Более 1.7 миллионов американцев заболевают сепсисом каждый год, и более 270 000 умирают от него. Состояние, которое возникает, когда организм резко реагирует на бактериальную или вирусную инфекцию, вызывая цепную реакцию, которая может привести к органной недостаточности и смерти, имеет несколько стратегий лечения.
Вот что обнаружил Савас Тай несколько лет назад, когда его мать умерла от сепсиса. "Я узнал, что они мало что могут сделать для реального наблюдения и диагностики этих пациентов," сказал Тэй, доцент кафедры молекулярной инженерии в Притцкеровской школе молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета. "Значительный процент из них в конечном итоге умрет, что недопустимо, учитывая высококачественное оборудование, врачей и доступные методы лечения. Я был как бы взбешен ситуацией."
Так что Тай решил что-то с этим сделать. Теперь он и его сотрудники разработали новый, чрезвычайно чувствительный метод, который может определять количество бактерий, гена устойчивости к антибиотикам и уровни иммунных молекул у пациентов с сепсисом намного быстрее, чем существующие протоколы.
Проводя эти тесты через определенные промежутки времени, исследователи также обнаружили, что значение имеют не абсолютные уровни этих маркеров, а их изменение. Используя машинное обучение, они точно предсказали, какие пациенты с сепсисом выздоравливают быстро, выздоравливают позже или в конечном итоге умирают. Эта информация может в конечном итоге помочь врачам диагностировать и лечить пациентов более индивидуально.
"Наши результаты обеспечивают новый подход к диагностике сепсиса с возможностью раннего выявления причинного патогена," сказал Гокхан Мутлу, профессор медицины и руководитель отделения легочной медицины и реанимации в Калифорнийском университете в Чикаго и соавтор исследования. "Это позволит нам использовать соответствующие антибиотики раньше, чем будут получены результаты посева, и свести к минимуму использование антибиотиков, необходимых для лечения инфекции. Объединив данные о патогенах и ответе хозяина, мы можем предсказать исходы у пациентов с сепсисом."
Результаты опубликованы 25 мая в журнале Nature Communications.
Понимание того, как лечить сепсис
Поскольку сепсис часто вызывается микробными инфекциями, заболевание обычно сначала лечится антибиотиками. Лечение должно происходить быстро – любая задержка с назначением правильных антибиотиков увеличивает шансы смерти пациента. Но врачи часто не уверены, какие бактерии вызывают инфекцию, а выращивание культур для определения бактерий может занять несколько дней.
Даже если врачи могут лечить инфекцию напрямую, это состояние может вызвать усиление иммунного ответа организма. Атакуя патогены, иммунная система может высвободить слишком много белков иммунной системы, называемых цитокинами, которые в конечном итоге могут подавить организм и убить пациента. Противовоспалительные препараты могут помочь в лечении этого, но часто врачи не знают, когда это происходит "цитокиновый шторм" происходит, пока не стало слишком поздно.
"У иммунной системы есть газ и тормоз," Тай сказал. "Вам нужен газ, чтобы убить болезнетворные микроорганизмы, но вам нужен тормоз, чтобы не пропустить воспаление и не нанести вред пациенту. Во всем этом время имеет решающее значение. Мы хотели знать, можем ли мы одновременно отслеживать бактериальную нагрузку и цитокины, а также отслеживать их изменения, чтобы лучше понять, кому следует получать определенные виды лечения."
Создание чрезвычайно чувствительного теста
Тэй, эксперт в области анализа отдельных клеток и микрофлюидики, и его команда разработали тест цифровой полимеразной цепной реакции (ПЦР), в котором используются судебные пробы цифровой близости для количественного определения уровней определенных генов и белков в крови.
В частности, в тесте используется образец крови для проверки на грамотрицательные (GN) и грамположительные (GP) бактериальные ДНК, которых много у многих пациентов с сепсисом. Он также проверяет уровни белков IL-6 и TNF, цитокинов, которые иммунная система выделяет для атаки на патогены. Кроме того, он проверяет ген blaTEM, который означает устойчивость к антибиотикам.
Тест чрезвычайно чувствителен – способен определять очень небольшие изменения концентраций этих молекул – и дает результаты в течение нескольких часов. Тэй работал с пульмонологами из Чикагского медицинского университета, чтобы опробовать тест на образцах от пациентов с сепсисом.
Исследователи брали образцы один раз в день в течение двух дней у 32 пациентов и проверяли их уровень бактерий и белка. Они обнаружили, что уровень бактерий у выживших пациентов со временем снижался.
Однако почти у каждого умершего пациента уровень ИЛ-6 повышался на протяжении всего времени пребывания в больнице. Даже пациенты, у которых изначально был низкий уровень бактерий, все равно умирали, если их уровень ИЛ-6 увеличивался, что показывает, что иммунная система потенциально перевыполняется и атакует их собственное тело.
Хотя IL-6 и раньше считался основным биомаркером сепсиса, предыдущие исследователи не осознавали, что это изменение уровней, а не сами уровни, предсказало этот результат.
Кроме того, исследователи обнаружили несколько пациентов с геном, указывающим на устойчивость к антибиотикам, что было бы полезной информацией для лечащих их врачей.
"Сепсис проявляется по-разному у каждого человека, поэтому наличие такого теста, проливающего свет на эту вариацию, может однажды быть использовано медработниками, чтобы определить, какие пациенты могут лучше реагировать на определенные виды лечения или вмешательства," сказала Криста Вулф, пульмонолог и доцент медицины Калифорнийского университета в Чикаго, соавтор исследования.
Используя алгоритмы машинного обучения, исследователи могли в конечном итоге использовать эти биомаркеры, чтобы предсказать, кто выздоровеет раньше, выздоровеет поздно или умрет, с почти 100% точностью.
"Внезапно у нас появился метод, который позволяет нам действительно понять, как эти пациенты будут жить," Тай сказал. "Если есть пациенты, которые будут плохо себя чувствовать, вы можете начать лечить этих пациентов по-разному, возможно, с помощью лекарств, которые помогут заблокировать иммунную систему от перегрузки."
Распространение теста на другие болезни
Прямо сейчас тест проходит в лаборатории, но Тэй и его группа разрабатывают машину, которая может быстро тестировать образцы на месте в отделениях интенсивной терапии. Они продолжают клинические испытания и надеются расширить тест, включив в него больше групп бактерий, помимо уровней GN и GP, чтобы помочь врачам лучше понять, какие антибиотики необходимы для снижения устойчивости к антибиотикам.
Этот тест также можно распространить на другие инфекции, при которых цитокины могут проникнуть в организм, включая вирусные инфекции, такие как COVID-19.
"Подобный экспресс-тест необходим во многих ситуациях и действительно может изменить правила лечения сепсиса," Тай сказал. "Это болезнь, которая может убить всех, независимо от вашей ситуации."