Une nouvelle méthode d’analyse permet de détecter les agents pathogènes dans les échantillons de sang plus rapidement et avec plus de précision que les hémocultures, qui constituent l’état actuel de l’art en matière de diagnostic des infections. La nouvelle méthode, appelée analyse numérique de fusion de l’ADN, peut produire des résultats en moins de six heures, alors que la culture nécessite généralement de 15 heures à plusieurs jours, selon l’agent pathogène.
Non seulement cette méthode est plus rapide que les hémocultures, mais elle est également beaucoup moins susceptible de générer des faux positifs par rapport à d’autres technologies émergentes basées sur la détection de l’ADN telles que le séquençage de nouvelle génération.
En quoi est-ce important?
C’est une expérience que la plupart des parents ont vécue : vous emmenez votre enfant chez le médecin parce qu’il a de la fièvre, peut-être qu’il tousse ou qu’il éternue. Votre enfant a une infection, dit le médecin, mais on ne sait pas si elle est bactérienne ou virale. Parfois, le médecin prescrira des antibiotiques « juste au cas où ». Parfois, ils ordonneront une prise de sang pour voir si des bactéries sont présentes. Parfois, le résultat deviendra négatif deux à trois jours plus tard, après quoi il vous sera demandé de continuer à donner les antibiotiques à votre enfant afin qu’il ne commence pas à cultiver des bactéries résistantes aux antibiotiques dans son corps.
Ce même scénario se joue dans les unités de soins intensifs pédiatriques et les salles d’urgence, avec des enjeux plus élevés, lorsqu’un enfant présente des symptômes de sepsis. Dans ce cas, jusqu’à 30 % des patients reçoivent un mauvais traitement, ce qui les expose à un risque plus élevé de mourir. Dans le cas du sepsis, la rapidité est encore plus essentielle, puisque le risque de mortalité augmente de 4 % chaque heure pendant laquelle l’infection n’est pas diagnostiquée ou est traitée de manière imprécise.
Les chercheurs ont mené une étude clinique pilote sur des échantillons de sang provenant de patients pédiatriques et ont montré que les résultats de leur méthode correspondaient exactement aux résultats des hémocultures pour détecter la septicémie. Mais leur méthode a détecté les agents pathogènes 7,5 heures à environ 3 jours plus rapidement que l’hémoculture clinique. Les tests vont également au-delà d’un simple résultat positif ou négatif pour quantifier la quantité d’agent pathogène présente dans les échantillons.
La méthode repose sur la fusion numérique universelle de l’ADN à haute résolution, où l’ADN est chauffé jusqu’à ce qu’il se désagrège. Chaque séquence d’ADN possède une signature spécifique lors de la fusion. À mesure que le processus de fusion est imagé et analysé, les algorithmes d’apprentissage automatique déterminent quels types d’ADN sont présents dans les échantillons et identifient les agents pathogènes.
L’équipe de recherche présente ses conclusions dans le numéro du 21 février de Le Journal des diagnostics moléculaires.
C’est la première fois que cette méthode est testée sur du sang total provenant de patients suspectés de sepsis. Cette étude constitue donc un aperçu plus réaliste de la manière dont la technologie pourrait fonctionner dans des scénarios cliniques réels. »
Stephanie Fraley, auteur principal de l’article et professeur au département de bio-ingénierie Shu Chien-Gene Lay, Université de Californie à San Diego
On estime qu’un décès sur cinq dans le monde est dû à des complications liées à la septicémie. Et 41 % de ces décès surviennent chez les enfants. La détection précoce est essentielle à la survie du sepsis, car le risque de mortalité augmente de 4 % pour chaque heure pendant laquelle l’infection n’est pas diagnostiquée ou est traitée de manière inexacte.
En règle générale, les médecins mettent les patients atteints de sepsis sous antibiotiques en attendant les résultats des hémocultures. Cela peut conduire à une résistance aux antibiotiques à long terme.
« En fin de compte, nous ne traitons pas sur la base de preuves », a déclaré Fraley. « Et plus nous traitons sans preuves, plus nous pouvons causer des problèmes involontaires. Parfois, nous traitons des patients atteints d’infections fongiques ou virales avec des antibactériens. Cela peut provoquer une résistance aux antibiotiques et modifier considérablement le microbiome du patient. »
Comment fonctionne la méthode
Tout a commencé avec un millilitre de sang provenant de chaque échantillon provenant de 17 patients participant à l’étude clinique pilote. Les échantillons ont été collectés en même temps que des échantillons d’hémocultures provenant de nourrissons et de jeunes enfants.
Les chercheurs ont perfectionné l’isolement de l’ADN et les méthodes d’apprentissage automatique pour réduire ou éliminer les signaux de l’ADN humain par rapport à l’ADN pathogène présent dans les échantillons. « , a déclaré Fraley.
Mridu Sinha, l’un des anciens doctorants de Fraley. étudiants et maintenant PDG de Melio, la startup qu’ils ont cofondée, ont optimisé un algorithme d’apprentissage automatique pour détecter de manière fiable la différence entre les courbes de fusion des agents pathogènes et le bruit de fond. L’algorithme associe les courbes à une base de données de courbes de fusion d’ADN connues. Il est également capable de détecter les courbes créées par des organismes qui ne figurent pas dans cette base de données, qui pourraient apparaître dans un échantillon s’il contient des agents pathogènes rares ou émergents.
Les résultats ne correspondaient pas seulement exactement aux résultats des hémocultures des mêmes échantillons de sang ; ils n’ont également produit aucun faux positif. En revanche, d’autres types de tests reposant sur l’amplification des acides nucléiques et les bases de données de séquençage d’ADN de nouvelle génération amplifieront tout ADN présent, conduisant à des faux positifs. Souvent, l’ADN pénètre dans l’échantillon à partir de l’environnement, des tubes à essai, des réactifs, de la peau, etc. La contamination des échantillons peut entraîner des problèmes pour savoir comment interpréter les résultats des tests.
« Notre test intègre des processus de préparation d’échantillons, des techniques de conception de tests et des algorithmes qui garantissent que nous détectons uniquement l’ADN d’organismes intacts, ce qui est cliniquement pertinent », a déclaré Sinha.
Les prochaines étapes comprennent la réalisation d’une étude clinique plus large ainsi que l’extension de la méthode aux patients adultes.
Fraley et Sinha ont obtenu une licence pour la technologie de l’UC San Diego et ont cofondé la startup Melio pour commercialiser leur méthode.
« Nous voulons donner aux médecins la possibilité de traiter leurs patients non pas sur la base de données globales, mais sur des données individuelles précises et exactes, permettant ainsi une médecine véritablement personnalisée », a déclaré Fraley.
Qu’est-ce que la fonte de l’ADN ?
L’ADN contenu dans les échantillons de sang est chauffé, ce qui le fait fondre à des températures comprises entre 50 et 90 degrés Celsius, soit environ 120 à 190 degrés Fahrenheit.
À mesure que la double hélice de l’ADN fond, les liaisons qui maintiennent les brins d’ADN ensemble se brisent. Selon la séquence de l’ADN, les liaisons ont des forces différentes, ce qui modifie la façon dont les brins se déroulent les uns des autres. Cela crée une empreinte digitale unique, dépendante de la séquence, que les chercheurs peuvent détecter à l’aide d’un colorant spécial. Le colorant provoque l’émission d’une lumière fluorescente par le processus de déroulement, créant ce que les chercheurs appellent une courbe de fusion ; une signature unique pour chaque type d’agent pathogène.
Dans le passé, la fusion de l’ADN produisait des courbes simples qui étaient principalement utilisées pour confirmer qu’une réaction PCR fonctionnait, mais cette nouvelle approche fait progresser la fusion pour générer des signatures de courbes de fusion complexes qui sont uniques aux séquences génétiques.
Le travail a été financé par l’Institut national des allergies et des maladies infectieuses des National Institutes of Health (numéro de récompense R01AI134982 au SIF), un prix de carrière du Burroughs Wellcome Fund à l’interface scientifique (numéro de récompense 1012027 au SIF) et la recherche translationnelle clinique de l’UCSD. Subventions pilotes de l’Institut et de l’UCSD pour accélérer la mise sur le marché des innovations.
Citation du Dr Karen Mestan, chef de la division de néonatologie de l’hôpital pour enfants Rady et du département de pédiatrie de l’UC San Diego :
« Les résultats de cette étude répondent à un besoin important en pédiatrie, en particulier chez les nourrissons et les jeunes enfants gravement malades chez lesquels les signes cliniques de bactériémie sont extrêmement difficiles à déchiffrer. Dans les contextes de sepsis subclinique précoce, ainsi que de choc septique écrasant, l’agent pathogène bactérien est souvent difficile à identifier avec précision et en temps opportun. Un test offrant une plus grande fiabilité et un délai d’exécution plus court que la pratique actuelle est nécessaire de toute urgence. L’application clinique éventuelle de l’U-dHRM entraînera une réduction de l’exposition inutile aux antibiotiques, la prévention des effets secondaires indésirables et de la résistance mondiale aux antibiotiques, une meilleure gestion des antibiotiques, une précision diagnostique améliorée et plus rapide et des résultats pédiatriques globalement améliorés. En cas d’infection grave du sang, cela pourrait sauver des vies.«
