Clinical Metagenomics of Infective Endokardit (Meta-ENDO)

Bakgrund och motivering Infektiös endokardit (IE) är en infektion i hjärtklaffarna. IE involverar främst bakterier, mer sällan svampar. IE är en ovanlig sjukdom med en uppskattad incidens på 1-12 fall per 100 000 invånare och år. Diagnostiken av IE bygger på insamling av biologiska prover (blodkulturer och peroperativa prover) och deras odling i det bakteriologiska laboratoriet, så kallade konventionella metoder.

Denna process, praktiskt taget oförändrad sedan Pasteurs tid i slutet av 1800-talet, har den nackdelen att den tillåter den enda detekteringen av bakterierna som kan odlas under de vanliga förhållandena i ett laboratorium. Om de flesta patogena bakterier kan göra det, kräver vissa bakterier som kan vara involverade i IE (t.ex. Coxiella sp., Bartonella sp., Tropheryma whipplei) mycket specifika förhållanden för att föröka sig. Dessutom kan patientens tidigare intag av antibiotika innan provtagningen påverka odlingen av proverna negativt. Diagnosen IE framkallas genom att överväga en rad kliniska argument (feber, mikrobiologiskt riskbeteende (positiva blododling(er), serologi (för Coxiella burnettii), ekografi (närvaro av en intrakardiell massa, abscess, läckage och/eller desinsertion av en ventil), som alla är mindre och större kriterier för att bestämma säkerheten för IE. Behandlingen av IE baseras på långvarig antibiotikabehandling (4 till 6 veckor i de flesta fall) och klaffkirurgi (enligt exakta indikationer).

I cirka 10 % av fallen förblir blododlingarna dock negativa. Dessa är kända som negativ kultur IE, vilket kan bero på antibiotika som tagits före provtagning, på icke-odlingsbara bakterier eller på aseptiska fenomen. Den breda PCR som består av amplifiering med PCR och sedan sekvensering av en del av den 16S RNA-kodande genen kan sedan användas. Den möjliggör identifiering av den patogena bakterien, men ger ingen information om eventuell resistens mot antibiotika.

Begreppet klinisk metagenomik Klinisk metagenomik definieras som tillämpningen av high-throughput sekvensering (NGS) följt av en specifik bioinformatisk analys för att erhålla klinisk information, d.v.s. patogenidentifiering och förutsägelse av deras mottaglighet för antimikrobiella medel. Metagenomet för ett prov (dvs. alla genom från de närvarande organismerna) innehåller praktiskt taget all information som behövs för bakteriologisk diagnos: vad är/är de patogena bakterierna och vilka antibiotika de är mottagliga för. Konceptet med klinisk metagenomik har utvecklats parallellt med de nya DNA-sekvenseringsteknologier som introducerades i mitten av 2000-talet och mycket effektivare vad gäller genomströmning än den sekvenseringsmetod som Sanger beskrev. Även om detta koncept är attraktivt, finns det fortfarande många hinder för dess genomförande. För det första innehåller kliniska prover från bakterieinfektioner vanligtvis en hög koncentration av leukocyter, vars genom är cirka 1000 gånger större än bakteriers. Således är det första begränsande steget för klinisk metagenomik behovet av att erhålla tillräckligt med bakteriellt DNA för att möjliggöra framställning av kvalitetsbibliotek för sekvensering, men också för att minska koncentrationen av humant DNA vars sekvensering är onödig i detta sammanhang. Metoder finns tillgängliga men deras utvärdering för kliniska metagenomiska ändamål är nödvändig. För det andra kräver komplexiteten i bioinformatikdata som ska hanteras av en mikrobiolog att data utnyttjas så automatiserat som möjligt tillsammans med ett användarvänligt gränssnitt, vilket inte är fallet idag även om onlineplattformar utvecklas. Den taxonomiska tilldelningen av sekvenser, deras sammansättning, identifieringen av gener och kromosomala mutationer associerade med antibiotikaresistens, och upprättandet av en koppling mellan resistensdeterminanten och värdbakterien är ytterligare hinder för implementeringen av klinisk metagenomik. Slutligen, om tiden det tar att erhålla resultat som kan utnyttjas av mikrobiologen tenderar att minska, är den nu jämförbar med den för odling, till en mycket högre kostnad. Ihållande konkurrens mellan tillverkare av sequencer bör dock behålla sin nedgång, vilket har varit fallet under det senaste decenniet.

Relevans av användningen av klinisk metagenomik i IE

Användningen av klinisk metagenomik i samband med IE verkar därför relevant av flera skäl:

• De flesta IE är monomikrobiella, vilket stöder den goda prestandan av klinisk metagenomik enligt våra preliminära resultat.
• Odlingen av intraoperativa prover som utförs i ett IE-sammanhang är ibland negativ, på grund av antibiotikaförbehandling och/eller icke-odling under patogenens rutinförhållanden (t.ex. Bartonella spp eller Coxiella spp.), vilket ger utrymme för förbättringar.
• Behandlingen av IE är en långtidsbehandling som kräver noggrann diagnos i enlighet med patogeners känslighet för antibiotika. Om patogenen inte hittas i odling bör bredspektrumantibiotika ges till patienten med dubbel risk för behandlingsmisslyckande och toxicitet. Klinisk metagenomik skulle dock kunna ge information om antibiotikakänslighet även vid negativ odling.
• I de flesta fall är den mikrobiologiska diagnosen IE inte en nöddiagnos, vilket är kompatibelt med användningen av klinisk metagenomik där implementeringstiden i bästa fall är 48-72 timmar.

Därför föreslår vi att bedöma prestandan hos klinisk metagenomik vid diagnostik av IE.