Die Kombination von Genexpressionsprofilen des Wirts und dem Nachweis metagenomischer Krankheitserreger aus Plasma-Nukleinsäure ermöglicht eine genaue Sepsis-Diagnose

In einer aktuellen Studie veröffentlicht in Naturmikrobiologieentwickelten Forscher eine integrierte Wirt-Mikroben-Plasma-Metagenomik, um die Sepsis-Diagnose zu erleichtern.

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

Hintergrund

Sepsis ist für 20 % aller Todesfälle weltweit und 20 bis 50 % aller Krankenhaustodesfälle in den Vereinigten Staaten verantwortlich. Für eine rechtzeitige und wirksame Antibiotikatherapie, die für das Überleben einer Sepsis entscheidend ist, ist die Ersterkennung und Identifizierung mikrobieller Infektionen erforderlich. Allerdings werden in mehr als 30 % der Fälle keine ätiologischen Erreger nachgewiesen. Die Unterscheidung zwischen Sepsis und nichtinfektiösen systemischen Erkrankungen ist wichtig, da diese während des Krankenhausaufenthalts häufig klinisch ähnlich erscheinen.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie entwickelten die Forscher ein Sepsis-Diagnosetool, das die Transkriptionsprofilierung des Wirts mit einer umfassenden Identifizierung von Krankheitserregern kombiniert.

In zwei Krankenhäusern der Tertiärversorgung führte das Team eine prospektive Beobachtungsuntersuchung kritisch kranker erwachsener Patienten durch, die von der Notaufnahme (ED) auf die Intensivstation (ICU) eingeliefert wurden. Die Patienten wurden basierend auf dem Vorliegen oder Fehlen einer Sepsis in fünf Untergruppen eingeteilt. Zu diesen Patienten gehörten diejenigen, die: (1) eine klinisch bestätigte Sepsis sowie eine bestätigte bakterielle Blutkreislaufinfektion (SepsisBSI) hatten; (2) klinisch bestätigte Sepsis sowie eine bestätigte Nicht-Blutstrom-Infektion (Sepsisnon-BSI); (3) Verdacht auf Sepsis, gekennzeichnet durch negative klinische mikrobiologische Tests (Sepsisverdacht); (4) Patienten ohne Anzeichen einer Sepsis und einer Erklärung für ihre kritische Erkrankung (keine Sepsis); oder (5) Patienten mit einem unbestimmten Status (Indeterm).

Durch die Durchführung einer Ribonukleinsäure (RNA)-Sequenzierung an Vollblutproben untersuchte das Team zunächst Transkriptionsvariationen zwischen Patienten mit klinisch und mikrobiologisch nachgewiesener Sepsis und solchen ohne Infektionssymptome. Eine Technik namens Gene Set Enrichment Analysis (GSEA) erkennt Cluster von Genen innerhalb eines Datensatzes mit verwandten biologischen Funktionen.

Eine Studie zur differenziellen Genexpression (DE) in den SepsisBSI- und Sepsisnon-BSI-Gruppen wurde durchgeführt, um weitere Unterschiede zwischen Sepsis-Patienten mit Infektionen im Blutkreislauf und peripheren Stellen zu identifizieren. Das Team entwickelte einen universellen Sepsis-Diagnoseklassifikator auf der Grundlage von Genexpressionsmustern im Vollblut als Reaktion auf die praktische Anforderung, Sepsis sowohl bei SepsisBSI- als auch bei Sepsisnon-BSI-Patienten zu diagnostizieren. Das Team nutzte eine Lernstrategie mit Bagged Support Vector Machine (bSVM), um die Gene auszuwählen, die Patienten mit Sepsis (SepsisBSI und Sepsisnon-BSI) und Patienten ohne Sepsis (No-Sepsis) am erfolgreichsten unterschieden.

Nach der Sequenzierung der RNA von erhaltenen Patienten, deren Plasmaproben verfügbar waren, wurde ein Median von 2,3 × 107 Messwerten ermittelt. Darüber hinaus wurde eine DE-Analyse durchgeführt, um festzustellen, ob ein biologisch plausibles Signal zur Unterscheidung von Patienten mit und ohne Sepsis verwendet werden kann.

Ergebnisse

Verschlimmerung der Herzinsuffizienz, Überdosierung/Vergiftung, Herzstillstand und Lungenembolie waren die am häufigsten diagnostizierten Erkrankungen in der No-Sepsis-Gruppe. Unabhängig von der Untergruppe benötigten die meisten Patienten eine Vasopressorunterstützung und mechanische Beatmung. Patienten im SepsisBSI und Sepsisnon-BSI, die eine nachgewiesene Sepsis hatten, zeigten keinen Unterschied zu Patienten ohne Sepsis in Bezug auf Alter, Geschlecht, Rasse, ethnische Zugehörigkeit, APACHE III-Score, Immunschwäche, Intubationsstatus, maximale Anzahl weißer Blutkörperchen oder 28 -Tagessterblichkeit. In der Gruppe der Patienten ohne Sepsis wiesen alle bis auf einen Patienten zwei oder mehr Kriterien des systemischen Entzündungsreaktionssyndroms (SIRS) auf.

Die Studie ergab auch die Herunterregulierung von Signalwegen, die mit der ribosomalen RNA-Verarbeitung und -Translation verbunden sind, sowie die Hochregulierung von Genen, die an der Signalübertragung des angeborenen Immunsystems und der Neutrophilen-Degranulation bei Sepsis-Patienten beteiligt sind. Mittels DE-Analyse fand das Team 5.227 Gene. Die Sepsisnon-BSI-Kohorte zeigte eine Anreicherung von Genen, die mit Defensinen, antimikrobiellen Peptiden und G-Alpha-Signalen sowie anderen Signalwegen assoziiert sind. Andererseits zeigte die SepsisBSI-Kohorte eine Anreicherung von Genen, die unter anderem mit immunregulatorischen Interaktionen zwischen nicht-lymphoiden und lymphoiden Zellen und der CD28-Signalübertragung verbunden sind.

Das bSVM-Modell zeigte einen mittleren Kreuzvalidierungsbereich unter der Receiver Operating Characteristic (ROC)-Kurve (AUC) von 0,81. Proben mit Transkriptzahlen, die unter dem Schwellenwert der Qualitätskontrolle (QC) lagen, hatten eine geringere mittlere Eingangsmasse als Proben mit ausreichenden Zählungen.

Interessanterweise wurde eine Reihe unterschiedlich exprimierter Gene als Sepsis-Biomarker identifiziert, darunter ein erhöhter CD177-Wert, der unterdrückte humane Leukozyten-Antigen-DR-Isotyp (HLA-DRA), was auf eine biologisch signifikante Transkriptomsignatur aus Plasma-RNA hinweist. In der Sepsisnon-BSI-Gruppe deckte die metagenomische Next-Generation-Sequencing (mNGS) von Plasma-Desoxyribonukleinsäure (DNA) drei von acht Erregern bakterieller Harnwegsinfektionen (UTI) und zwei von 25 Erregern bakterieller Infektionen der unteren Atemwege (LRTI) auf. Keiner der drei Patienten mit schwerer Kolitis durch C. difficile hatte diesen Erreger. Bei acht von 73 Patienten mit nachgewiesener Sepsis wurden zusätzliche potenzielle bakterielle Krankheitserreger gefunden, die nicht durch Kultur identifiziert wurden.

Abschluss

Insgesamt zeigten die Studienergebnisse, dass eine zuverlässige Sepsis-Diagnose durch die Kombination von Genexpressionsprofilen des Wirts mit der Identifizierung metagenomischer Pathogene aus Plasma-Nukleinsäure erleichtert wird. Zukünftige Forschung ist erforderlich, um den therapeutischen Nutzen dieser kulturunabhängigen Diagnosestrategie zu überprüfen und abzuschätzen.

Referenz:

• 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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