nSeP: Erkennung neonataler Sepsis durch immunmetabolische Netzwerkanalyse (nSeP)

Mehrere Studien haben gezeigt, dass Veränderungen in der Genexpression des Wirts präsymptomatisch als Reaktion auf eine Infektion in jedem Teil des Körpers auftreten können, wobei die kontinuierliche Interaktion zwischen Blut und Gewebe es Blutzellen ermöglicht, als Biosensoren für die Veränderungen zu fungieren (Manger und Relman, 2000). , Liew et al., 2006). Die genomweite Analyse zeigt eine koordinierte Expression, die Netzwerke entwickelt, die über Pfade kausal verbunden sind.

Frühere Studien unserer Gruppe, die optimale Methoden für die Probenahme und Extraktion von gesamten Transkriptionsprodukten (RNA) von Neugeborenen untersuchten, zeigten die ersten Machbarkeitsstudien für die Verwendung einer genomweiten RNA-Analyse als methodischen Ansatz zur Identifizierung von Wirtsbiomarkern für Infektionen und Impfungen im frühen Leben (Smith et al., 2007, Flanagan et al., 2013). Die Probenahmemethoden wurden 2015 mit der Entwicklung einer Einzeltropfenmethode weiter verfeinert, die in einer Vielzahl von Umgebungen umfassend getestet wurde, einschließlich der Sammlung neonataler Proben zu Hause, zum Zeitpunkt der Guthrie-Tests durch Hebammen. Einzelheiten zu diesen Methoden wurden kürzlich der Zeitschrift Nature Protocols vorgelegt. Darüber hinaus haben wir schon früh virtuelle klinische Studien mit einem Super-Computing-Framework durchgeführt, das mehrere 100.000 Vollblutproben von Neugeborenen simulierte, um Infektionen vorherzusagen (Khondoker et al., 2010). Diese Untersuchungen zeigten die Notwendigkeit mehrerer Marker und idealerweise in diskreten biologischen Signalwegen, die der Kausalität zugrunde liegen (Khondoker et al., 2010, Watterson und Ghazal, 2010). Diese Untersuchungen lieferten eine solide Grundlage für die Einleitung einer Fallkontrolle der Sepsis bei Neugeborenen (Dickinson et al., 2015). Dementsprechend waren wir die erste Gruppe, die Studien veröffentlichte, die die systemische Immunantwort bei Neugeborenen auf Sepsis untersuchten, indem sie die Aktivität aller bekannten menschlichen Gene maßen (Smith et al. Nature Comm. 2014). Diese rechenintensiven Untersuchungen führten zum ersten Mal dazu, die Signalwegbiologie aufzudecken, die der neonatalen Sepsis zugrunde liegt, und zwar anhand von Blutproben, die bei den ersten klinischen Anzeichen eines Infektionsverdachts entnommen wurden. Eine Kombination aus maschinellem Lernen, statistischen und Deep-Pathway-Biologieanalysen führte zur Identifizierung eines 52-Gen-Panels biologisch verbundener Netzwerkmodule. Die Module umfassen drei zentrale Signalwege: angeboren-immun oder entzündlich, adaptiv-immun und unerwartet metabolisch. Die Expressionsniveaus bestimmter Kombinationen von Biomarkern und insbesondere derjenigen eines Signalwegs, der zuvor nicht mit Immunantworten in Zusammenhang stand, sorgen für eine ungewöhnlich hohe diagnostische Qualität. Trotz der Heterogenität der Patienten wies das 52-Knoten-Dual-Biomarker-Netzwerk eine Genauigkeit von mehr als 99 % bei der Erkennung bakterieller Infektionen mit einer Sensitivität von 100 % auf und zeigte eine überlegene Leistung gegenüber zuvor charakterisierten Markern. Darüber hinaus ermöglichten diese spezifischen Kombinationen von Biomarkern den Nachweis einer Sepsis bei Neugeborenen in Proben, die in der Blutkultur negative Ergebnisse gezeigt hatten, was die spezifischen diagnostischen Vorteile der jeweiligen Kombinationen von Biomarkern verdeutlicht. Die unerwartet hohen Genauigkeits- und Sensitivitätswerte konnten weder aus der Untersuchung einzelner Biomarker allein resultieren, noch waren sie vorhersehbar. Ein entscheidender Teil dieser Erkenntnisse ist die Notwendigkeit, dass Stoffwechselwege sowohl die Empfindlichkeit als auch die Spezifität erhöhen. Eine Untergruppe der Stoffwechselmarker umfasst Liganden (insbesondere klein- und mittelkettige Fettsäuren), die aus dem mikrobiellen Stoffwechsel, insbesondere aus Kommensalen, stammen und sich im fäkalen Mikrobiom widerspiegeln. Bisher liefern diese Studien einen Machbarkeitsnachweis, erfordern jedoch unabhängige Bestätigungsstudien sowie die Untersuchung der Spezifität gegen nichtbakterielle (Virus- und Pilzinfektionen) und sterile Entzündungen. Die dringende, ungelöste medizinische Frage ist, ob prädiktive Wirtswege einer Infektion genutzt werden können, um zunächst festzustellen, ob ein Patient bei oder vor der klinischen Präsentation infiziert ist, und um weiter zwischen der Art der Infektion (insbesondere bakteriell oder viral) und der Vorhersagbarkeit einer Sepsis zu unterscheiden.