שיטת ניתוח חדשה יכולה לזהות פתוגנים בדגימות דם בצורה מהירה ומדויקת יותר מאשר תרביות דם, שהן המצב העכשווי לאבחון זיהום. השיטה החדשה, הנקראת ניתוח המסת DNA דיגיטלי, יכולה להפיק תוצאות תוך פחות משש שעות, בעוד שהתרבות דורשת בדרך כלל 15 שעות עד מספר ימים, תלוי בפתוגן.
לא רק ששיטה זו מהירה יותר מתרביות דם, היא גם פחותה משמעותית לייצר תוצאות חיוביות שגויות בהשוואה לטכנולוגיות אחרות המתפתחות מבוססות זיהוי DNA כגון Next Generation Sequencing.
למה זה משנה?
זו חוויה שרוב ההורים חוו: אתה לוקח את הילד שלך לרופא, כי יש לו חום, אולי משתעל או מתעטש. לילד שלך יש זיהום, אומר הרופא, אבל לא ברור אם זה חיידקי או ויראלי. לפעמים, הרופא ירשום אנטיביוטיקה "למקרה". לפעמים, הם יזמינו הוצאת דם כדי לראות אם קיימים חיידקים. לפעמים, התוצאה תחזור שלילית כעבור יומיים עד שלושה, ובשלב זה תתבקש להמשיך לתת את האנטיביוטיקה לילדך כדי שלא יתחילו לטפח בגופו חיידקים עמידים לאנטיביוטיקה.
אותו תרחיש זה מתרחש ביחידות נמרץ לילדים ובחדרי מיון, עם סיכון גבוה יותר, כאשר ילד מציג תסמינים של אלח דם. במקרה זה, עד 30% מהמטופלים מקבלים טיפול שגוי, שלמעשה מעמיד אותם בסיכון גבוה יותר למות. עם אלח דם, מהירות היא אפילו יותר מהות, שכן הסיכון לתמותה עולה ב-4% בכל שעה שהזיהום אינו מאובחן או מטופל בצורה לא מדויקת.
חוקרים ערכו מחקר קליני פיילוט של דגימות דם מחולים ילדים והראו שהתוצאות מהשיטה שלהם תאמו בדיוק את תוצאות תרבית הדם בזיהוי אלח דם. אבל השיטה שלהם זיהתה פתוגנים 7.5 שעות עד כ-3 ימים מהר יותר מתרבית דם קלינית. הבדיקות גם חורגות מתוצאה חיובית או שלילית פשוטה כדי לכמת כמה מהפתוגן קיים בדגימות.
השיטה מסתמכת על המסת DNA דיגיטלית אוניברסלית ברזולוציה גבוהה, שבה ה-DNA מחומם עד שהוא מתפרק. לכל רצף של DNA יש חתימה ספציפית במהלך ההיתוך. כאשר תהליך ההיתוך מצטלם ומנתח, אלגוריתמי למידת מכונה קובעים אילו סוגי DNA קיימים בדגימות ומזהים פתוגנים.
צוות המחקר מציג את ממצאיו בגיליון 21 בפברואר של כתב העת לאבחון מולקולרי.
זו הפעם הראשונה ששיטה זו נבדקת על דם מלא של חולים החשודים כסובלים מאלח דם. אז המחקר הזה הוא תצוגה מקדימה מציאותית יותר של איך הטכנולוגיה יכולה להופיע בתרחישים קליניים אמיתיים."
סטפני פראלי, הסופרת הבכירה של המאמר ופרופסור במחלקה לביו-הנדסה של שו צ'ין-ג'ין, אוניברסיטת קליפורניה, סן דייגו
לפי הערכות, אחד מכל חמישה מקרי מוות ברחבי העולם נובע מסיבוכים הקשורים לאלח דם. ו-41% ממקרי המוות הללו מתרחשים בילדים. גילוי מוקדם הוא קריטי להישרדות אלח דם, שכן הסיכון לתמותה עולה ב-4% עבור כל שעה שבה הזיהום אינו מאובחן או מטופל בצורה לא מדויקת.
בדרך כלל, רופאים נותנים לחולי אלח דם אנטיביוטיקה בזמן שהם ממתינים לתוצאות מתרביות דם. זה יכול להוביל לעמידות לאנטיביוטיקה בהמשך הקו.
"השורה התחתונה היא שאנחנו לא מתייחסים על סמך ראיות", אמר פריילי. "וככל שאנו מטפלים יותר ללא ראיות, כך נוכל לגרום לבעיות לא מכוונות. לפעמים, אנו מטפלים בחולים שיש להם זיהומים פטרייתיים או ויראליים באמצעות אנטיבקטריאלים. זה יכול לגרום לעמידות לאנטיביוטיקה ולשנות את המיקרוביום של החולה בצורה משמעותית".
איך השיטה עובדת
הכל התחיל עם מיליליטר אחד של דם מכל דגימה של 17 חולים במחקר הקליני הפיילוט. הדגימות נאספו במקביל לדגימות לתרביות דם מתינוקות ופעוטות.
חוקרים שיכללו שיטות בידוד DNA ולמידת מכונה כדי לצמצם או להעלים אותות מה-DNA האנושי בהשוואה ל-DNA הפתוגן בדגימות." מאחר שה-DNA האנושי עולה על ה-DNA הפתוגן באופן משמעותי, זה מאפשר לנו לזהות טוב יותר את 'המחט בערימת השחת' שהיא הפתוגן. " אמר פריילי.
מרידו סינהא, אחד מהדוקטורנטים לשעבר של פראלי. סטודנטים וכיום מנכ"ל Melio, חברת הסטארט-אפ שהם הקימו יחד, ייעלו אלגוריתם למידת מכונה כדי לזהות בצורה מהימנה את ההבדל בין עקומות נמס מהפתוגנים לבין רעשי רקע. האלגוריתם מתאים את העקומות למסד נתונים של עקומות התכה של DNA ידועות. הוא גם מסוגל לזהות עקומות שנוצרו על ידי אורגניזמים שאינם נמצאים במסד הנתונים הזה, שיכולות להופיע בדגימה אם היא מכילה פתוגנים נדירים או מתעוררים.
התוצאות לא רק התאימו בדיוק לתוצאות מתרביות דם מאותן דגימות דם; הם גם לא הפיקו תוצאות כוזבות. לעומת זאת, סוגים אחרים של בדיקות המסתמכות על הגברה של חומצות גרעין ומסדי נתונים של ריצוף DNA מהדור הבא יגבירו כל DNA קיים, מה שיוביל לתוצאות חיוביות שגויות. לעתים קרובות, DNA נכנס לשפע מהסביבה, מבחנות, ריאגנטים, עור ועוד. זיהום מדגימה יכול לגרום לבעיות עם הידיעה כיצד לפרש את תוצאות הבדיקה.
"הבדיקה שלנו שילבה תהליכי הכנת דגימות, טכניקות תכנון מבחני ואלגוריתמים המבטיחים שאנו מזהים רק DNA מאורגניזמים שלמים, וזה רלוונטי מבחינה קלינית", אמר סינהא.
השלבים הבאים כוללים ביצוע מחקר קליני רחב יותר, וכן הרחבת השיטה למטופלים בוגרים.
Fraley ו-Sinha נתנו רישיון לטכנולוגיה מאוניברסיטת סן דייגו והקימו יחד את הסטארט-אפ Melio כדי למסחר את השיטה שלהם.
"אנחנו רוצים לתת לרופאים את היכולת לטפל בחולים שלהם לא על סמך נתונים מצטברים, אלא עם נתונים אישיים מדויקים ומדויקים, המאפשרים רפואה מותאמת אישית באמת", אמר פראלי.
מהו המסת DNA?
ה-DNA בדגימות הדם מחומם וגורם לו להימס בטמפרטורות שבין 50 ל-90 מעלות צלזיוס – בערך 120 עד 190 מעלות פרנהייט.
כשהסליל הכפול של ה-DNA נמס, הקשרים המחזיקים את גדילי ה-DNA נשברים. בהתאם לרצף של ה-DNA, לקשרים יש חוזקות שונות, וזה משנה את האופן שבו הגדילים מתנתקים זה מזה. זה יוצר טביעת אצבע ייחודית תלוית רצף, אותה יכולים החוקרים לזהות באמצעות צבע מיוחד. הצבע גורם לתהליך ההתפרקות להפיץ אור פלואורסצנטי, ויוצר מה שהחוקרים מכנים עקומת התכה – חתימה ייחודית לכל סוג של פתוגן.
בעבר, התכה של DNA יצרה עקומות פשוטות ששימשו בעיקר כדי לאשר שתגובת PCR עבדה, אך גישה חדשה זו מקדמת את ההיתוך ליצירת חתימות מורכבות של עקומת ההיתוך הייחודית לרצפי גנים.
העבודה מומנה על ידי המכון הלאומי לאלרגיה ומחלות זיהומיות של המכונים הלאומיים לבריאות (מספר פרס R01AI134982 ל-SIF), פרס קריירה של Burroughs Wellcome Fund בממשק המדעי (פרס מספר 1012027 ל-SIF), ומחקר תרגומי קליני של UCSD מענקי פיילוט של המכון וה-UCSD האצת חידושים לשוק.
ציטוט מאת ד"ר קארן מסטן, ראש המחלקה לניאונטולוגיה בבית החולים לילדים ראדי ובמחלקת רפואת ילדים באוניברסיטת סן דייגו:
"ממצאי מחקר זה ממלאים צורך חשוב ברפואת ילדים, במיוחד עבור תינוקות חולים קשים וילדים קטנים שבהם קשה מאוד לפענח את הסימנים הקליניים של בקטרמיה. במצבים של אלח דם תת-קליני מוקדם, וגם הלם ספטי מכריע, לעיתים קרובות קשה לזהות את הפתוגן החיידקי במדויק ובזמן. יש צורך דחוף בבדיקה המספקת אמינות גבוהה יותר ותפנית קצרה יותר מהנוהג הקיים. יישום קליני בסופו של דבר של U-dHRM יוביל להפחתה בחשיפה מיותרת לאנטיביוטיקה, מניעת תופעות לוואי בלתי רצויות ועמידות לאנטיביוטיקה עולמית, ניהול אנטיביוטי טוב יותר, דיוק אבחון משופר ומהיר יותר, ושיפור כללי בתוצאות ילדים. במקרים של זיהום חמור בזרם הדם, זה יכול להציל חיים."
