Клиническая метагеномика инфекционного эндокардита (Meta-ENDO)

Предыстория и обоснование Инфекционный эндокардит (ИЭ) представляет собой инфекцию сердечных клапанов. ИЭ поражает преимущественно бактерии, реже грибы. ИЭ является редким заболеванием с расчетной частотой 1-12 случаев на 100 000 жителей в год. Диагностика ИЭ основывается на сборе биологических образцов (культур крови и послеоперационных образцов) и их культивировании в бактериологической лаборатории, что называется традиционными методами.

Этот процесс, практически не изменившийся со времен Пастера в конце 19 века, имеет тот недостаток, что позволяет обнаруживать только те бактерии, которые можно выращивать в обычных лабораторных условиях. Если большинство патогенных бактерий могут это делать, то некоторым бактериям, которые могут быть вовлечены в ИЭ (например, Coxiella sp., Bartonella sp., Tropheryma whipplei), для размножения требуются очень специфические условия. Кроме того, предшествующий прием антибиотиков пациентом перед взятием образцов может негативно повлиять на посев образцов. Диагноз ИЭ ставится при рассмотрении целого ряда клинических аргументов (лихорадка, поведение, связанное с микробиологическим риском (положительные гемокультуры), серология (на Coxiella burnettii), эхография (наличие внутрисердечного образования, абсцесс, просачивание и/или выпадение клапана), все из которых являются второстепенными и основными критериями для определения достоверности ИЭ. Лечение ИЭ основано на длительном назначении антибиотиков (в большинстве случаев от 4 до 6 недель) и клапанной хирургии (по точным показаниям).

Однако примерно в 10% случаев посев крови остается отрицательным. Они известны как ИЭ с отрицательным посевом, что может быть связано с приемом антибиотиков перед взятием проб, некультивируемыми бактериями или асептическими явлениями. Затем можно использовать ПЦР широкого диапазона, которая состоит из амплификации с помощью ПЦР, а затем секвенирования фракции гена, кодирующего РНК 16S. Он позволяет идентифицировать патогенную бактерию, но не дает информации о приобретенной резистентности к антибиотикам.

Концепция клинической метагеномики Клиническая метагеномика определяется как применение высокопроизводительного секвенирования (NGS) с последующим специфическим биоинформационным анализом для получения клинической информации, т.е. идентификации патогенов и прогнозирования их чувствительности к противомикробным препаратам. Метагеном образца (т.е. все геномы присутствующих организмов) содержит практически всю информацию, необходимую для бактериологической диагностики: что такое/являются болезнетворными бактериями, и к каким антибиотикам они/они чувствительны. Концепция клинической метагеномики развивалась параллельно с новыми технологиями секвенирования ДНК, внедренными в середине 2000-х годов и гораздо более эффективными с точки зрения производительности, чем метод секвенирования, описанный Сэнгером. Хотя эта концепция привлекательна, на пути ее реализации все еще существует множество препятствий. Во-первых, клинические образцы от бактериальных инфекций обычно содержат высокую концентрацию лейкоцитов, геном которых примерно в 1000 раз больше, чем у бактерий. Таким образом, первым ограничивающим шагом для клинической метагеномики является необходимость получения достаточного количества бактериальной ДНК для подготовки качественных библиотек для секвенирования, а также для снижения концентрации человеческой ДНК, секвенирование которой в данном контексте не требуется. Методы доступны, но необходима их оценка для целей клинической метагеномики. Во-вторых, сложность биоинформатических данных, которыми должен управлять микробиолог, требует, чтобы данные использовались как можно более автоматизированно вместе с удобным интерфейсом, чего сегодня нет, даже если онлайн-платформы разрабатываются. Таксономическое отнесение последовательностей, их сборка, идентификация генов и хромосомных мутаций, связанных с антибиотикорезистентностью, а также установление связи между детерминантой резистентности и бактерией-хозяином являются дополнительными препятствиями для реализации клинической метагеномики. Наконец, если время, необходимое для получения результатов, которые могут быть использованы микробиологом, имеет тенденцию к уменьшению, теперь оно сравнимо со временем культивирования, но стоит гораздо дороже. Однако устойчивая конкуренция между производителями секвенаторов должна поддерживать их снижение, как это имело место в последнее десятилетие.

Актуальность использования клинической метагеномики при ИЭ

Таким образом, использование клинической метагеномики в контексте ИЭ кажется актуальным по нескольким причинам:

• Большинство ИЭ являются мономикробными, что, согласно нашим предварительным результатам, подтверждает хорошие результаты клинической метагеномики.
• Культура интраоперационных образцов, выполненная в контексте ИЭ, иногда бывает отрицательной из-за предварительной обработки антибиотиками и/или отсутствия культивирования в обычных условиях патогена (например, видов Bartonella или Coxiella spp.), что оставляет возможности для улучшения.
• Лечение ИЭ — длительное лечение, требующее точной диагностики в соответствии с чувствительностью возбудителей к антибиотикам. Если возбудитель не обнаружен в культуре, пациенту следует назначить антибиотики широкого спектра действия с двойным риском неэффективности лечения и токсичности. Однако клиническая метагеномика может предоставить информацию о чувствительности к антибиотикам даже в случае отрицательного результата посева.
• В большинстве случаев микробиологическая диагностика ИЭ не является экстренной диагностикой, что совместимо с применением клинической метагеномики, для которой время реализации составляет в лучшем случае 48-72 часа.

Следовательно, мы предлагаем оценить эффективность клинической метагеномики в диагностике ИЭ.