nSeP: neonatale sepsis detecteren door middel van immuun-metabolische netwerkanalyse (nSeP)

Verschillende onderzoeken hebben aangetoond dat veranderingen in genexpressie van de gastheer presymptomatisch kunnen optreden als reactie op infectie in elk deel van het lichaam, waarbij de voortdurende interactie tussen bloed en weefsel ervoor zorgt dat bloedcellen als biosensoren voor de veranderingen kunnen werken (Manger en Relman, 2000 , Liew et al., 2006). Genoombrede analyse onthult gecoördineerde expressie die netwerken ontwikkelt die causaal verbonden zijn via paden.

Eerdere studies van onze groep die optimale methoden voor de bemonstering en extractie van neonatale volledige transcriptieproducten (RNA) onderzochten, toonden de eerste haalbaarheidsstudies aan voor het gebruik van genoombrede RNA-analyse als een methodologische benadering voor het identificeren van gastheer-biomarkers van infectie en vaccinatie in het vroege leven (Smith et al. al., 2007, Flanagan et al., 2013). De bemonsteringsmethoden zijn in 2015 verder verfijnd met de ontwikkeling van een single-drop-methodologie die uitgebreid is getest in een breed scala van omgevingen, waaronder het verzamelen van neonatale monsters thuis, op het punt van Guthrie-testen door vroedvrouwen. Details van deze methoden zijn onlangs ingediend bij het tijdschrift Nature Protocols. Verder hebben we in een vroeg stadium virtuele klinische onderzoeken uitgevoerd met behulp van een supercomputing-framework dat verschillende 100.000 neonatale volbloedmonsters simuleerde om infectie te voorspellen (Khondoker et al., 2010). Die onderzoeken toonden de noodzaak aan van meerdere markers en idealiter in afzonderlijke biologische routes die ten grondslag liggen aan causaliteit (Khondoker et al., 2010; Watterson en Ghazal, 2010). Die onderzoeken vormden een sterke basis voor het starten van een case-control van neonatale sepsis (Dickinson et al., 2015). Dienovereenkomstig waren wij de eerste groep die studies publiceerden waarin de systemische immuunrespons bij pasgeborenen op sepsis werd onderzocht door de activiteit van alle bekende menselijke genen te meten (Smith et al. Nature comm. 2014). Deze computerintensieve onderzoeken leidden tot het blootleggen, voor het eerst, van de wegbiologie die ten grondslag ligt aan neonatale sepsis met bloedmonsters die werden genomen bij de eerste klinische tekenen van een vermoeden van een infectie. Een combinatie van machinaal leren, statistische en analyses van diepe padbiologie leidde tot de identificatie van een panel van 52 genen van biologisch verbonden netwerkmodules. De modules omvatten drie centrale routes, aangeboren immuun of inflammatoir, adaptief immuun en onverwacht metabolisch. De expressieniveaus van bepaalde combinaties van biomarkers, en in het bijzonder die van een pad dat voorheen niet verbonden was met immuunresponsen, geeft een ongewoon hoge diagnostische kwaliteit. Ondanks de heterogeniteit van de patiënt had het dubbele biomarkernetwerk met 52 knooppunten een nauwkeurigheid van meer dan 99% voor het detecteren van bacteriële infecties met een gevoeligheid van 100%, wat superieure prestaties aantoont ten opzichte van eerder gekarakteriseerde markers. Bovendien maakten deze specifieke combinaties van biomarkers de detectie mogelijk van neonatale sepsis in monsters die negatieve bloedkweekresultaten vertoonden, wat de specifieke diagnostische voordelen van de specifieke combinaties van biomarkers illustreerde. De onverwacht hoge nauwkeurigheids- en gevoeligheidswaarden konden niet het resultaat zijn van het onderzoek van een van de individuele biomarkers alleen, noch konden ze worden voorspeld. Een cruciaal onderdeel van deze bevindingen is de vereiste van metabole routes voor het verhogen van zowel de gevoeligheid als de specificiteit. Een subset van de metabole markers omvat liganden (met name vetzuren met een kleine en middellange keten) die zijn afgeleid van het microbiële metabolisme, met name van commensalen, en die worden weerspiegeld in het fecale microbioom. Tot op heden bieden deze onderzoeken een proof of concept, maar er zijn onafhankelijke bevestigende onderzoeken nodig, evenals het onderzoeken van de specificiteit tegen niet-bacteriële (virale en schimmel) infecties en steriele ontstekingen. De urgente onbeantwoorde medische vraag is of voorspellende infectieroutes van de gastheer kunnen worden gebruikt om eerst vast te stellen of een patiënt is geïnfecteerd bij of vóór de klinische presentatie en om verder onderscheid te maken tussen het type infectie (in het bijzonder bacterieel of viraal) en de voorspelbaarheid van sepsis.