Badacze z Cornell stworzyli narzędzie diagnostyczne, wykorzystując technologię bezkomórkową RNA w celu rozróżnienia między stanami zapalnymi u dzieci, takimi jak MIS-C i choroba Kawasaki. Narzędzie to monitoruje również stan narządów i zostało opracowane przy wsparciu NIH.
RNA jest uwalniane z komórek w wyniku śmierci komórki lub aktywnego wydzielania i może ostatecznie przedostać się do krwioobiegu. Zespół badawczy kierowany przez Uniwersytet Cornell stworzył modele uczenia maszynowego, które wykorzystują te bezkomórkowe fragmenty RNA do diagnozowania trudnych do różnicowania stanów zapalnych u dzieci.
Narzędzie diagnostyczne może dokładnie określić, czy pacjent cierpi na chorobę Kawasaki (KD), wieloukładowy zespół zapalny u dzieci (MIS-C), infekcję wirusową czy bakteryjną, jednocześnie monitorując stan zdrowia narządów pacjenta.
Choroby zapalne stanowią szczególne zagrożenie dla dzieci, ponieważ objawy – takie jak gorączka i wysypka – są ogólne, a pacjenci często zostają błędnie zdiagnozowani. W przypadku nieodpowiedniego leczenia MIS-C może powodować obrzęk serca, płuc, mózgu i innych narządów. Podobnie choroba Parkinsona – główna przyczyna nabytych chorób serca u dzieci – może prowadzić do tętniaków serca i zawałów serca. Test na bazie bezkomórkowego RNA byłby pierwszym molekularnym narzędziem diagnostycznym, którego lekarze mogliby użyć do wykrycia tych stanów zapalnych w kluczowym wczesnym stadium u dzieci.
Początki badań i wczesne ustalenia
Artykuł zespołu ukazał się w czasopiśmie „ Postępowanie Narodowej Akademii Nauk. Zespołem z Cornell kierował Iwijn De Vlaminck, profesor nadzwyczajny inżynierii biomedycznej i współautor artykułu. Głównym autorem jest Conor Loy, obecnie członek Ignite Fellow for New Ventures.
Odkrycia wynikają z wcześniejszej współpracy, która rozpoczęła się cztery lata temu i wykorzystywała sekwencjonowanie nowej generacji do scharakteryzowania ciężkich przypadków COVID 19 i MIS-C u dzieci, których poziom wzrósł podczas pandemii. Początkowo De Vlaminck i Loy skupiali się na potencjale stosowania technologii bezkomórkowych DNA do badania chorób, ale coraz bardziej interesowali się bezkomórkowym RNA ze względu na bogatą zawartość informacyjną, jaką zapewnia. Chociaż wykazano, że bezkomórkowy RNA jest skutecznym biomarkerem ciąży i raka, nie jest on tak dobrze zbadany jak DNA bezkomórkowy.
Zalety bezkomórkowego RNA
„Kiedy analizujesz RNA w osoczepatrzymy na RNA z umierających komórek, a także RNA uwolniony z komórek w dowolnym miejscu ciała” – powiedział Loy. „To daje ogromną przewagę. W stanach zapalnych dochodzi do dużej śmierci komórek. W niektórych przypadkach komórki eksplodują, a ich RNA zostaje uwolnione do osocza. Izolując ten RNA i sekwencjonując go, możemy odkryć biomarkery choroby i ustalić, skąd pochodzi RNA, aby zmierzyć śmierć komórki”.
Współpracownicy zbadali 370 próbek osocza od pacjentów pediatrycznych cierpiących na różne stany zapalne. Zespół przekształcił RNA w DNA, a następnie przeprowadził sekwencjonowanie DNA, w ramach którego przeanalizowano regiony genomu kodujące białka. Loy spędziła rok na eksperymentowaniu z algorytmami uczenia maszynowego, aby znaleźć sygnatury chorób w próbkach, tworząc w zasadzie szereg różnych narzędzi pozwalających zrozumieć bezkomórkowy RNA.
Oprócz opracowania dokładnego modelu diagnostycznego naukowcy wykazali również, że sekwencjonowanie bezkomórkowego RNA można wykorzystać do ilościowej oceny uszkodzeń określonych tkanek i narządów, w tym wątroby, serca, śródbłonka, układu nerwowego i górnych dróg oddechowych.
„Myślę, że wiele nowości i innowacji technicznych, inżynieryjnych, kryje się w analizie danych” – powiedział De Vlaminck. „Jesteśmy w stanie określić ilościowo, ile RNA pochodzi z różnych narządów. Ile pochodzi z wątroby lub komórek nabłonkowych układu naczyniowego. Określając ilościowo źródła, możemy również dowiedzieć się o procesach urazów, które prawdopodobnie mają podłoże immunologiczne, ale zachodzą w unaczynionych tkankach”.
Odniesienie: „Bezkomórkowe RNA plazmatyczne sygnatury zespołów zapalnych u dzieci” Conor J. Loy, Venice Servellita, Alicia Sotomayor-Gonzalez, Andrew Bliss, Joan S. Lenz, Emma Belcher, Will Suslovic, Jenny Nguyen, Meagan E. Williams , Miriam Oseguera, Michael A. Gardiner, null null, null null, Jong-Ha Choi, Hui-Mien Hsiao, Hao Wang, Jihoon Kim, Chisato Shimizu, Adriana H. Tremoulet, Meghan Delaney, Roberta L. DeBiasi, Christina A. Rostad, Jane C. Burns, Charles Y. Chiu, Iwijn De Vlaminck, Lukas Austin-Page, Amy Bryl, Joelle Donofrio-Ödmann, Atim Ekpenyong, David Gutglass, Scott Herskovitz, Paul Ishimine, John Kanegaye, Margaret Nguyen, Mylinh Nguyen, Kristy Schwartz, Stacey Ulrich, Tatyana Vayngortin, Elise Zimmerman, Jocelyn Ang, Margalit Rosenkranz, Joseph Bochini, Michelle Sykes, Lerraughn Morgan, Laura D’Addese i Maria Pilar Gutierrez, 6 września 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2403897121
Badania były wspierane przez Narodowy Instytut Zdrowia Dziecka i Rozwoju Człowieka NIH.
