Сепсис - это угрожающая жизни дисфункция органов, вызванная нарушением регуляции реакции хозяина на инфекцию.
Сепсис характеризуется высокой смертностью и специфическое лечение сепсиса отсутствует. Одна из причин заключается в том, что иммунный ответ на сепсис сложен и различается у разных пациентов. Поэтому постановка раннего диагноза и принятие быстрых мер имеют решающее значение, так как даже задержка в 1 час в принятии мер может привести к увеличению летальности.
Для повышения точности диагностики, раннего распознавания дисфункции органов, стратификации риска и мониторинга иммунного ответа человека были признаны многочисленные специфические биомаркеры сепсиса. Эти биомаркеры должны давать быстрые результаты, позволять проводить повторные измерения и точно отражать состояние пациента в реальном времени, гарантируя, что любые изменения в состоянии немедленно отразятся в показаниях биомаркера, что позволит своевременно принять меры.
Однако широко используемые биомаркеры, такие как С-реактивный белок и прокальцитонин, имеют свои ограничения, такие как задержка реакции. Эта задержка обусловлена временем, необходимым для транскрипции в ответ на цитокины, секретируемые иммунными клетками, за которой следует трансляция и синтез белка. В качестве потенциальных биомаркеров, уменьшающих эту задержку, были предложены такие цитокины, как интерлейкин-6 (IL-6). Однако определение IL-6 сопряжено с определенными трудностями из-за отсутствия стандартизации и высокой подверженности другим влияниям, что может затруднить интерпретацию.
Были предприняты усилия по дальнейшему сокращению этой временной задержки, например, использование в качестве биомаркера уровня РНК и использование секвенирования единичных клеток для выявления иммунологических сигнатур, специфичных для сепсиса. Однако длительное время, необходимое для секвенирования и анализа РНК, ограничивает ее немедленное использование в качестве биомаркера. Недавно разработанные биомаркеры, включая обогащенный гистидином гликопротеин, кальпротектин и HMGB-1122, и новые технологии, такие как микрофлюидика, которые могут ускорить эти измерения, все же имеют присущую им временную задержку, что является общим недостатком секреторных молекул.
Несмотря на потенциал существующих биомаркеров, присущие им ограничения обусловливают необходимость поиска новых подходов к определению биомаркеров сепсиса. Одним из перспективных направлений является изучение морфологии иммунных клеток. Эти морфологические изменения в иммунных клетках происходят быстро с началом воспаления, точно отражают иммунный статус пациента и позволяют получить мгновенный "снимок" клеточного ответа на воспаление. Развитие микроскопических методов позволило проводить быстрые и многократные измерения. Однако большинство исследований опираются в основном на клеточные линии или здоровые человеческие клетки, которые не могут в полной мере отразить сложную динамику иммунных реакций человека. Поэтому для устранения этих ограничений и точного отображения сложной динамики иммунных клеток после сепсиса необходимы более комплексные исследования.
Мы изучили потенциал клеточных структур иммунитета в качестве биомаркеров сепсиса на основе двух технологий анализа образца: голотомографической визуализации и глубинного обучения. Традиционные методы окрашивания и фиксации могут изменять нативное состояние клеток, препятствовать динамическим клеточным исследованиям и занимать много времени. Голотомография позволяет обойти эти недостатки, обеспечивая трехмерные (3D) изображения живых клеток без меток и позволяя изучать клетки в режиме реального времени. Эта передовая методика измеряет количественно оцениваемый физический параметр - индекс преломления (RI), который коррелирует с биохимическими и биофизическими свойствами клеток. Одновременно с этим достижения в области глубинного обучения упростили процесс создания характеристик и повысили общую точность анализа.
В данном исследовании мы использовали безметочную трехмерную визуализацию для анализа изменений в структуре иммунных клеток от состояния здоровья до диагностики сепсиса и в течение всего периода восстановления после сепсиса. Мы выявили заметные изменения в морфологических характеристиках, таких как объем и сухая масса CD8+ Т-клеток, сравнивая данные между здоровыми людьми и пациентами с сепсисом на разных стадиях выздоровления. Кроме того, мы изучили пространственное распределение внутри клеток, выявив интригующие различия в клеточных структурах, обусловленные сепсисом.
Для обработки большого количества данных, полученных из этих трехмерных клеточных структур, мы использовали модель глубинного обучения, которая продемонстрировала хорошие результаты в диагностике сепсиса и прогнозировании. Наши результаты показывают, что морфология CD8 + T-клеток может отражать изменения в состоянии сепсиса во время выздоровления и помогать прогнозировать динамику сепсиса. Этот эффективный и точный метод может помочь в клиническом ведении пациентов с сепсисом. Кроме того, сепсис считается заболеванием, в котором динамика иммунитета играет значительную роль. С этой точки зрения, использование морфологии иммунных клеток в качестве биомаркера сепсиса может быть распространено и на другие заболевания, связанные с иммунитетом.
Наше исследование подчеркивает потенциал трехмерной морфологии CD8+ Т-клеток без меток как перспективного биомаркера сепсиса. Этот подход является быстрым, требует минимального количества образцов крови и может предоставить ценную информацию для ранней диагностики и прогноза сепсиса.
