nSeP: Rilevamento della sepsi neonatale mediante analisi della rete immuno-metabolica (nSeP)

Diversi studi hanno dimostrato che i cambiamenti nell'espressione genica dell'ospite possono verificarsi in modo pre-sintomatico in risposta all'infezione in qualsiasi parte del corpo, con la continua interazione tra sangue e tessuto che consente alle cellule del sangue di agire come biosensori per i cambiamenti (Manger e Relman, 2000 , Liew et al., 2006). L'analisi dell'intero genoma rivela un'espressione coordinata che sviluppa reti collegate causalmente attraverso percorsi.

Precedenti studi del nostro gruppo che studiavano metodi ottimali per il campionamento e l'estrazione di interi prodotti di trascrizione neonatale (RNA) hanno dimostrato i primi studi di fattibilità per l'utilizzo dell'analisi dell'RNA dell'intero genoma come approccio metodologico per identificare i biomarcatori dell'ospite di infezione e vaccinazione nella prima infanzia (Smith et al. al., 2007, Flanagan et al., 2013). I metodi di campionamento sono stati ulteriormente perfezionati nel 2015 con lo sviluppo di una metodologia a goccia singola che è stata ampiamente testata in un'ampia gamma di contesti, inclusa la raccolta di campioni neonatali in casa, al punto di test Guthrie da parte delle ostetriche. I dettagli di questi metodi sono stati recentemente presentati alla rivista Nature Protocols. Inoltre, abbiamo condotto in anticipo studi clinici virtuali utilizzando un framework di supercalcolo che ha simulato diversi 100.000 campioni di sangue intero neonatale per prevedere l'infezione (Khondoker et al., 2010). Tali indagini hanno mostrato la necessità di più marcatori e idealmente in discreti percorsi biologici alla base della causalità (Khondoker et al., 2010, Watterson e Ghazal, 2010). Tali indagini hanno fornito una solida base per l'avvio di un caso-controllo della sepsi neonatale (Dickinson et al., 2015). Di conseguenza, siamo stati il ​​primo gruppo a pubblicare studi che studiano la risposta immunitaria sistemica nei neonati alla sepsi misurando l'attività di tutti i geni umani conosciuti (Smith et al Nature comm. 2014). Queste indagini computazionalmente intensive hanno portato a scoprire, per la prima volta, la biologia del percorso alla base della sepsi neonatale con campioni di sangue prelevati ai primi segni clinici di sospetta infezione. Una combinazione di machine learning, analisi statistiche e biologiche dei percorsi profondi ha portato all'identificazione di un pannello di 52 geni di moduli di rete biologicamente connessi. I moduli comprendono tre percorsi centrali, immunitario innato o infiammatorio, immunitario adattativo e inaspettatamente metabolico. I livelli di espressione di particolari combinazioni di biomarcatori, e in particolare quelli di un percorso precedentemente non connesso alle risposte immunitarie, conferiscono una qualità diagnostica insolitamente elevata. Nonostante l'eterogeneità dei pazienti, la rete a doppio biomarcatore a 52 nodi aveva un'accuratezza superiore al 99% per rilevare l'infezione batterica con una sensibilità del 100% che mostrava prestazioni superiori rispetto ai marcatori precedentemente caratterizzati. Inoltre, queste specifiche combinazioni di biomarcatori hanno permesso di rilevare la sepsi neonatale in campioni che avevano mostrato risultati negativi all'emocoltura, illustrando i vantaggi diagnostici specifici delle particolari combinazioni di biomarcatori. I valori inaspettatamente elevati di accuratezza e sensibilità non avrebbero potuto derivare dall'indagine di nessuno dei singoli biomarcatori da soli, né avrebbero potuto essere previsti. Una parte fondamentale di questi risultati è il requisito delle vie metaboliche per aumentare sia la sensibilità che la specificità. Un sottoinsieme dei marcatori metabolici comprende ligandi (in particolare acidi grassi a catena piccola e media) che derivano dal metabolismo microbico, in particolare dai commensali e che si riflettono nel microbioma fecale. Ad oggi questi studi forniscono una prova del concetto, ma necessitano di studi di conferma indipendenti, oltre a indagare la specificità contro le infezioni non batteriche (virali e fungine) e l'infiammazione sterile. L'urgente questione medica insoddisfatta è se i percorsi predittivi dell'infezione dell'ospite possano essere utilizzati per identificare innanzitutto se un paziente è infetto al momento o prima della presentazione clinica e, per discriminare ulteriormente tra il tipo di infezione (in particolare batterica o virale) e la prevedibilità della sepsi.