Metagenomisk studie i parapneumonisk effusjon

Parapneumonisk effusjon (PPE) er et vanlig og alvorlig klinisk problem. Blant pasienter som lider av samfunnservervet lungebetennelse, ville opptil 57 % av dem utvikle parapneumonisk effusjon (PPE), og 7,2 % ville utvikle komplisert parapneumonisk effusjon (CPPE) og empyem. De to sistnevnte, samlet kjent som pleurainfeksjon, er assosiert med lange sykehusopphold, høye innleggelsesrater for intensivavdelinger, alvorlig sykelighet og dødelighet.

Hjørnesteinen for behandling av pleurainfeksjon er rettidig administrering av passende antibiotika og tilstrekkelig drenering av pleuralvæske. Imidlertid er det første valget av antibiotika nesten alltid empirisk, og kan bare justeres ved retur av positive mikrobiologiske resultater fra pleuravæsken eller relevante prøver. Faktisk har den utilstrekkelige forståelsen av lokal bakteriologi, legemiddelresistensmønster og mangelen på lokal veiledning om empirisk antibiotikadekning for pleurainfeksjon ført til heterogen reseptatferd for antibiotika, som er en betydelig risikofaktor for fremveksten av medikamentresistens (f. forekomst av meticillin-resistente Staphylococcus aureus), komplikasjoner av antibiotikabehandlinger (f.eks. Clostridium difficile-infeksjoner) og ugunstige pasientutfall.

Konvensjonell kultur av pleural effusjon har blitt ansett som en viktig del av behandlingsalgoritmen, men den har to kritiske ulemper som kan begrense klinisk behandling:

1. Lang behandlingstid Selv om Gram-fargeresultatene vanligvis kan være tilgjengelige innen én dag, kommer de endelige kulturresultatene og antimikrobiell følsomhetsmønster først tilbake etter opptil fem dager. I tilfelle pleurainfeksjonen ikke er under kontroll mens de venter på kulturresultatene, vil leger blindt eskalere dekningen av antibiotika eller gå videre til ytterligere pleuraintervensjoner, noe som kan unngås hvis de mikrobiologiske resultatene kan være tilgjengelige tidlig. Den forsinkede returen av medikamentfølsomhetsmønsteret kan føre til den første bruken av uenige antibiotika, noe som skjedde hos 17 til 24 % av pasientene i to lokale kohorter
2. Negativ pleuravæskekultur er vanlig ved pleurainfeksjon Opptil 40 % av pleuravæsken ved pleurainfeksjon klarte ikke å avsløre noen mikroorganisme ved konvensjonell kultur, på grunn av manglende dyrking av kresne organismer og antibiotikabehandling før prøvetaking av pleuravæske. Vår studiegruppe har funnet ut at 88 % av pasientene med empyem mottok empirisk antibiotika før noen pleural intervensjon, noe som reflekterte praksisen i den virkelige verden. Selv om inokulering av pleuravæske i en blodkulturflaske kan øke kulturutbyttet ved pleurainfeksjon med 20 %, er det fortsatt langt fra tilfredsstillende i klinisk praksis. I tillegg er den mikrobiologiske opparbeidingen av ikke-respiratoriske prøver ofte ikke informativ. Bruken av antibiotika gjennom hele behandlingsforløpet er altså rent empirisk hos de pasientene med kulturnegativ pleurainfeksjon. For å overvinne dette problemet og den ofte polymikrobielle naturen til infeksjonene, anbefales det for tiden svært bredspektrede midler. Tvert imot har mangel på bakteriekulturinformasjon med utilstrekkelig antibiotikadekning vært assosiert med økt dødelighet.

Ikke-kulturmolekylære studier har blitt brukt for å overvinne manglene til konvensjonell kultur det siste tiåret, for å karakterisere spekteret av bakterier i pleurainfeksjon og antibiotikaresistensmønsteret i løpet av kort tid og informere korrekte kliniske beslutninger. Multipleks PCR (polymerasekjedereaksjon) sekvensering med et lungebetennelsespanel er i stand til å identifisere bakterier som ofte er involvert i lungebetennelse. Etiologien til pleurainfeksjon er imidlertid ikke fullstendig en replikat av fellesskapservervet lungebetennelse, og begrenser dermed nytten. 16S ribosomal ribonukleinsyre (rRNA) gensekvensering overgår den konvensjonelle kulturmetoden ved å identifisere flere bakterier, spesielt anaerobe, i pleuravæsken. Det gir en høykapasitets og kostnadseffektiv løsning for å screene mikrobiotasamfunnet for kliniske prøver med lav bakteriell biomasse og/eller høy vertsgenomisk kontaminering. Imidlertid har det en begrensning i å oppdage mikrobiom på artsnivå og kan introdusere PCR-skjevheter som maskerer den sanne samfunnssammensetningen. Dyrhovden R et al utførte den første metagenomiske sekvenseringsanalysen i Norge for å forstå spekteret av bakteriologi ved bekreftet empyem. De identifiserte 385 bakterielle deteksjoner, mens kultur oppdaget 38 (10%) og 16S rRNA-gen PCR/Sanger-basert sekvensering oppdaget 87 (23%) hos 64 pasienter med empyem. Slike funn bekreftet ulempen med den konvensjonelle kulturmetoden og bredere dekning av antibiotika er nødvendig for behandling av pleurainfeksjon. Denne metagenomiske studien var imidlertid retrospektiv, dekket kun pasienter med empyem og reflekterte ikke hele spekteret av pleurainfeksjon. Chen et al benyttet en metagenomisk sekvenseringsstudie med funksjonell analyse og identifiserte to distinkte mikrobiomklynger ved pleurainfeksjon, Staphylococcus aureus som kjernearten (HA-SA type) og et mer mangfoldig mikrobielt samfunn (LA-SA type), som er forskjellig fra det vanlige bakteriologiske mønsteret funnet i Hong Kong-studier. De identifiserte også resistomet til bakterier, inkludert tetracyklin- og beta-laktamresistens, som er viktig for å veilede riktig antibiotikakur i den innledende behandlingsfasen. Tolkningen av disse to studiene var begrenset fordi forfatterne ikke korrelerte de mikrobiologiske resultatene med pasientens kliniske utfall. Nylig bekreftet Kanellakis et al den overveiende polymikrobielle naturen til pleurainfeksjon ved 16S rRNA metagenomisk sekvenseringsanalyse, med et mangfoldig bakteriespekter. De identifiserte også et distinkt bakteriologisk spektrum i polymikrobielle og monomikrobielle tilfeller og korrelerte bakteriologien med kliniske utfall.

Gitt det faktum at geografiske forskjeller i bakteriologi av pleural infeksjon kan eksistere og tidligere studier ikke oversatte moderne molekylære sekvenseringsteknologier for å raffinere den innledende antibiotikabruken, er en lokal prospektiv studie som kobler sammen laboratorie- og kliniske funn ved bruk av bredere metagenomiske sekvenseringsmetoder. Vi antar at 16S rRNA-genet amplikon og hagle metagenomisk sekvensering har en høyere deteksjonshastighet av bakterier i pleuravæsken og identifisering av antibiotikaresistensmønstre enn konvensjonell kultur hos pasienter med pleurainfeksjon. Resultatene fra de to molekylære sekvenseringsmetodene er komplementære og kan veilede den første antibiotikabehandlingen, minimere fremveksten av medikamentresistens, korrelere det mikrobiologiske spekteret med de kliniske resultatene og forberede en storskala studie over hele territoriet ved å inkorporere molekylær teknologi i behandling av pleurainfeksjon. Den korte behandlingstiden gjør også denne teknologien attraktiv for leger og til syvende og sist til fordel for pasienten ved å forbedre kvaliteten på behandlingen. Siden den diagnostiske ytelsen, de tekniske kravene og kostnadene for de to molekylære sekvenseringsmetodene er forskjellige, vil denne studien gi grunnleggende informasjon og veilede bruken av dem i kliniske omgivelser.

Patogenesen til fellesskapservervet pleurainfeksjon er kontroversiell. Den konvensjonelle troen på transmigrasjon av bakterier gjennom lungeparenkymet til pleurahulen ble utfordret av (1) forskjellige spekter av forårsakende patogener for lungebetennelse og pleurainfeksjon, (2) fraværet av radiologiske bevis på lungebetennelse, og (3) anaerobe er ofte finnes i pleuravæskekultur, men er uvanlig i normalt lungeparenkym på grunn av høy oksygenspenning. Derfor er det å forstå den ultimate kilden til patogener og forstå hvordan de kommer inn i pleurarommet et kritisk skritt for å forebygge og behandle pleurainfeksjon. Foreløpig er det svært begrenset bevis som assosierer mikrobiotaen i pleuralvæsken til pleurainfeksjon, og de i munnhulen og mage-tarmkanalen.

Målet med studien er å karakterisere hele spekteret av forårsakende bakterier i pleurainfeksjon og sammenligne den diagnostiske ytelsen for å identifisere patogenene mellom konvensjonell kultur, 16S rRNA-genamplikon og metagenomisk sekvensering av hagle. Det antimikrobielle resistensmønsteret til forårsakende bakterier, kliniske utfall av pleurainfeksjon vil også bli sammenlignet mellom grupper som kategorisert etter bakteriologimønsteret identifisert ved forskjellige metoder.