Kombinationen av värdgenexpressionsprofiler och metagenomisk patogendetektion från plasmanukleinsyra möjliggör noggrann sepsisdiagnos

Kombinationen av värdgenexpressionsprofiler och metagenomisk patogendetektion från plasmanukleinsyra möjliggör noggrann sepsisdiagnos

I en nyligen publicerad studie publicerad i Naturlig mikrobiologi Forskare utvecklade integrerad värd-mikrob-plasma-metagenomik för att underlätta sepsisdiagnostik.

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

bakgrund

Sepsis står för 20 % av alla dödsfall i världen och 20 till 50 % av alla sjukhusdödsfall i USA. Initial upptäckt och identifiering av mikrobiella infektioner är nödvändig för snabb och effektiv antibiotikabehandling, vilket är avgörande för överlevnad från sepsis. I mer än 30 % av fallen upptäcks dock inga etiologiska patogener. Det är viktigt att skilja mellan sepsis och icke-infektiösa systemiska sjukdomar eftersom de ofta verkar kliniskt lika under sjukhusvistelse.

Om studien

I den aktuella studien utvecklade forskarna ett diagnostiskt verktyg för sepsis som kombinerar värdtranskriptionell profilering med omfattande patogenidentifiering.

På två sjukhus för tertiärvård genomförde teamet en prospektiv observationsstudie av kritiskt sjuka vuxna patienter som tagits in från akutmottagningen (ED) till intensivvårdsavdelningen (ICU). Patienterna delades in i fem undergrupper baserat på förekomst eller frånvaro av sepsis. Dessa patienter inkluderade de som: (1) hade kliniskt bekräftad sepsis såväl som bekräftad bakteriell blodomloppsinfektion (SepsisBSI); (2) kliniskt bekräftad sepsis och bekräftad icke-blodströmsinfektion (sepsis icke-BSI); (3) misstänkt sepsis, kännetecknad av negativa kliniska mikrobiologiska tester (misstänkt sepsis); (4) patienter utan tecken på sepsis och en förklaring till deras kritiska sjukdom (ingen sepsis); eller (5) patienter med en obestämd status (Indeterm).

Genom att utföra ribonukleinsyra (RNA) sekvensering på helblodsprover, undersökte teamet först transkriptionella variationer mellan patienter med kliniskt och mikrobiologiskt bevisad sepsis och de utan symtom på infektion. En teknik som kallas Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) upptäcker kluster av gener i en datamängd med relaterade biologiska funktioner.

En studie med differentiell genuttryck (DE) i SepsisBSI- och Sepsisnon-BSI-grupperna genomfördes för att identifiera ytterligare skillnader mellan sepsispatienter med infektioner i blodomloppet och perifera platser. Teamet utvecklade en universell sepsis diagnostisk klassificerare baserad på genuttrycksmönster i helblod som svar på det praktiska kravet att diagnostisera sepsis hos både sepsisBSI och sepsis icke-BSI patienter. Teamet använde en inlärningsstrategi för Bagged Support Vector Machine (bSVM) för att välja de gener som mest framgångsrikt särskiljde patienter med sepsis (SepsisBSI och Sepsisnon-BSI) från patienter utan sepsis (No-Sepsis).

Efter sekvensering av RNA från erhållna patienter vars plasmaprover fanns tillgängliga, bestämdes en median på 2,3 × 107 avläsningar. Dessutom utfördes DE-analys för att avgöra om en biologiskt rimlig signal kunde användas för att särskilja patienter med och utan sepsis.

Resultat

Förvärring av hjärtsvikt, överdos/förgiftning, hjärtstillestånd och lungemboli var de vanligast diagnostiserade tillstånden i gruppen utan sepsis. Oavsett undergrupp krävde de flesta patienter vasopressorstöd och mekanisk ventilation. Patienter i SepsisBSI och Sepsisnon-BSI som hade påvisat sepsis visade ingen skillnad från patienter utan sepsis i ålder, kön, ras, etnicitet, APACHE III-poäng, immunbrist, intubationsstatus, maximalt antal vita blodkroppar eller 28-dagars mortalitet. I gruppen patienter utan sepsis hade alla utom en patient två eller flera kriterier för systemiskt inflammatoriskt svarssyndrom (SIRS).

Studien fann också nedreglering av signalvägar associerade med ribosomal RNA-bearbetning och translation, såväl som uppreglering av gener involverade i medfödd immunsignalering och neutrofil degranulering hos sepsispatienter. Med hjälp av DE-analys fann teamet 5 227 gener. Sepsis icke-BSI-kohorten visade anrikning av gener associerade med defensiner, antimikrobiella peptider och G-alfa-signalering, såväl som andra signalvägar. Å andra sidan visade SepsisBSI-kohorten en anrikning av gener associerade med bland annat immunreglerande interaktioner mellan icke-lymfoida och lymfoida celler och CD28-signalering.

bSVM-modellen visade ett genomsnittligt korsvalideringsområde under mottagarens operationskarakteristik (ROC) kurva (AUC) på 0,81. Prover med transkriptantal under kvalitetskontrolltröskeln (QC) hade en lägre medelinmatningsmassa än prover med tillräckligt antal.

Intressant nog har ett antal differentiellt uttryckta gener identifierats som sepsisbiomarkörer, inklusive förhöjd CD177, undertryckt human leukocytantigen-DR-isotyp (HLA-DRA), vilket indikerar en biologiskt signifikant transkriptomsignatur från plasma-RNA. I sepsis icke-BSI-gruppen avslöjade metagenomisk nästa generations sekvensering (mNGS) av plasmadeoxiribonukleinsyra (DNA) tre av åtta patogener av bakteriella urinvägsinfektioner (UTI) och två av 25 patogener av bakteriella nedre luftvägsinfektioner (LRTI). Ingen av de tre patienterna med svår kolit orsakad av C. difficile hade denna patogen. Ytterligare potentiella bakteriella patogener som inte identifierats genom odling hittades hos åtta av 73 patienter med bekräftad sepsis.

Diplom

Sammantaget visade studieresultat att tillförlitlig sepsisdiagnos underlättas genom att kombinera värdgenexpressionsprofilering med identifiering av metagenomiska patogener från plasmanukleinsyra. Framtida forskning behövs för att verifiera och uppskatta den terapeutiska fördelen med denna kulturoberoende diagnostiska strategi.

Hänvisning:

• 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

.