Le moment «a-ha» de David Gonzalez est venu lorsqu'un collègue médecin, George Sakoulas, MD, a partagé avec lui l'un des plus gros problèmes rencontrés dans la pratique clinique: combien de temps il faut pour diagnostiquer un patient.
Plus vite nous savons ce qui va arriver à nos patients, mieux nous pouvons les traiter. «
George Sakoulas MD, spécialiste des maladies infectieuses et professeur associé associé de pédiatrie, Ecole de Médecine, Université de Californie à San Diego
Gonzalez est un biochimiste spécialisé en protéomique. La génomique étant l'étude de tous les gènes d'une cellule ou d'un organisme, la protéomique est l'étude de toutes les protéines. Il utilise des outils de pointe pour identifier les protéines dans un échantillon mixte en fonction de leur poids moléculaire -; une technique appelée spectrométrie de masse.
Alors Gonzalez a pensé: Et si une «lecture» protéomique du sang d'une personne pouvait aider à identifier qui a le plus besoin d'aide dès le début, afin qu'ils puissent être traités rapidement et de manière appropriée?
Maintenant, à peine deux ans après avoir reçu leurs premiers échantillons de sang de patients pour étude, Gonzalez et ses collègues ont identifié une signature collective de protéines et de métabolites associés à la mort due à Staphylococcus aureus bactériémie -; une infection bactérienne dans le sang qui tue 20 à 30 pour cent des patients qui la contractent.
En laboratoire, les scientifiques affirment que ces indicateurs moléculaires, ou biomarqueurs, peuvent prédire qui est le plus à risque de mourir de l'infection avec une précision exceptionnelle.
Dans l'étude, publiée le 3 septembre 2020 dans Cellule, l'équipe décrit l'une des évaluations moléculaires les plus complètes du sérum sanguin de toute réponse humaine à une infection à ce jour. Ils ont également validé leurs résultats dans des modèles murins de S. aureus bactériémie.
«Cette découverte est un pas en avant vers un outil prédictif au point de service pour le risque de bactériémie», a déclaré Gonzalez, PhD, auteur principal et professeur adjoint à la faculté de médecine de l'UC San Diego et à la Skaggs School of Pharmacy and Pharmaceutical Sciences.
«Cela ouvre également de nombreuses nouvelles questions biologiques de base sur la façon dont notre système immunitaire réagit aux infections. Gonzalez a dirigé l'étude avec le premier auteur Jacob Wozniak, PhD, étudiant diplômé dans son laboratoire à l'époque.
Gonzalez et son équipe ont utilisé la spectrométrie de masse pour analyser plus de 10000 protéines et métabolites dans plus de 200 échantillons de sérum prélevés dans le sang de patients atteints de S. aureus bactériémie. Le sérum est notoirement difficile à étudier, a-t-il déclaré, car il est fortement chargé d'une poignée de protéines sériques très abondantes.
« Donc, au début, la profondeur de nos données protéomiques était totalement décevante », a déclaré Gonzalez. « Nous n'avons pas appris autant que nous l'avions espéré sur les protéines sériques. »
Mais cet obstacle initial a seulement inspiré l'équipe à examiner plus en profondeur les modifications post-traductionnelles -; les additions chimiques ajoutées aux protéines après leur construction. Selon Gonzalez, les modifications post-traductionnelles sont pour la plupart un territoire inexploré. De nombreux efforts de recherche sont axés sur la génomique, mais le gène qui code une protéine ne révèle pas grand-chose sur la façon dont elle pourrait être modifiée plus tard.
« Si je voulais tout savoir sur vous, je vous parlerais directement, pas à votre deuxième cousin », a déclaré Gonzalez. « Même chose ici -; nous pouvons obtenir des informations nouvelles et importantes en » demandant « directement les protéines, plutôt que leurs gènes, et la spectrométrie de masse est actuellement la meilleure façon de le faire de manière impartiale. »
Avec cette approche, l'équipe a identifié un modèle spécifique de protéines avec et sans modifications post-traductionnelles qui différaient dans le sérum des patients qui sont finalement décédés de S. aureus bactériémie par rapport à ceux qui ne l’ont pas fait.
Les biomarqueurs les plus fortement associés à la mort comprenaient des niveaux plus faibles de fétuine A glycosylée (enrobée de sucre), de fétine B non modifiée et de thyroxine, un régulateur principal du métabolisme, ainsi que des niveaux plus élevés de carbamylation des protéines sériques, une autre modification post-traductionnelle.
Plusieurs de ces nouveaux biomarqueurs sont déjà connus pour être associés à la maladie -; des taux élevés de fétuine sont associés à l'obésité et au diabète, la carbamylation a été associée à une maladie rénale -; mais peu d'entre eux ont déjà été liés à des infections bactériennes.
Bien que les analyses aient révélé des différences sériques entre les patients à faible et à haut risque, il n'était pas clair si ces molécules contribuent réellement à la maladie ou sont simplement des spectateurs. Gonzalez et son équipe ont donc utilisé un modèle de souris de S. aureus bactériémie pour explorer les causes et les effets.
Ils ont constaté que les souris avec des niveaux de thyroxine plus élevés avaient un taux de survie quatre fois plus élevé 48 heures après l'infection que les souris témoins. Ces résultats indiquent qu'au moins un des biomarqueurs identifiés joue un rôle direct dans l'issue de la maladie.
Dans le passé, d'autres groupes de recherche ont développé des méthodes alternatives pour prédire le risque de décès d'un patient dû à une bactériémie. Au mieux, Gonzalez dit que leur précision allait de passable à bonne.
Avec la nouvelle méthode de prédiction de son équipe basée sur la protéomique, ils pourraient prédire qui est le plus susceptible de mourir S. aureus bactériémie avec une excellente prévisibilité.
Pour le dire quantitativement, l'aire sous la courbe (AUC) était de 0,95; 1.0 est parfait et tout ce qui est au-dessus de 0,90 est considéré comme excellent dans cette mesure standard de la capacité d'un test à classer correctement ceux avec et sans la maladie.
«Nous avons tendance à traiter tous les patients atteints de bactériémie avec les mêmes antibiotiques bon marché, mais nous savons qu'ils ne fonctionnent que pour 80% de ces patients», a déclaré Sakoulas, co-auteur de l'étude. « Nous devons savoir dès le départ qui tombe dans ces 20 pour cent qui nécessiteront un régime de traitement plus complexe, afin de ne pas perdre de temps avec des essais et des erreurs. »
L'équipe travaille maintenant à traduire ses observations de spectrométrie de masse en laboratoire en un test clinique rapide utilisant des sondes d'anticorps pour détecter S. aureus protéines associées à la bactériémie. Ils élargissent également l'approche pour examiner les marqueurs protéomiques et métabolomiques indicatifs de patients à haut risque atteints d'autres types d'infections, y compris le COVID-19.
En outre, les chercheurs suivent les protéines et les modifications révélées dans l'étude, explorant leurs origines, leurs rôles dans la réponse immunitaire et leur potentiel en tant que cibles thérapeutiques.
La source:
Université de Californie-San Diego
Référence du journal:
Wozniak, J. M., et al. (2020) Le profilage du risque de mortalité de la bactériémie à Staphylococcus aureus par analyse multi-omique du sérum révèle des signatures prédictives et pathogènes précoces. Cellule. doi.org/10.1016/j.cell.2020.07.040.
