Infektoivan endokardiitin kliininen metagenomiikka (Meta-ENDO)

Tausta ja perusteet Infektiivinen endokardiitti (IE) on sydämen läppätulehdus. IE sisältää pääasiassa bakteereja, harvemmin sieniä. IE on harvinainen sairaus, jonka ilmaantuvuuden arvioidaan olevan 1-12 tapausta 100 000 asukasta kohti vuodessa. IE:n diagnostiikka perustuu biologisten näytteiden (veriviljelmien ja peroperatiivisten näytteiden) keräämiseen ja niiden viljelemiseen bakteriologian laboratoriossa, joita kutsutaan perinteisiksi menetelmiksi.

Tällä prosessilla, joka on käytännössä muuttumaton Pasteurin ajoista 1800-luvun lopulla, on se haittapuoli, että se mahdollistaa ainoan havaitsemisen bakteereista, joita voidaan kasvattaa tavallisissa laboratorioolosuhteissa. Jos useimmat patogeeniset bakteerit pystyvät siihen, jotkin IE:hen mahdollisesti osallistuvat bakteerit (esim. Coxiella sp., Bartonella sp., Tropheryma whipplei) vaativat hyvin erityisiä olosuhteita lisääntyäkseen. Lisäksi se, että potilas on ottanut antibiootteja ennen näytteenottoa, voi vaikuttaa negatiivisesti näytteiden viljelyyn. IE-diagnoosi saadaan ottamalla huomioon useita kliinisiä perusteita (kuume, mikrobiologinen riskikäyttäytyminen (positiivinen veriviljely), serologia (Coxiella burnettii), kaikukuvaus (sydämensisäinen massa, paise, vuoto ja/tai venttiilin irrotus), jotka kaikki ovat pieniä ja tärkeitä kriteerejä IE:n varmuuden määrittämisessä. IE:n hoito perustuu pitkäkestoiseen antibioottikuuriin (useimmissa tapauksissa 4-6 viikkoa) ja läppäkirurgiaan (tarkkojen indikaatioiden mukaan).

Noin 10 %:ssa tapauksista veriviljelmät jäävät kuitenkin negatiivisiksi. Nämä tunnetaan negatiivisena viljelmänä IE, joka voi johtua ennen näytteenottoa otetuista antibiooteista, ei-viljeltävissä bakteereista tai aseptisista ilmiöistä. Tämän jälkeen voidaan käyttää laaja-alaista PCR:ää, joka koostuu monistamisesta PCR:llä ja sitten sekvensoimalla fraktio 16S RNA:ta koodaavasta geenistä. Se mahdollistaa patogeenisen bakteerin tunnistamisen, mutta ei anna tietoa saadusta antibioottiresistenssistä.

Kliinisen metagenomiikan käsite Kliininen metagenomiikka määritellään korkean suorituskyvyn sekvensoinnin (NGS) soveltamiseksi, jota seuraa spesifinen bioinformatiikkaanalyysi kliinisen tiedon saamiseksi, eli patogeenien tunnistaminen ja niiden herkkyyden ennustaminen mikrobilääkkeille. Näytteen metagenomi (esim. kaikki läsnä olevien organismien genomit) sisältää käytännössä kaiken bakteriologiseen diagnoosiin tarvittavan tiedon: mitkä ovat patogeeniset bakteerit ja mille antibiooteille se/he ovat herkkiä. Kliinisen metagenomiikan käsite on kehittynyt rinnakkain 2000-luvun puolivälissä käyttöön otettujen uusien DNA-sekvensointitekniikoiden kanssa ja paljon tehokkaampi suoritustehon suhteen kuin Sangerin kuvaama sekvensointimenetelmä. Vaikka tämä konsepti on houkutteleva, sen toteuttamiselle on edelleen monia esteitä. Ensinnäkin bakteeri-infektioista saadut kliiniset näytteet sisältävät yleensä suuren pitoisuuden leukosyyttejä, joiden genomi on noin 1000 kertaa suurempi kuin bakteerien genomi. Näin ollen ensimmäinen kliinisen metagenomiikan rajoittava vaihe on tarve saada riittävästi bakteeri-DNA:ta mahdollistamaan laadukkaiden kirjastojen valmistaminen sekvensointia varten, mutta myös vähentää sellaisen ihmisen DNA:n pitoisuutta, jonka sekvensointi on tässä yhteydessä tarpeetonta. Menetelmiä on saatavilla, mutta niiden arviointi kliinisen metagenomiikan kannalta on välttämätöntä. Toiseksi mikrobiologin hallinnoiman bioinformatiikan datan monimutkaisuus edellyttää tietojen hyödyntämistä mahdollisimman automatisoidusti yhdessä käyttäjäystävällisen käyttöliittymän kanssa, mitä ei nykyään tehdä, vaikka verkkoalustoja kehitettäisiin. Sekvenssien taksonominen jakaminen, niiden kokoaminen, antibioottiresistenssiin liittyvien geenien ja kromosomimutaatioiden tunnistaminen sekä resistenssin determinantin ja isäntäbakteerin välisen yhteyden muodostaminen ovat lisäesteitä kliinisen metagenomiikan toteuttamiselle. Lopuksi, jos aika, joka kuluu mikrobiologin hyödyntämien tulosten saamiseen, pyrkii lyhenemään, se on nyt verrattavissa viljelyyn paljon korkeammalla hinnalla. Jatkuvan kilpailun sekvensserivalmistajien välillä pitäisi kuitenkin säilyttää laskunsa, kuten viime vuosikymmenen aikana on tapahtunut.

Kliinisen metagenomiikan käytön merkitys IE:ssä

Kliinisen metagenomiikan käyttö IE:n yhteydessä näyttää siksi merkitykselliseltä useista syistä:

• Useimmat IE:t ovat monomikrobisia, jotka tukevat kliinisen metagenomiikan hyvää suorituskykyä alustavien tulostemme mukaan.
• Intraoperatiivisten näytteiden viljely IE-kontekstissa on joskus negatiivinen johtuen antibioottisesta esikäsittelystä ja/tai viljelemättä jättämisestä taudinaiheuttajan rutiiniolosuhteissa (esim. Bartonella spp. tai Coxiella spp.), mikä jättää parantamisen varaa.
• IE:n hoito on pitkäkestoista hoitoa, joka vaatii tarkan diagnoosin patogeenien antibioottiherkkyyden mukaan. Jos taudinaiheuttajaa ei löydy viljelmästä, potilaalle tulee antaa laajakirjoisia antibiootteja, jolloin hoidon epäonnistumisen ja toksisuuden riski on kaksinkertainen. Kliininen metagenomiikka voisi kuitenkin tarjota tietoa antibioottiherkkyydestä myös negatiivisen viljelmän tapauksessa.
• Useimmissa tapauksissa IE:n mikrobiologinen diagnoosi ei ole hätädiagnoosi, mikä on yhteensopiva kliinisen metagenomiikan käytön kanssa, jonka toteutusaika on parhaimmillaan 48-72h.

Siksi ehdotamme kliinisen metagenomiikan suorituskyvyn arvioimista IE:n diagnosoinnissa.