Il test di emocoltura a singola cellula riduce i tempi di diagnosi della sepsi da giorni a ore. / Single-Cell Blood Culture Test Shortens Sepsis Diagnosis from Days to Hours

 Il test di emocoltura a singola cellula riduce i tempi di diagnosi della sepsi da giorni a ore. / Single-Cell Blood Culture Test Shortens Sepsis Diagnosis from Days to Hours

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Secondo uno studio pubblicato oggi su Science Advances, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo metodo per diagnosticare in modo completo le infezioni del flusso sanguigno e la sepsi in sole sette ore. Il test combina l'analisi a singola cellula con il barcoding molecolare per identificare i patogeni a concentrazioni molto basse e determinare quali antibiotici sono più efficaci contro di essi. 

"Utilizzando le tecnologie di analisi a singola cellula sviluppate dal nostro gruppo, possiamo identificare con precisione gli agenti patogeni nel sangue anche quando sono presenti a concentrazioni molto basse", ha affermato Pak Kin Wong, PhD, professore di ingegneria biomedica e ingegneria meccanica presso la Pennsylvania State University. "Identificare il patogeno non è sufficiente; dobbiamo anche determinare quali antibiotici sono efficaci contro di esso. Questo ci ha portato ad integrare i test di sensibilità agli antibiotici nello stesso processo, fornendo ai medici le informazioni necessarie per selezionare il trattamento più appropriato."  

Le infezioni del flusso sanguigno spesso evolvono in sepsi, causando infiammazione sistemica e insufficienza d'organo, e sono responsabili di circa un terzo di tutti i decessi ospedalieri. Nonostante la gravità della condizione, il metodo standard per la diagnosi di sepsi richiede dai due ai sette giorni per identificare i batteri responsabili dell'infezione. Sebbene l'inizio tempestivo del trattamento corretto sia fondamentale per la sopravvivenza del paziente, ricevere una terapia inadeguata può aumentare il rischio di morte. Tuttavia, i medici sono spesso costretti a ricorrere ad antibiotici ad ampio spettro prima di identificare i batteri responsabili, poiché attendere una diagnosi definitiva può ritardare un trattamento potenzialmente salvavita. 

"Per un medico, 'qual è la causa specifica di questa infezione e come va trattata?' sono le domande più importanti per una gestione tempestiva di un'infezione del flusso sanguigno", ha affermato Wong. "Stiamo sviluppando una piattaforma diagnostica completa che indica rapidamente ai medici sia il batterio specifico responsabile dell'infezione del flusso sanguigno, sia l'antibiotico ideale per trattarla, prima ancora che si manifesti la sepsi."  

La diagnosi delle infezioni del flusso sanguigno rimane complessa a causa della bassissima carica patogena, della complessa composizione del sangue, dell'ampia diversità dei patogeni e della presentazione clinica aspecifica. Il principale collo di bottiglia degli attuali metodi diagnostici risiede nell'emocoltura, che prevede l'arricchimento dei batteri presenti nel campione di sangue del paziente fino a raggiungere livelli rilevabili e può richiedere da uno a cinque giorni a seconda della velocità di crescita microbica. Le colture positive devono poi essere sottoposte ad un'ulteriore identificazione del patogeno ed a test di sensibilità agli antimicrobici, aggiungendo altri uno o due giorni all'intero processo. 

Negli ultimi anni, i fornitori commerciali hanno iniziato ad offrire alternative diagnostiche senza coltura, utilizzando tecniche di sequenziamento di nuova generazione dirette. Tuttavia, questi approcci possono essere costosi e potrebbero sacrificare la completezza e la sensibilità a favore della velocità. 

"Non si tratta di un test per il COVID, in cui verifichiamo la presenza di uno specifico virus nell'organismo del paziente", ha affermato Wong. "Molti batteri diversi possono causare sepsi e possono rispondere in modo diverso al trattamento. Pertanto, l'analisi deve essere approfondita per garantire la prescrizione della terapia più appropriata."  

Il gruppo di Wong ha sviluppato una piattaforma in grado di coltivare, isolare ed analizzare simultaneamente i batteri presenti in un campione di sangue. I campioni vengono raccolti ad intervalli regolari durante tutto il processo di coltura per rilevare la crescita batterica precoce ed eseguire il barcoding molecolare a singola cellula e test antimicrobici, consentendo un rilevamento batterico affidabile in sole sette ore.

"Anziché prelevare campioni in un punto specifico dopo la coltura, li raccogliamo in diversi momenti durante l'intero processo di coltura", ha affermato Wong. "Questo approccio mantiene un rilevamento batterico affidabile riducendo al minimo i tempi di ottenimento dei risultati." 

La piattaforma è stata testata su 104 campioni prelevati da pazienti con infezioni del flusso sanguigno presso il Penn State Hershey Medical Center. I risultati del barcoding molecolare hanno mostrato un'accuratezza del 96% rispetto ai risultati di laboratorio clinico, mentre i test di sensibilità antimicrobica hanno prodotto una concordanza del 98,9% su 219 combinazioni farmaco-dosaggio. Il nuovo metodo ha fornito risultati completi in una media di nove ore e ha dimostrato limiti di rilevamento estremamente bassi, fino a 50 volte inferiori a quelli delle tecnologie di isolamento esistenti. 

"Stiamo integrando l'intelligenza artificiale e l'automazione di laboratorio per rendere l'intero processo ancora più efficiente e preciso", ha affermato Wong. "Questo framework è scalabile, quindi l'elenco degli agenti patogeni che possiamo rilevare potrebbe essere ampliato. Riteniamo di poter adattare questo approccio per identificare infezioni provenienti da fonti diverse dai batteri, come le infezioni fungine."  

ENGLISH

Scientists have developed a new method to comprehensively diagnose bloodstream infections and sepsis in as little as seven hours, according to a study published today in Science Advances. The test combines single-cell analysis with molecular barcoding to identify pathogens at very low concentrations and determine which antibiotics are most effective against them. 

“Using single-cell analysis technologies developed by our team, we can accurately identify pathogens in blood even when they are present at very low concentrations,” said Pak Kin Wong, PhD, professor of biomedical engineering and mechanical engineering at Pennsylvania State University. “Identifying the pathogen alone is not enough; we must also determine which antibiotics are effective against it. This led us to integrate antibiotic susceptibility testing into the same process, providing physicians with the information needed to select the most appropriate treatment.”  

Bloodstream infections often progress to sepsis, causing systemic inflammation and organ failure, and accounting for about a third of all hospital deaths. Despite the severity of the condition, the gold standard method to diagnose sepsis takes between two to seven days to identify the bacteria causing the infection. While early initiation of the right treatment is critical for patient survival, receiving an inappropriate treatment can increase the risk of death. However, clinicians must often resort to broad-spectrum antibiotics before the causative bacteria are identified, as waiting for a definitive diagnosis can delay potentially life-saving treatment. 

“For a physician, ‘what actually caused this infection and how should it be treated?’ are the most important questions when it comes to the timely management of a bloodstream infection,” said Wong. “We are developing a comprehensive diagnostic platform that rapidly tells physicians both the specific bacteria causing a bloodstream infection, as well as the ideal antibiotic to treat the infection, before sepsis ever sets in.”  

Diagnosing bloodstream infections remains challenging due to extremely low pathogen loads, the complex composition of the blood, broad pathogen diversity, and nonspecific clinical presentations. The major bottleneck of current diagnostic methods lies in blood culture, which involves enriching bacteria present in a patient’s blood sample to detectable levels and can take between one to five days depending on microbial growth rates. Positive cultures must then undergo separate pathogen identification and antimicrobial susceptibility testing, adding another one to two more days to the entire process. 

In recent years, commercial providers have started offering culture-free diagnostic alternatives using direct next-generation sequencing techniques. However, these approaches can be costly and may trade comprehensiveness and sensitivity for speed. 

“This is not like a COVID test, where we are checking to see if a specific virus is present in a patient’s system,” said Wong. “Many different bacteria can cause sepsis, and they may respond differently to treatment. Therefore, analysis must be thorough to ensure the best treatment is prescribed.”  

Wong’s team developed a platform that can simultaneously grow, isolate, and analyze bacteria present in a blood sample. Samples are collected at regular intervals throughout the culture process to detect early bacterial growth and perform single-cell molecular barcoding and antimicrobial tests enabling reliable bacterial detection in as little as seven hours.

“Instead of sampling at a particular endpoint after culture, we collect samples at multiple time points throughout the culture process,” Wong said. “This approach maintains robust bacterial detection while minimizing the time to results.” 

The platform was tested on 104 samples from patients with bloodstream infections at Penn State Hershey Medical Center. Molecular barcoding results showed 96% accuracy compared to clinical laboratory results, while antimicrobial susceptibility testing yielded 98.9% agreement across 219 drug-dose combinations. The new method delivered comprehensive results within an average of nine hours and demonstrated ultralow detection limits, up to 50 times lower than those of existing isolation technologies. 

“We are integrating artificial intelligence and lab automation to make the entire process even more efficient and accurate,” Wong said. “This framework is scalable, so the list of pathogens we can detect could feasibly be expanded. We believe we could adapt this approach to identify infections originating from sources other than bacteria, like fungal infections.”  

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/molecular-dx/single-cell-blood-culture-test-shortens-sepsis-diagnosis-from-days-to-hours/?_hsenc=p2ANqtz-_T6jHG9uJL3XBrQoMxBKdEKHzh-_JRe-vanoAx7rmQ1gyqOrmh0_d3xTT9VThNZoUG9BxRNm_OtYlISssnO7KOYmO5L-uZVO0WCtkdgSHFcZ4YS7M&_hsmi=435771176