Сепсис, распространенное последствие инфекций кровотока, является одной из ведущих причин смертности и заболеваемости во всем мире.
Его диагностика затруднена и занимает много времени из-за крайне низкой патогенной нагрузки и необходимости проведения трудоемкого посева крови, что требует эмпирической терапии, ухудшающей прогноз и способствующей развитию антимикробной резистентности. Несмотря на тяжесть заболевания, которое может привести к смерти всего за 12 часов, большинству традиционных методов требуется от двух до семи дней для окончательной идентификации бактерий, вызывающих сепсис.
Группа инженеров из Университета штата Пенсильвания разработала способ сократить многодневный срок диагностики до нескольких часов. Новый подход позволяет быстро культивировать бактерии, присутствующие в собранных образцах крови, периодически анализируя их с помощью передовых методов, которые помогают ученым идентифицировать конкретные патогены, вызывающие инфекцию. Исследователи сообщают в статье, опубликованной в журнале Science Advances, что их подход ускорил диагностику и может помочь в принятии клинических решений, предотвращая ухудшение резистентности к антибиотиками. «Для врача наиболее важными вопросами, когда речь идет о своевременном лечении инфекции кровотока, являются: „Что именно вызвало эту инфекцию и как ее следует лечить?“», — говорит ведущий автор исследования Пак Кин Вонг. «Мы разрабатываем комплексную диагностическую платформу, которая быстро сообщает врачам как о конкретных бактериях, вызывающих инфекцию кровотока, так и об идеальном антибиотике для лечения инфекции, прежде чем разовьется сепсис».
При инфекции кровотока крайне важно как можно быстрее найти и нейтрализовать причину, прежде чем она вызовет септическую реакцию организма, пояснил Вонг. Врачи должны не только обнаружить наличие бактерий, но и определить конкретные патогены, а также выбрать лучший антибиотик для лечения. Крайне высока вероятность ложноположительного или ложноотрицательного результата, поскольку при лечении инфекции кровотока каждый час на счету, говорит Вонг. «Это не похоже на тест на COVID, где мы проверяем наличие конкретного вируса в организме пациента», — пояснил Вонг. «Различные бактерии могут вызывать сепсис и они могут по-разному реагировать на лечение. Поэтому анализ должен быть тщательным, чтобы обеспечить назначение наилучшей антибиотикотерапии».
Для идентификации бактерий, вызывающих инфекцию кровотока, современные методы требуют бактериологического культивирования образцов крови, чтобы присутствующие бактерии размножились до измеримого уровня. Затем специалисты проводят дальнейший анализ образцов для идентификации конкретных бактерий, что добавляет еще один-два дня к диагностике. Упрощение диагностики инфекций кровотока — не новая идея, на рынке уже представлено несколько коммерческих продуктов, предлагающих анализ крови без культивирования. Однако, чтобы сократить время диагностики, эти продукты предоставляют менее полные и менее чувствительные результаты.
Чтобы ускорить диагностику без ущерба для точности, Вонгу и коллегам пришлось переосмыслить культивирование. Традиционно рост бактерий в культивированном образце крови измеряется по количеству углекислого газа, выделяемого бактериями. Когда изменение уровня углекислого газа подтверждает наличие патогенов можно идентифицировать бактерии. Новый подход исследователей, названный STREAM (sedication-assisted tandem rocking and enrichment for analysis and monitoring), позволяет достичь кратковременного экспоненциального роста бактерий, одновременно изолируя патогены из образцов крови со сверхнизкой концентрацией бактерий. Отбор проб осуществляется через регулярные интервалы для обнаружения раннего роста бактерий и идентификации патогенов, а непрерывное культивирование обеспечивает достаточный рост для предотвращения ложноотрицательных результатов и поддержания надежности диагностики..
Интегрировав STREAM с анализом отдельных клеток, ученые достигли быстрой и надежной диагностики инфекций кровотока по образцам цельной крови. «Вместо того чтобы брать образцы в определенный момент после культивирования, мы собираем образцы в несколько временных точек на протяжении всего процесса культивирования», — рассказал Вонг. «Этот метод обеспечивает надежное обнаружение бактерий, минимизируя при этом время получения результатов». Исследование отдельных клеток позволяет анализировать бактерии с помощью микроскопической визуализации - полученные изображения анализируются компьютерными алгоритмами, разработанными для устранения визуальных помех, что помогает врачам определить конкретные бактерии, вызывающие инфекцию и оценить к каким антибиотикам чувствителен данный штамм и есть ли у него устойчивость к антибиотикам.
Благодаря интеграции идентификации патогенов на уровне отдельных клеток с использованием молекулярно-маркированной последовательной флуоресцентной гибридизации in situ (MB-seqFISH) и фенотипического определения чувствительности к антибиотикам на уровне отдельных клеток, платформа обеспечивает получение исчерпывающих результатов всего за 6,75 часов и надежно обнаруживает бактериальную нагрузку порядка 0,1 КОЕ/мл, приближаясь к пределу, установленному объемом взятой крови (∼10 мл). Идентификация патогенов в 104 положительных образцах культуры крови показала 96,15% совпадения с результатами клинической лаборатории. Тестирование чувствительности отдельных клеток к антимикробным препаратам на основе геля показало 97,96% существенного совпадения и 93,9% совпадения для 219 комбинаций антибиотиков и их доз.
«Используя разработанные нашей командой технологии анализа отдельных клеток, мы можем точно идентифицировать патогены в крови, даже если они присутствуют в очень низких концентрациях», — рассказал Вонг. Он отметил, что немногим более 4% этих образцов были классифицированы как «очень серьезные ошибки», то есть бактерия была неверно определена как устойчивая или чувствительная к антибиотику, что может привести к неэффективности назначенного лечения. Вонг признает, что перед клиническим внедрением необходимо преодолеть ряд серьезных препятствий, которые могут возникнуть при тестировании крови пациентов, уже получавших антибиотики, — но эта система предлагает многообещающую основу для более быстрого, чем когда-либо прежде, выявления и лечения сепсиса.
"Наша платформа предлагает мощный инструмент для выбора антибиотикотерапии на основе доказательной медицины, обеспечивая своевременное и целенаправленное лечение в критически важный клинический период и улучшая управление бактериемией. Мы интегрируем искусственный интеллект и лабораторную автоматизацию, чтобы сделать весь процесс еще более эффективным и точным», — сказал Вонг. «Эта система масштабируема, поэтому список патогенов, которые мы можем обнаружить, вполне может быть расширен. Мы также считаем, что можем адаптировать этот подход для выявления инфекций, источником которых являются не только бактерии, но и грибки».
