Способность диагностировать инфекционные заболевания оказывает глубокое влияние на глобальное здравоохранение.
Совсем недавно диагностика инфекции SARS-CoV-2 помогла сдержать пандемию COVID-19, снизив нагрузку на системы здравоохранения. Еще один пример: диагностические технологии, позволяющие отличить бактериальные инфекции от вирусных, могут служить основанием для назначения антибиотиков. Это важное клиническое действие: если антибиотики назначаются при бактериальных инфекциях, их применение существенно снижает смертность, а если при вирусных инфекциях, то их неправильное использование усугубляет резистентность к противомикробным препаратам.
Стандартные тесты для диагностики инфекций включают различные технологии, в том числе культивирование микроорганизмов, ПЦР-анализ и антиген-связывающий анализ. Несмотря на разнообразие технологий, стандартные тесты в целом имеют общий принцип построения, который заключается в прямом количественном определении патогенного материала в образцах пациентов. Как следствие, стандартные тесты плохо выявляют инфекцию, особенно на ранних стадиях после инфицирования, пока патоген не размножился до обнаруживаемого уровня.
Например, тесты на основе ПЦР на инфекцию SARS-CoV-2 могут пропустить 60%-100% случаев инфекции в течение первых нескольких дней после заражения из-за недостаточного количества вирусного генетического материала. Аналогичным образом, исследование внебольничной пневмонии показало, что тесты на основе патогенов не смогли определить возбудителя более чем у 60% пациентов. Для преодоления этих ограничений срочно необходимы новые инструменты для диагностики инфекции.
Анализы транскрипционного ответа хозяина становятся новой парадигмой для диагностики инфекций. Исследования в этой области позволили создать различные сигнатуры ответа хозяина для выявления общих вирусных или бактериальных инфекций, а также сигнатуры для специфических патогенов, таких как вирус гриппа.
В отличие от стандартных тестов, определяющих материал патогена, эти методы отслеживают изменения в экспрессии генов в ответ на инфекцию.
Например, транскрипционный рост генов ответа интерферона (IFN) может указывать на текущую вирусную инфекцию, поскольку эти гены участвуют в противовирусном ответе хозяина. Анализы ответа хозяина имеют большое потенциальное преимущество перед тестами на основе патогенов, поскольку они могут обнаружить инфекцию даже тогда, когда патогенный материал невозможно обнаружить прямыми методами.
Разработка анализов ответа хозяина, которые могут быть применены в клинической практике, ставит новые методологические проблемы. Наиболее сложной проблемой является определение так называемой "инфекционной сигнатуры" для интересующего патогена, то есть набора транскрипционных изменений хозяина, индуцированных в ответ на этот патоген. Характеристики сигнатуры описываются по двум параметрам: достоверность и перекрестная реактивность.
Достоверность определяется как способность сигнатуры последовательно определять предполагаемое инфекционное состояние в нескольких независимых когортах. Перекрестная реактивность определяется как степень, в которой сигнатура предсказывает любое состояние, отличное от предполагаемого. Чтобы быть клинически жизнеспособной, инфекционная сигнатура должна одновременно демонстрировать высокую надежность и низкую перекрестную реактивность. Надежная сигнатура, не демонстрирующая низкую перекрестную реактивность, будет выявлять непредвиденные факторы, такие как другие инфекции (например, вирусные сигнатуры, выявляющие бактериальные инфекции) и/или неинфекционные состояния, связанные с аномальной иммунной активацией.
Клиническая применимость сигнатур ответа хозяина в конечном итоге зависит от тщательной оценки их достоверности и перекрестной реактивности. Такая оценка является сложной задачей, поскольку требует интеграции и анализа огромного количества транскрипционных исследований с участием интересующего патогена, а также широкого спектра других инфекционных и неинфекционных заболеваний, которые могут вызвать перекрестную реактивность. Несмотря на недавний прогресс в этом направлении, общая структура для оценки надежности и перекрестной реактивности сигнатур-кандидатов все еще отсутствует.
В данном исследовании мы создали общую основу для систематической количественной оценки надежности и перекрестной реактивности сигнатур-кандидатов, основанную на тщательном анализе массивов открытых данных и разработке стандартизированного метода оценки сигнатур. Используя эту систему, мы продемонстрировали, что опубликованные сигнатуры в целом надежны, но имеют значительную перекрестную реактивность при инфекционных и неинфекционных заболеваниях. Дальнейший анализ 200 000 синтетических сигнатур выявил присущий им компромисс между достоверностью и перекрестной реактивностью и определил свойства сигнатур, связанные с этим компромиссом.
Цель нашего исследования в корне отличается от целей предыдущих исследований, которые были направлены на выведение потенциальных сигнатур вирусных или бактериальных инфекций. Выходя за рамки первых попыток сравнения надежности существующих сигнатур, наша система оценки является первой, предоставляющей эталонное пространство, в котором любая произвольная сигнатура инфекции может быть строго оценена по двум одинаково важным параметрам: достоверности и перекрестной реактивности.
Эта система основана на обширной обработке данных 17 105 транскрипционных профилей крови при инфекционных и неинфекционных заболеваниях в сочетании с универсальным, не требующим моделирования методом оценки сигнатур. Оценив надежность и перекрестную реактивность 30 опубликованных и 200 000 синтетических сигнатур, мы получили новое представление о внедрении анализа реакций хозяина в клиническую диагностику инфекций.
Наша оценка показала, что большинство сигнатур были удивительно надежны в обнаружении предполагаемых условий. Сигнатуры хорошо обобщались на независимые когорты, а сигнатуры, предназначенные для широкого обнаружения вирусной или бактериальной инфекции, обобщались даже на патогены, не включенные в данные об их обнаружении. Сигнатуры также были надежны при различной степени тяжести инфекции и клинической стадии, хотя и с пониженной эффективностью. Вирусные сигнатуры также оставались стабильными в течение нескольких дней после заражения, что позволяет предположить, что сигнатуры отражают устойчивые биологические процессы.
В связи с этими результатами возникает вопрос, какие биологические основы делают сигнатуры инфекции такими надежными. В случае вирусных инфекций мы наблюдали, что все надежные сигнатуры включали элементы механизма IFN I типа, высококонсервативного противовирусного механизма. В целом, сигнатуры инфекций могут быть более надежными, если они захватывают иммунологические процессы, сохраняющиеся во всех классах патогенов. В соответствии с этой гипотезой, мы предполагаем, что сигнатуры инфекции, явно включающие соответствующие иммунологические механизмы, обеспечат дальнейшее повышение надежности.
Хотя оцененные сигнатуры были надежными, мы обнаружили, что они страдают от значительной перекрестной реактивности по двум важным причинам. Во-первых, вероятно, из-за сохранения иммунных реакций, сигнатуры инфекции перекрестно реагировали с непредусмотренными классами патогенов (например, вирусные сигнатуры обнаруживали бактериальные инфекции, и наоборот). Вирусные сигнатуры особенно перекрестно реагировали с инфекциями, вызванными кислотоустойчивыми бактериями, такими как Mycobacterium tuberculosis, что может отражать сильный ответ IFN I типа, индуцированный этим патогеном. Этот патоген был самым распространенным кислотоустойчивым бактериальным патогеном, поэтому мы не уверены, является ли этот эффект специфическим для патогена или он применим ко всем бактериям с такой характеристикой клеточной стенки. Бактериальные сигнатуры были немного более перекрестно реактивными с инфекциями, вызванными вирусами с одноцепочечными геномами, что говорит о консервативных механизмах иммунного ответа, которые требуют дальнейшего изучения.
Во-вторых, как вирусные, так и бактериальные сигнатуры перекрестно реагировали с возрастными изменениями. Насколько нам известно, это первая демонстрация того, что сигнатуры инфекции могут перекрестно реагировать с неинфекционными состояниями. С точки зрения диагностики, этот углубленный анализ подчеркивает необходимость того, чтобы сигнатуры инфекции проходили обширное тестирование на перекрестную реактивность перед клиническим применением. Тестирование на перекрестную реактивность должно включать непредусмотренные патогены, как вирусные, так и бактериальные, а также старение и, возможно, другие неинфекционные воспалительные состояния.
Углубленный анализ опубликованных и синтетических сигнатур, специфичных для гриппа, выявил присущий им компромисс между достоверностью и перекрестной реактивностью. Мы также определили несколько свойств сигнатур, связанных с этим компромиссом, таких как размер и включение как положительно, так и отрицательно регулируемых генов. Более крупные сигнатуры могут быть более надежными, но также менее пригодны для клинического применения: диагностические платформы на основе ПЦР накладывают ограничения на количество генов, которые могут быть измерены, и наши результаты показывают, что более крупные сигнатуры, как правило, более перекрестно реактивны.
Хотя выявление надежных сигнатур с ограниченной перекрестной реактивностью выходило за рамки данной работы, наши результаты полезны для определения будущих сигнатур. Например, наши результаты показывают, что включение в процесс обнаружения сигнатур как молодых, так и пожилых людей может улучшить перекрестную реактивность при старении. Кроме того, мы продемонстрировали, что включение непредусмотренных инфекций в качестве целевых контрастов во время выявления сигнатур может значительно снизить перекрестную реактивность.
Поскольку надежность и перекрестная реактивность являются противоречивыми целями, патоген-специфические сигнатуры могут быть определены как решения многоцелевой оптимизационной задачи с соответствующими ограничениями на сигнатуру, которые отражают желаемые свойства. Разработка методов обнаружения надежных сигнатур, которые не вступают в перекрестную реакцию с незапланированными инфекциями или неинфекционными условиями, представляет большой интерес.
В целом, наша система закладывает основу для обнаружения признаков инфекций для клинического применения. Мы реализовали эту систему в виде общедоступного, удобного для пользователя ресурса https://kleinsteinlab.shinyapps.io/compendium_shiny_app/
