Исследователи из школы медицины Стэнфордского Университета определили характер активности генов, который может помочь ученым создать анализ крови для быстрого и точного определения, какие пациенты испытывают смертельную паническую атаку иммунной системы.

Сепсис является воспалительным синдромом всего организма, когда иммунная система излишне реагирует на присутствие инфекционных патогенов. Это ведущая причина внутрибольничной смертности в США, на которую приходится около половины от общего количества смертей, и которая приводит к ранним смертям, по меньшей мере, 750 000 американцев каждый год. Ежегодные затраты на сепсис в системе здравоохранения превышают 24 миллиарда долларов.

гены человекаТимоти Суини и его коллеги обнаружили 11 генов, которые потенциально могут служить в качестве диагностических биомаркеров сепсиса

Большинство случаев сепсиса вызваны бактериальными, а не вирусными, инфекциями, и их лучше лечить с помощью антибиотиков. Но антибиотики бесполезны – а могут быть и контрпродуктивными – если пациент имеет внешне похожий, но неинфекционный, синдром, зазываемый стерильным воспалением — интенсивный, системный воспалительный ответ на травматические повреждения, хирургические вмешательства, тромбоз или другие неинфекционные причины.

«Очень важно для врачей диагностировать сепсис точно и быстро, потому что риск смерти от этого состояния повышается с каждым часом без проведения лечения», — говорит Пурвеш Хатри, доктор философии, доцент исследований биомедицинской информатики.

Сепсис или стерильное воспаление?

На практике, распознавание сепсиса от стерильного воспаления является жребием. Доктор Хатри говорит, что сейчас диагностические методы, которые могут помочь сделать это, слишком медленны или слишком неточны, или и то и другое вместе. В результате этого, врачи лечат каждого пациента с признаками системного воспаления с помощью антибиотиков. Это может стимулировать развитие устойчивости бактерий к препаратам и, уничтожая безвредные микроорганизмы в кишечнике, привести к колонизации его патогенными бактериями, такими как Clostridium difficile.

Невозможность легко отличить сепсис от стерильного воспаления усложняет проведение фармацевтическими компаниями клинических исследований препаратов для лечения сепсиса; можно ошибочно предполагать, что у пациентов есть сепсис, тогда как они имеют стерильное воспаление.

«Мы думаем, что у нас есть все данные, чтобы разработать диагностический анализ крови, который позволит врачам различать эти два вида вопаления», — сказал доктор Хатри.

Доктор Хатри является старшим автором нового исследования, опубликованном 13 мая 2015 года в Science Translational Medicine, в котором мета-анализ данных позволил ему и его соратникам разработать шаблон активации генов, который отличает сепсис от стерильного системного воспаления.

«Мы подумали, что могут существовать определенные гены, которые активирует организм в ответ на инфекцию, и после просеивания огромного количества данных мы их обнаружили», — сказал ведущий автор Тимоти Суини, доктор медицинских наук, проходящий резидентуру по общей хирургии в Стэнфорде.

Были проведены многочисленные исследования для обнаружения разницы в уровнях активации генов иммунного ответа между инфекционным и стерильным воспалением. Но эти исследования давали неясные или противоречивые результаты. Причиной этого являлось то, что и инфекция, и неинфекционная травма тканей активируют много тех же компонентов и механизмов иммунной системы. На уровне активации генов, эта схожесть колеблется: у более чем 80% человек примерно 25 000 генов существенно изменили уровни своей активности в одном и том же направлении, в ответ на сильное воспаление, вызванное сепсисом или неинфекционными причинами. Эта схожесть скрывает любые легко обнаружимые изменения, которые относятся только к инфекции.

Иголка в стоге сена

Другим фактором, который мешает попыткам выявить закономерности повышения или снижения активности генов, является то, что некоторые пациенты уже имеют сепсис, когда поступают в больницу, тогда как другие инфицируются во время пребывания в лечебном учреждении. Такие два разных пациента с сепсисом могут иметь совершенно разные стадии сложного воспалительного процесса.

«Как выяснить, которая крошечная часть этих изменений была вызвана инфекцией? Вы ищите иголку в стоге сена», — говорит Хатри.

Эта иголка, оказывается, состоит из сигнатуры, сформированной стойкими изменениями в уровнях активности всего 11 генов на хаотическом фоне других более чем 20 000 генов, уровни активности которых значительно колеблются в течение системного воспаления и восстановления.

Ученые из Стэнфорда проанализировали общедоступные данные исследований, в которых оценивали уровни активности всего генома человека в случаях сепсиса, а также и в случаях стерильного воспаления. В целом, они изучили более чем 2900 проб крови от около 1600 пациентов в 27 разных наборах данных, содержащих медицинскую информацию о различных группах пациентов – мужчинах и женщинах, молодых и пожилых, страдающих от стерильного воспаления или сепсиса, включая пациентов, которые имели сепсис при поступлении в больницу, а также больных, у которых сепсис был диагностирован позже. Существовала также контрольная группа здоровых людей.

Анализ состоял из двух отдельных стадий. На первой, исследователи рассмотрели 9 наборов данных, содержащих образцы более чем 650 пациентов. Они искали гены, активность которых была равномерно и существенно повышена или снижена во всех девяти наборах данных, у пациентов в течение 24 часов после установления диагноза сепсис, в сравнение с генами тех людей, у кого не было выявлено сепсиса.

Сначала, любые сигналы, которые могли скрываться в этой группе образцов, были похоронены в окружающем шуме бесчисленных колебаний активности генов, которые не относились к делу. Но какофония прекратилась, когда ученые скорректировали свой аналитический подход с учетом того, когда пациент перенес травму или хирургическое вмешательство. Таким образом, исследователи смогли учитывать изменения генной активности, связанные с воспалением после хирургического вмешательства или травмы, с течением времени, независимо от присутствия или отсутствия инфекции.

После этой поправки, 11 генов выпрыгнули из стога сена, как возможные маркеры сепсиса. Исследователи подтвердили эту 11-генную сигнатуру в дополнительных 18 когортах, включающих более чем 1800 образцов пациентов.

«Мы смогли обнаружить небольшие изменения активности этих 11 генов у пациентов за 2-5 дней до постановки им клинического диагноза», — сказал доктор Хатри. Это может означать более раннюю диагностику, в сравнение с существующими подходами, что является ключевым, учитывая скорость, с которой растет смертность от сепсиса, если он получает прочную позицию.

«Определение сигнатуры активации генов показало более высокую точность обнаружения сепсиса, чем методы, используемые в настоящее время, — говорит доктор Суини. – Комбинация новой техники с другими современными диагностическими методами, вероятно, будет более точной, чем использование какого-то одного способа».