlaví, rase, etnickej príslušnosti, skóre APACHE III, imunodeficiencii, stave intubácie, maximálnej počte bielych krviniek alebo 28-dňovej mortalite. V skupine pacientov bez sepsy mali všetci pacienti okrem jedného dve alebo viac kritérií syndrómu systémovej zápalovej odpovede (SIRS).

Štúdia tiež zistila downreguláciu signálnych dráh spojených so spracovaním a transláciou ribozomálnej RNA, ako aj upreguláciu génov zapojených do vrodenej imunitnej signalizácie a degranulácie neutrofilov u pacientov so sepsou. Pomocou DE analýzy tím našiel 5 227 génov. Sepsa non-BSI kohorta ukázala obohatenie génov spojených s defensínmi, antimikrobiálnymi peptidmi a G-alfa signalizáciou, ako aj inými signálnymi dráhami. Na druhej strane, kohorta SepsisBSI ukázala obohatenie génov spojených okrem iného s imunoregulačnými interakciami medzi nelymfoidnými a lymfoidnými bunkami a signalizáciou CD28.

Model bSVM ukázal priemernú oblasť krížovej validácie pod krivkou prevádzkovej charakteristiky prijímača (ROC) (AUC) 0,81. Vzorky s počtom transkriptov pod prahom kontroly kvality (QC) mali nižšiu strednú vstupnú hmotnosť ako vzorky s dostatočným počtom.

Je zaujímavé, že ako biomarkery sepsy bolo identifikovaných množstvo odlišne exprimovaných génov, vrátane zvýšeného CD177, suprimovaného ľudského leukocytového antigénu-DR izotypu (HLA-DRA), čo naznačuje biologicky významný transkriptómový podpis z plazmatickej RNA. V skupine so sepsou bez BSI metagenomické sekvenovanie novej generácie (mNGS) plazmatickej deoxyribonukleovej kyseliny (DNA) odhalilo tri z ôsmich patogénov bakteriálnych infekcií močových ciest (UTI) a dva z 25 patogénov bakteriálnych infekcií dolných dýchacích ciest (LRTI). Žiadny z troch pacientov s ťažkou kolitídou spôsobenou C. difficile nemal tento patogén. Ďalšie potenciálne bakteriálne patogény neidentifikované kultiváciou sa našli u ôsmich zo 73 pacientov s potvrdenou sepsou.

Diplom

Celkovo výsledky štúdie ukázali, že spoľahlivá diagnostika sepsy je uľahčená kombináciou profilovania expresie hostiteľského génu s identifikáciou metagenomických patogénov z plazmatickej nukleovej kyseliny. Budúci výskum je potrebný na overenie a odhad terapeutického prínosu tejto diagnostickej stratégie nezávislej od kultúry.

Referencia:

• 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

.