Nowa metoda skraca diagnostykę zakażeń krwi z dni do godzin i może przyspieszyć leczenie sepsy

Nowa metoda diagnostyczna opracowana przez zespół kierowany przez naukowców z Penn State może znacząco skrócić czas potrzebny do identyfikacji bakterii wywołujących zakażenie krwi oraz określenia ich wrażliwości na antybiotyki. W badaniu opublikowanym w „Science Advances” kompleksową analizę uzyskiwano już w około siedem godzin. Autorzy podkreślają jednak, że przed zastosowaniem metody w rutynowej praktyce klinicznej konieczne jest rozwiązanie kilku istotnych problemów, w tym dotyczących błędów w ocenie lekowrażliwości.

W artykule:

• Dlaczego w zakażeniach krwi i sepsie czas diagnostyki ma kluczowe znaczenie
• Dlaczego klasyczna diagnostyka mikrobiologiczna trwa kilka dni
• Jak działa metoda STREAM opracowana przez badaczy
• Analiza pojedynczych komórek i identyfikacja bakterii
• Diagnostyka w około siedem godzin – wyniki badania
• Ograniczenia metody i droga do zastosowania klinicznego

Dlaczego w zakażeniach krwi i sepsie czas diagnostyki ma kluczowe znaczenie

Sepsa jest stanem zagrażającym życiu, rozwijającym się w następstwie nieprawidłowej, zagrażającej funkcjonowaniu narządów odpowiedzi organizmu na zakażenie. Jak podano w materiale Penn State, w samych Stanach Zjednoczonych dotyczy ona ponad 1,5 mln pacjentów rocznie, a około jeden na trzy zgony odnotowywane w szpitalach jest przynajmniej częściowo związany z sepsą.

Problemem pozostaje ogromna dysproporcja między szybkością progresji ciężkiego zakażenia a czasem potrzebnym na uzyskanie pełnego wyniku mikrobiologicznego. Stan chorego może pogorszyć się bardzo szybko, podczas gdy tradycyjne metody umożliwiające ostateczną identyfikację bakterii powodujących zakażenie krwi mogą wymagać od dwóch do siedmiu dni.

Zespół kierowany przez prof. Pak Kin Wonga z Penn State opracował podejście mające skrócić tę wielodniową procedurę do kilku godzin. Metoda umożliwia szybkie namnażanie bakterii obecnych w pobranej próbce krwi, a jednocześnie okresowe pobieranie materiału do zaawansowanych analiz pozwalających zidentyfikować drobnoustrój odpowiedzialny za zakażenie.

Wyniki opisano 26 sierpnia 2026 roku w czasopiśmie Science Advances. Według autorów szybsza identyfikacja patogenu wraz z oceną jego wrażliwości na antybiotyki mogłaby dostarczyć lekarzom danych potrzebnych do bardziej precyzyjnego doboru leczenia i ograniczenia niepotrzebnej ekspozycji bakterii na nieskuteczne antybiotyki.

Jak wyjaśnił prof. Pak Kin Wong, w przypadku zakażenia krwi dwa zasadnicze pytania kliniczne brzmią: co rzeczywiście spowodowało zakażenie oraz jak należy je leczyć. Celem badaczy jest stworzenie kompleksowej platformy diagnostycznej, która mogłaby odpowiedzieć na oba pytania jeszcze zanim zakażenie doprowadzi do rozwoju sepsy.

Dlaczego klasyczna diagnostyka mikrobiologiczna trwa kilka dni

W zakażeniu krwi konieczne jest możliwie szybkie wykrycie i wyeliminowanie jego przyczyny, zanim odpowiedź organizmu doprowadzi do ciężkich zaburzeń ogólnoustrojowych. Nie wystarczy jednak samo stwierdzenie obecności bakterii. Lekarz powinien wiedzieć, jaki konkretnie drobnoustrój odpowiada za zakażenie oraz który antybiotyk będzie wobec niego skuteczny.

Jak zaznaczył Wong, diagnostyka zakażeń krwi różni się pod tym względem od testu ukierunkowanego na jeden określony patogen. Sepsę może poprzedzać zakażenie wywołane przez wiele różnych gatunków bakterii, a poszczególne drobnoustroje mogą wykazywać odmienną wrażliwość na antybiotyki. Z tego powodu analiza musi być dostatecznie szeroka i dokładna, aby umożliwić dobór właściwego leczenia.

Zakażenia krwi odpowiadają według danych przytoczonych przez autorów za około 40% przypadków sepsy prowadzących do hospitalizacji. Ich diagnostykę utrudnia zarówno złożony skład biologiczny krwi, jak i bardzo niewielka liczba drobnoustrojów, które mogą znajdować się w próbce pobranej od chorego.

Obecne standardowe postępowanie wykorzystuje hodowlę bakterii. Pobraną krew umieszcza się w warunkach umożliwiających namnażanie drobnoustrojów do poziomu pozwalającego na ich wykrycie. Następnie konieczne są dalsze procedury prowadzące do identyfikacji konkretnego gatunku i oceny jego wrażliwości na antybiotyki. Poszczególne etapy mogą wydłużyć pełną diagnostykę o kolejne godziny lub dni.

Na rynku istnieją już rozwiązania pozwalające badać krew bez klasycznej wielodniowej hodowli. Według Wonga skrócenie czasu uzyskania wyniku wiąże się jednak w części dostępnych technologii z ograniczeniem zakresu diagnostycznego lub czułości. Zespół Penn State chciał przyspieszyć badanie bez rezygnowania z szerokiej charakterystyki wykrytych bakterii.

Jak działa metoda STREAM

Aby osiągnąć ten cel, naukowcy zmodyfikowali sam sposób prowadzenia hodowli. W tradycyjnych systemach wzrost bakterii w próbce krwi może być wykrywany na podstawie zmian związanych między innymi z produkcją dwutlenku węgla przez namnażające się drobnoustroje. Dopiero po potwierdzeniu wzrostu patogenu wykonuje się kolejne etapy analityczne.

Nowe podejście, nazwane przez badaczy STREAM, ma przyspieszać ten proces poprzez równoległe prowadzenie kilku etapów diagnostycznych. Próbki krwi są mieszane ze specjalnym podłożem hodowlanym umożliwiającym szybki wzrost bakterii, a jednocześnie ułatwiającym oddzielenie komórek krwi od drobnoustrojów znajdujących się w próbce.

Kluczową różnicą jest również sposób pobierania materiału do analizy. Zamiast czekać na jeden ustalony punkt końcowy hodowli, naukowcy pobierają niewielkie próbki w kolejnych momentach trwania procesu.

Jak tłumaczy Wong, takie podejście pozwala zachować odpowiednią zdolność wykrywania bakterii, a jednocześnie ograniczyć czas potrzebny do uzyskania wyniku.

Analiza molekularna i badanie pojedynczych komórek bakterii

Materiał pobierany w trakcie hodowli jest następnie poddawany analizom umożliwiającym identyfikację obecnych bakterii. Jednym z wykorzystywanych elementów jest analiza molekularna określana przez autorów jako „barcoding”, pozwalająca wykrywać niewielkie fragmenty informacji genetycznej pochodzącej od wyizolowanych drobnoustrojów.

Dzięki temu na podstawie niewielkich próbek pobieranych w kolejnych punktach czasowych badacze mogą określać gatunek bakterii odpowiedzialny za zakażenie.

Do procesu włączono również opracowane przez zespół techniki analizy pojedynczych komórek. Bakterie są obrazowane mikroskopowo, a uzyskane obrazy analizowane za pomocą algorytmów komputerowych stworzonych przez naukowców. Ich zadaniem jest między innymi eliminowanie elementów utrudniających interpretację obrazu oraz umożliwienie charakterystyki pojedynczych komórek bakteryjnych.

Diagnostyka nie kończy się jednak na ustaleniu gatunku drobnoustroju. System ma także dostarczać informacji dotyczących podatności bakterii na poszczególne antybiotyki i występującej oporności.

Wong podkreślił, że sama identyfikacja patogenu nie jest wystarczająca. Z punktu widzenia decyzji terapeutycznych równie ważna jest odpowiedź na pytanie, które antybiotyki rzeczywiście działają wobec wykrytego szczepu. Dlatego do całej procedury włączono badanie wrażliwości na antybiotyki.

Pełniejszy wynik diagnostyczny nawet w siedem godzin

Naukowcy przetestowali metodę na około 100 dodatnich próbkach pochodzących od pacjentów z zakażeniem krwi, które były przechowywane w laboratorium mikrobiologii klinicznej Penn State Hershey Medical Center.

Połączenie przyspieszonej hodowli, analizy molekularnej, technik badania pojedynczych komórek, obrazowania mikroskopowego i analizy komputerowej pozwalało uzyskać kompleksowy wynik diagnostyczny już w około siedem godzin. W tym czasie możliwa była wiarygodna identyfikacja drobnoustroju obecnego we krwi.

Według Wonga zastosowane technologie analizy pojedynczych komórek umożliwiają identyfikację patogenów nawet wtedy, gdy występują one we krwi w bardzo małych stężeniach.

Z punktu widzenia leczenia szczególnie istotne jest połączenie identyfikacji patogenu z oceną wrażliwości na antybiotyki. Potencjalnie pozwalałoby to lekarzowi wcześniej przejść od leczenia empirycznego do terapii bardziej ukierunkowanej na rzeczywisty czynnik etiologiczny zakażenia.

Metoda nadal wymaga dalszej walidacji

Autorzy podkreślają, że pomimo obiecujących wyników metoda nie jest jeszcze gotowa do rutynowego stosowania klinicznego.

W badanej grupie nieco ponad 4% wyników zaklasyfikowano jako tzw. „very major errors”. W materiale prasowym wyjaśniono, że chodziło o sytuacje, w których bakteria została nieprawidłowo zaklasyfikowana pod względem oporności lub wrażliwości na antybiotyk. Taki błąd mógłby mieć bezpośrednie konsekwencje terapeutyczne, ponieważ wybrany na jego podstawie antybiotyk mógłby okazać się nieskuteczny.

Badacze wskazują również na potencjalne problemy związane z analizowaniem próbek pobranych od pacjentów, którzy przed pobraniem krwi otrzymali już antybiotyki. Obecność leków przeciwbakteryjnych może wpływać na wzrost bakterii i zachowanie drobnoustrojów w warunkach hodowlanych, dlatego zagadnienie to wymaga dalszych badań.

Mimo tych ograniczeń autorzy uważają opracowaną platformę za podstawę do dalszego rozwoju szybkiej diagnostyki zakażeń krwi.

W praktyce klinicznej

Najważniejszym potencjalnym zastosowaniem technologii byłoby jednoczesne skrócenie czasu identyfikacji patogenu i uzyskania informacji o skuteczności antybiotyków. Obecnie właśnie oczekiwanie na pełne dane mikrobiologiczne jest jednym z powodów, dla których początkowa terapia ciężkich zakażeń musi być często prowadzona empirycznie.

Metoda STREAM ma docelowo dostarczać dwóch typów informacji potrzebnych lekarzowi: wskazać bakterię powodującą zakażenie oraz określić, na jakie antybiotyki jest ona wrażliwa. Dopiero potwierdzenie odpowiedniej dokładności, powtarzalności i bezpieczeństwa diagnostycznego w dalszych badaniach będzie jednak mogło uzasadnić jej wykorzystanie przy podejmowaniu decyzji terapeutycznych.

Zespół pracuje już nad dalszą automatyzacją systemu i integracją metod sztucznej inteligencji, które mają zwiększyć jego wydajność i dokładność.

Zdaniem Wonga architektura platformy jest skalowalna, dzięki czemu w przyszłości możliwe może być rozszerzanie listy rozpoznawanych drobnoustrojów. Badacze rozważają także adaptację rozwiązania do identyfikacji zakażeń wywoływanych przez inne grupy patogenów, w tym grzyby.

Kolejnym etapem mają być dalsze badania kliniczne prowadzone we współpracy z lekarzami Penn State College of Medicine, a w dalszej perspektywie – ocena możliwości wdrożenia technologii do diagnostyki klinicznej.

Kto prowadził badania

Autorem korespondencyjnym publikacji jest prof. Pak Kin Wong, profesor biomedical engineering oraz mechanical engineering w Penn State.

Wśród współautorów związanych z Penn State znaleźli się również April M. Bobenchik, associate professor of pathology and laboratory medicine; Siew Mei Chin, która podczas realizacji badań była doktorantką biomedical engineering, a następnie rozpoczęła pracę podoktorską w Stanford University School of Medicine; Evgenii Kovtunov, były badacz podoktorski, później związany z University of Rochester; oraz Emma Epiphaniou, która podczas prac nad projektem była studentką biomedical engineering.

W badaniach uczestniczyli także naukowcy ze Stanford University School of Medicine: Samuel Yang, professor of emergency medicine; Joseph C. Liao, professor of urology; oraz Kathleen E. Mach, senior research scientist.

Projekt był wspierany przez One Health Microbiome Center Interdisciplinary Innovation Fellowship, Leighton Riess Graduate Fellowship oraz National Institute of Allergy and Infectious Diseases działający w strukturach National Institutes of Health, w ramach grantu R01AI153133.

Źródło: Science Advances, „Rapid and Robust Diagnosis of Bloodstream Infections by Single Cell Analysis”
DOI: https://doi.org/10.1126/sciadv.aeh3580