來源：小桔燈網
作者：動力彩虹
膿毒症導緻全球20%的死亡，僅在美國就造成了20-50%的醫院死亡。早期診斷和識别潛在的微生物病原體對于及時和适當的抗生素治療至關重要，這對膿毒症的生存至關重要。然而，在超過30%的病例中，沒有發現緻病病原體，這反映了目前基于培養的微生物診斷的局限性。更增加了複雜性的是，需要有效地将膿毒症與非傳染性全身性疾病區分開來，這些疾病在入院時臨床上通常表現相似。
随着宏基因組下一代測序（mNGS），膿毒症診斷的局限性可能會被克服。血漿無細胞DNA測序的最新進展擴大了宏基因組診斷的範圍，實作了對源自不同感染解剖部位的循環病原體核酸的微創檢測。然而，血漿DNA宏基因組學的臨床影響受到了質疑，因為經常鑒定臨床相關性不确定的微生物，無法檢測導緻肺炎的RNA病毒，以及在排除感染存在方面的效用有限。
全血轉錄圖譜分析通過捕獲區分感染性和非感染性以及病毒性和細菌性感染的宿主基因表達特征，有可能減輕這些限制。然而，由于轉錄譜分析隻捕獲宿主對感染的反應，它不能提供膿毒症病原體的精确分類鑒定，這限制了該方法在單獨使用時的實用性。
近日，一組來自UCSF的研究團隊在雜志Nature microbiology上發表了一篇題為“Integrated host-microbe plasma metagenomics for sepsis diagnosis in a prospective cohort of critically ill adults”的文章，在文章中，研究團隊研究了一個重症成人的前瞻性隊列，以開發一種結合宿主轉錄譜和mNGS的膿毒症診斷方法。通過将機器學習應用于mNGS資料，研究團隊評估了宿主和微生物特征，将微生物導緻的膿毒症與非傳染性危重症區分開來。最後研究團隊還證明血漿核酸可以用于檢測宿主和微生物，以進行精确的膿毒症診斷。
圖檔來源：Nature microbiology
主要内容
研究隊列的臨床特征
研究團隊對兩所醫院急診科（ED）收治至重症監護室（ICU）的重症成年人進行了前瞻性觀察研究（下圖）。根據膿毒症狀态将患者分為五個亞組。這些患者包括：（1）臨床判定膿毒症和微生物學确認的細菌血流感染（SepsisBSI），（2）臨床判定的膿毒症和經微生物學确認的非血流感染（Sepsisnon-BSI），（3） 臨床微生物檢測陰性的疑似膿毒症（Sepsissuspected），（4）沒有膿毒症證據且對其危重症有明确的替代性解釋的患者（No-sepsis）或（5）狀态不确定的患者（Indeterm）。除一名患者（無膿毒症組）外，所有患者均表現出≥2全身發炎反應綜合征（SIRS）标準。
研究流程圖。圖檔來源：Nature microbiology
膿毒症的宿主全血轉錄特征
研究團隊首先通過對全血标本進行RNA測序（RNA-seq），評估了臨床和微生物學證明的膿毒症（SepsisBSI、Sepsisnon-BSI）患者與無感染證據（No-sepsis）患者之間的轉錄差異（n = 總計221）。識别出P<0.1的差異表達（DE）基因共5807個。基因集富集分析（GSEA）證明了膿毒症患者中性粒細胞脫顆粒和先天免疫信号相關基因的上調，同時與翻譯和核糖體RNA處理相關的途徑也下調（圖b）。
膿毒症的宿主全血轉錄特征。圖檔來源：Nature microbiology
用于膿毒症診斷的宿主全血轉錄組分類器
研究團隊基于全血基因表達特征建構了“通用”膿毒症診斷分類器。研究團隊采用bSVM學習方法來選擇最有效區分膿毒症患者（SepsisBSI和Sepsisnon-BSI）和無膿毒症（No sepsis）患者。bSVM模型在保留的驗證集中，AUC為0.82。此外，在10個随機生成的驗證集上獲得了0.85的AUC（圖c）。
宿主全血轉錄組分類器。圖檔來源：Nature microbiology
血漿RNA用于膿毒症診斷的宿主轉錄組分類器
為了測試血漿DNA測序能否提供有意義的基因表達資料，研究團隊對與全血樣本比對的血漿樣本的RNA進行了測序并進行DE分析，以評估膿毒症患者（SepsisBSI和Sepsisnon-BSI）和無膿毒症患者（No sepsis）的差異基因。值得注意的是，幾個頂級差異表達基因之前報道過膿毒症生物标志物（例如，CD177升高，HLA-DRA抑制），這表明血漿RNA具有生物學相關的轉錄組特征（圖d）。
使用相同的bSVM方法産生一個分類器将SepsisBSI和Sepsisnon-BSI患者與非膿毒症患者區分開來，在保留的驗證集中，AUC為0.77。在10個随機生成的驗證集的AUC為0.90（圖e）。
宿主血漿轉錄組分類器。圖檔來源：Nature microbiology
從血漿核酸中檢測細菌性膿毒症病原體
研究團隊開始了微生物宏基因組分析，結果發現，與其他組相比（不确定組除外），SepsisBSI組的微生物品質明顯更高，陰性對照水樣中的微生物品質顯著降低（圖a）。接下來，研究團隊使用IDseq流程進行細菌病原體檢測及分類比對，随後使用先前開發模型（RBM），在mNGS資料中從數量較少的共生或污染微生物中識别出了膿毒症病原體（圖b）。
研究團隊研究了宏基因組RBM病原體預測與細菌血培養資料的一緻性。結果顯示宏基因組RBM對血液培養的敏感性為83%，并因病原體而異，範圍從0%（例如艱難梭菌）到100%（例如大腸杆菌、金黃色葡萄球菌）。在無膿毒症組中，10/37（27%）患者的被RBM模型識别出病原體，相當于73%的特異性。
微生物宏基因組識别膿毒症病原體。圖檔來源：Nature microbiology
利用宿主轉錄組圖譜鑒定病毒感染
13種呼吸道病毒中隻有1種（8%）可以通過血漿RNA mNGS檢測到。可否使用宿主反應，通過使用全血或血漿轉錄組學資料，對SepsisBSI和Sepsisnon-BSI組中病毒性膿毒症的患者進行差異基因表達分析來識别病毒性膿毒症？GSEA證明，在來自全血（圖a）和血漿（圖b）資料中，與細菌性膿毒症患者的樣品相比，與幹擾素信号相關的途徑和抗病毒免疫重要的基因在病毒性膿毒病患者的樣品中富集。
研究團隊利用這一宿主特征建構了病毒膿毒症的二級bSVM診斷分類器，選擇差異表達基因作為潛在的預測因子。在保留的驗證集中 ，AUC為0.96。10個随機生成的驗證集的AUC為0.94（圖d）。
基于宿主基因表達的病毒性膿毒症檢測。圖檔來源：Nature microbiology
基于血漿核酸的宿主微生物膿毒症綜合診斷模型
研究團隊開發了一個概念驗證內建宿主+微生物模型。應用這些規則可以檢測到SepsisBSI組42/42例（100%）病例和Sepsisnon-BSI組30/31例（97%）病例，總體敏感性為72/73例（99%）。該概念驗證模型在無膿毒症組中的特異性為29/37（78%）。
在19名臨床判定為膿毒症但醫院微生物檢測陰性（疑似膿毒症）的患者中，14名（74%）被歸類為膿毒症。對于不确定組，綜合宿主+微生物模型将8/9（89%）分類為膿毒症陽性。其中，兩個被确定為細菌病原，一個被病毒宿主分類器确定為病毒感染。
總結與讨論
膿毒症被定義為宿主對感染的失調反應，然而現有的診斷隻專注于檢測病原體或評估感染宿主的特征。在這裡，研究團隊将宿主轉錄譜與廣泛病原體檢測相結合，以在入院時準确診斷危重症患者的膿毒症。此外結果證明，可以對血漿中的循環RNA和DNA進行宿主微生物宏基因組學整合方法，這是一種廣泛可用的臨床樣本類型，在基于宿主的傳染病診斷中具有以前未被認可的效用。
此研究有幾個優勢，包括創新性地将血漿RNA轉錄組學用于膿毒症診斷，結合宿主和微生物mNGS資料開發膿毒症的診斷方法，詳細的臨床表型分析，以及一個具有系統性疾病的重症成年人的大型前瞻性隊列。它也有一些局限性。首先，如上所述，在不同時間采集的不同樣品上進行mNGS和血液培養，是以觀察到的與臨床微生物檢測的一緻性可能被低估了。其次，幾份血漿樣本的宿主轉錄物不足，無法進行基因表達分析，導緻血漿樣本量比全血樣本量小。這一限制可能在未來的研究中通過增加血漿RNA的輸入量來解決。
總之，結合宿主基因表達圖譜和血漿核酸的宏基因組病原體檢測，可以準确診斷膿毒症。未來的研究需要驗證和測試這種與培養無關的診斷方法的臨床影響。