Infekcje dolnych dróg oddechowych, które obejmują takie schorzenia jak zapalenie płuc, od dawna stanowią główną przyczynę zgonów spowodowanych czynnikami zakaźnymi oraz główną przyczynę zgonów dzieci na całym świecie. Jednak pomimo swojej powszechności, infekcje te są trudne do skutecznego leczenia przez lekarzy, ponieważ obecne podejście diagnostyczne często nie jest w stanie jednoznacznie określić, czy infekcja jest w ogóle obecna, a jeśli tak, to jaki patogen ją wywołuje.
W badaniu opublikowanym 3 kwietnia 2023 roku w czasopiśmie „The Journal of Clinical Investigation”, zespół kierowany przez naukowców z Chan Zuckerberg Biohub San Francisco (CZ Biohub SF), UC San Francisco (UCSF), University of Colorado Anschutz Medical Campus i University of Arkansas for Medical Sciences (UAMS)/Arkansas Children’s Research Institute (ACRI) opisuje nową metodę diagnozowania infekcje dolnych dróg oddechowych u dzieci z ciężką niewydolnością oddechową. Metoda ta stosuje uczenie maszynowe do danych sekwencjonowania metagenomicznego uzyskanych z aspiratu z tchawicy (TA) intubowanych dzieci w celu diagnozowania infekcji dolnych dróg oddechowych i identyfikowania jej przyczyny z bardzo wysoką dokładnością, znacznie przewyższającą obecnie stosowane techniki.
Infekcje dolnych dróg oddechowych mogą być wywołane przez wiele różnych patogenów bakteryjnych, wirusowych lub grzybiczych, ale objawy infekcji są klinicznie podobne bez względu na winowajcę i nawet trudno je odróżnić od nieinfekcyjnych schorzeń układu oddechowego. „Ze względu na ograniczenia istniejącej diagnostyki, lekarze często pracują w mgle wojny, jeśli chodzi o opracowanie skutecznego planu leczenia” – powiedział Eran Mick, naukowiec zajmujący się bioinformatyką w CZ Biohub SF i UCSF oraz jeden z głównych autorów badania.
Obecna diagnostyka często polega na hodowaniu bakterii z próbek aspiratu z tchawicy w kulturach, co jest czasochłonne i nie zawsze prawidłowo identyfikuje gatunek bakterii odpowiedzialny za problem. Testy często generują wyniki fałszywie ujemne lub wykrywają przypadkowe mikroby, które w rzeczywistości nie są przyczyną choroby.
„W ponad połowie przypadków nie udaje się zidentyfikować rzeczywistego mikroorganizmu powodującego infekcję” – powiedział Chaz Langelier, badacz CZ Biohub SF i profesor nadzwyczajny medycyny w UCSF’s Division of Infectious Diseases. „Co skutkuje tym, że podane leczenie niekoniecznie jest skierowane na to, co jest przyczyną problemu”.
Zamiast tego lekarze mogą przepisać koktajl antybiotyków o szerokim spektrum działania, starając się zatrzymać podejrzaną infekcję, co przyczynia się do pojawienia się bakterii z opornością na antybiotyki. Taka praktyka może również prowadzić do niekorzystnych skutków ubocznych u pacjentów, takich jak uszkodzenie nerek, uszkodzenie słuchu lub zakażenie innymi szkodliwymi bakteriami, takimi jak Clostridioides difficile. A nawet może być całkowicie nieskuteczna wobec patogenu sprawczego, jak w przypadku infekcji wirusowych.
Uszkodzenie słuchu? Niektóre antybiotyki mogą być ototoksyczne, co oznacza, że mogą powodować uszkodzenie ucha wewnętrznego lub utratę słuchu. Ototoksyczność antybiotyków może wystąpić zarówno w wyniku działania bezpośredniego, jak i pośredniego. Antybiotyki, które często powodują ototoksyczność, to m.in.: aminoglikozydy, cefalosporyny III generacji, makrolidy i chloramfenikol. Niektóre antybiotyki są bardziej ototoksyczne niż inne i ryzyko uszkodzenia ucha wewnętrznego zależy od wielu czynników, takich jak dawka, czas trwania leczenia, wiek pacjenta i obecność innych czynników ryzyka, takich jak niedoczynność nerek lub jaskra. Zobacz artykuł: „Dlaczego niektóre antybiotyki mogą być ototoksyczne i powodować niedosłuch?
„Podczas gdy wirusy powodują większość infekcji dolnych dróg oddechowych u małych dzieci, wiemy, że dzieci z ciężkimi infekcjami dolnych dróg oddechowych wymagającymi wsparcia wentylacji mechanicznej często mają współzakażenia wirusami i bakteriami” – powiedział współautor Peter Mourani, profesor pediatrii w UAMS i prezes ACRI. „Tak więc nawet jeśli wirus zostanie wykryty przy użyciu powszechnie stosowanego testu PCR, klinicyści często czują się zmuszeni do leczenia z powodu możliwej infekcji bakteryjnej, również wtedy, gdy posiewy kliniczne są negatywne. Większość dzieci otrzymuje antybiotyki przed pobraniem próbki, co może przyczynić się do fałszywie ujemnych wyników hodowli.”
„Dodatkowym wyzwaniem w diagnozowaniu infekcji dolnych dróg oddechowych jest to, że prawdziwa biologia infekcji nie dotyczy tylko patogennego mikroba” – powiedział Langelier. „To naprawdę dynamiczna interakcja pomiędzy patogenem wywołującym infekcję, odpowiedzią immunologiczną pacjenta i normalnym mikrobiomem płuc”.
Aby lepiej diagnozować i leczyć infekcje dolnych dróg oddechowych u dzieci, badacze opracowali nową metodę, która uwzględnia nie tylko obecność potencjalnych patogenów w płucach, ale także odpowiedź immunologiczną pacjenta, która może wskazywać, czy organizm rzeczywiście zwalcza infekcję.
Metoda ta opiera się na metagenomicznym sekwencjonowaniu RNA, które jednocześnie informuje o ekspresji genów pacjenta i o wszelkich obecnych mikrobach, a wszystko to z jednej próbki aspiratu z tchawicy. Metagenomika wychwytuje wszystkie sekwencje genetyczne obecne w próbce – pochodzące od pacjenta, bakterii lub wirusów. Sekwencje te mogą być następnie obliczeniowo porównywane z referencyjnymi bazami danych w celu ilościowego określenia ekspresji genów i liczebności mikrobów.
Następnie badacze zastosowali algorytmy uczenia maszynowego do danych metagenomicznych, aby zidentyfikować wspólne wzorce ekspresji genów i liczebności mikrobów, które odróżniają rzeczywiste infekcje dolnych dróg oddechowych od nieszkodliwej obecności mikrobów będących nieodłączną częścią mikrobiomu płuc.
Naukowcy wygenerowali i przeanalizowali dane metagenomiczne z grupy 261 dzieci z ostrą niewydolnością oddechową, które zostały przyjęte do jednego z ośmiu szpitali dziecięcych w USA. Aby właściwie wytrenować algorytmy uczenia maszynowego, zespół klinicystów rygorystycznie ocenił, czy każde z dzieci miało infekcję dolnych dróg oddechowych, wyraźną nieinfekcyjną przyczynę niewydolności oddechowej, czy też niepewną diagnozę.
Dane od pacjentów scharakteryzowanych jako zdecydowanie cierpiących na infekcję dolnych dróg oddechowych oraz od pacjentów nie mających dowodów na taką infekcję zostały wykorzystane do opracowania, a następnie przetestowania diagnostyki metagenomicznej. Oprócz postawienia diagnozy, metoda wyznacza również najbardziej prawdopodobny patogen przyczynowy dla pacjentów, którzy zostali sklasyfikowani jako zakażeni.
Metoda okazała się niezwykle dokładna. „Działała lepiej niż się spodziewano” – powiedział Langelier.
Koncepcja tej pracy wywodzi się z wcześniejszych badań Langeliera, Katriny Kalantar z Chan Zuckerberg Initiative (CZI), profesora UCSF i prezesa SF Biohub Joe DeRisi oraz ich kolegów, w których wykorzystali metagenomikę do skutecznego diagnozowania infekcji dolnych dróg oddechowych u skrajnie chorych dorosłych pacjentów.
Diagnostyka na miarę XXI wieku
„Ten test miałby duży wpływ kliniczny” – powiedziała Alexandra Tsitsiklis, główna autorka badania i była członkini laboratorium Langeliera obecnie pracująca w nowojorskim Immunai. „Jedną z kluczowych zalet diagnostyki metagenomicznej jest możliwość uzyskania odpowiedzi u pacjentów z niepewną diagnozą kliniczną”. Rzeczywiście, metoda była w stanie zdiagnozować infekcję dolnych dróg oddechowych i zidentyfikować prawdopodobne patogeny u wielu pacjentów, którzy nie należeli do jednej z dwóch kategorii ostatecznych diagnoz klinicznych użytych do szkolenia modelu uczenia maszynowego.
Ponadto, Tsitsiklis powiedziała, że test taki mógłby być użyty do wykluczenia infekcji bakteryjnej, tak aby można było uniknąć antybiotyków u tych pacjentów, dodając: „Jest to jeden z kolejnych kroków, które uczyniłyby go jeszcze bardziej użytecznym klinicznie.”
Badacze mają nadzieję, że po dalszej walidacji ich metoda diagnostyczna stanie się powszechna w warunkach szpitalnych. „Sposób, w jaki działa diagnostyka chorób zakaźnych jest bardzo prymitywny. Jest taki sam od dziesięcioleci, a lekarze nie są zadowoleni z narzędzi, które mają. Mamy więc nadzieję, że jest to coś, nad czym możemy dalej pracować, aby dojść do punktu, w którym zostanie to wdrożone w szpitalach” – powiedział Mick.
Źródło: Journal of Clinical Investigation / Chan Zuckerberg Biohub
DOI: 10.1172/JCI165904
