감염성 심내막염의 임상 메타게노믹스 (Meta-ENDO)

배경 및 근거 감염성 심내막염(IE)은 심장 판막의 감염입니다. IE는 주로 박테리아와 관련이 있으며 드물게는 곰팡이와 관련이 있습니다. IE는 매년 인구 100,000명당 1-12건의 발생률을 보이는 드문 질병입니다. IE의 진단은 기존의 방법이라고 하는 생물학적 샘플(혈액 배양 및 수술별 샘플) 수집과 세균학 실험실에서의 배양에 의존합니다.

19세기 말 파스퇴르 시대 이후 실질적으로 변하지 않은 이 과정은 실험실의 일반적인 조건에서 성장할 수 있는 박테리아의 유일한 검출을 허용하는 단점이 있습니다. 대부분의 병원성 박테리아가 그렇게 할 수 있는 경우 IE에 관여할 수 있는 일부 박테리아(예: Coxiella sp., Bartonella sp., Tropheryma whipplei)는 증식을 위해 매우 특정한 조건을 필요로 합니다. 또한, 샘플 수집 전에 환자가 항생제를 미리 섭취하면 샘플 배양에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. IE의 진단은 다양한 임상적 인자(발열, 미생물학적 위험 행동(양성 혈액 배양(들)), 혈청학(Coxiella burnettii의 경우), 초음파 검사(심장 내 종괴의 존재, 농양, 누출 및/또는 밸브의 삽입), 모두 IE의 확실성을 결정하는 중요하고 사소한 기준입니다. IE의 치료는 장기간의 항생제(대부분의 경우 4~6주)와 판막 수술(정확한 적응증에 따라)을 기반으로 합니다.

그러나 약 10%의 사례에서 혈액 배양은 음성으로 남아 있습니다. 이들은 음성 배양 IE로 알려져 있으며, 이는 샘플링 전에 복용한 항생제, 배양 불가능한 박테리아 또는 무균 현상으로 인한 것일 수 있습니다. 그런 다음 PCR에 의해 증폭한 다음 16S RNA 인코딩 유전자의 분획을 시퀀싱하는 것으로 구성된 광범위 PCR을 사용할 수 있습니다. 그것은 병원성 박테리아의 식별을 허용하지만 항생제에 대한 내성에 대한 정보는 제공하지 않습니다.

임상 metagenomics의 개념 임상 metagenomics는 병원체 식별 및 항균제에 대한 감수성 예측과 같은 임상 정보를 얻기 위해 특정 생물 정보학 분석에 뒤이은 NGS(high-throughput sequencing)를 적용하는 것으로 정의됩니다. 샘플의 메타게놈(즉, 존재하는 유기체의 모든 게놈)에는 사실상 세균학적 진단에 필요한 모든 정보가 포함되어 있습니다. 임상 metagenomics의 개념은 2000년대 중반에 도입된 새로운 DNA 시퀀싱 기술과 병행하여 발전했으며 Sanger가 설명한 시퀀싱 방법보다 처리량 측면에서 훨씬 효율적입니다. 이 개념은 매력적이지만 구현에는 여전히 많은 장애물이 있습니다. 첫째, 세균 감염의 임상 검체에는 일반적으로 고농도의 백혈구가 포함되어 있으며, 그 게놈은 세균보다 약 1000배 더 큽니다. 따라서 임상 metagenomics의 첫 번째 제한 단계는 시퀀싱을 위한 양질의 라이브러리를 준비할 수 있도록 충분한 박테리아 DNA를 확보해야 할 뿐만 아니라 이 맥락에서 시퀀싱이 불필요한 인간 DNA의 농도를 줄이는 것입니다. 방법을 사용할 수 있지만 임상 metagenomics 목적에 대한 평가가 필요합니다. 둘째, 미생물학자가 관리해야 하는 생물정보학 데이터의 복잡성은 사용자 친화적인 인터페이스와 함께 가능한 한 자동화된 데이터 활용을 요구하는데, 이는 오늘날 온라인 플랫폼이 개발되고 있는 경우에도 해당되지 않습니다. 서열의 분류학적 할당, 조립, 항생제 내성과 관련된 유전자 및 염색체 돌연변이의 식별, 내성 결정 인자와 숙주 박테리아 사이의 연결 설정은 임상 메타게놈학의 구현에 추가적인 장애물입니다. 마지막으로, 미생물학자가 이용할 수 있는 결과를 얻는 데 걸리는 시간이 감소하는 경향이 있다면, 이제 훨씬 더 높은 비용으로 배양 시간과 비교할 수 있습니다. 그러나 시퀀서 제조업체 간의 지속적인 경쟁은 지난 10년 동안 그랬던 것처럼 감소세를 유지해야 합니다.

IE에서 임상 metagenomics 사용의 관련성

따라서 IE 맥락에서 임상 메타게놈학을 사용하는 것은 다음과 같은 몇 가지 이유로 관련이 있는 것으로 보입니다.

• 대부분의 IE는 우리의 예비 결과에 따라 임상 metagenomics의 우수한 성능을 지원하는 단일 미생물입니다.
• IE 상황에서 수행된 수술 중 샘플의 배양은 항생제 전처리 및/또는 병원체(예: Bartonella spp 또는 Coxiella spp.)의 일상적인 조건 하에서 배양되지 않아 음성으로 나타나 개선의 여지가 있습니다.
• IE의 치료는 항생제에 대한 병원체의 감수성에 따른 정확한 진단이 필요한 장기 치료이다. 배양에서 병원균이 발견되지 않으면 치료 실패 및 독성의 이중 위험이 있는 환자에게 광범위 항생제를 투여해야 합니다. 그러나 임상 metagenomics는 음성 배양의 경우에도 항생제 감수성에 대한 정보를 제공할 수 있습니다.
• 대부분의 경우 IE의 미생물학적 진단은 긴급 진단이 아니며, 이는 구현 시간이 기껏해야 48-72시간인 임상 metagenomics의 사용과 호환됩니다.

따라서 우리는 IE 진단에서 임상 metagenomics의 성능을 평가할 것을 제안합니다.