Сепсис: использование машинного обучения для понимания опасного для жизни состояния

Сепсис - это опасная для жизни реакция на инфекцию, при которой иммунная система, которая обычно помогает бороться с инфекциями, реагирует ненормально и может привести к прекращению работы органов. Около 20% смертей во всём мире приписываются сепсису - больше, чем любому типу сердечно-сосудистых заболеваний или рака. Сепсис может быть трудно распознаваемым для врачей, поскольку симптомы начинаются так же, как и у многих других заболеваний, и его трудно лечить, поскольку «сбои» в работе организма, вызывающие это явление, различаются у разных пациентов. Чтобы распознать сепсис на ранней стадии и понять различия между пациентами, исследователи одновременно изучают многие части иммунной системы, собирая множество данных о генах и белках пациентов. Мощные серверы, работающие совместно в общей сети, используются для анализа данных, чтобы выявить уникальные закономерности или связи. Таким образом, учёные выявили уникальные группы пациентов с этим недугом, которые отличаются по своим иммунным реакциям. Эти знания могут помочь врачам выбрать лучшее лечение для каждого человека и даже помочь защитить людей от будущих пандемий.

В какой-то момент у вас, вероятно, была инфекция — возможно, порез или царапина, которые вы получили во время игры на улице, стали красными и опухшими; или, может быть, у вас была температура и кашель, и вам поставили диагноз грипп, пневмония. Вы могли выздороветь самостоятельно или вам прописали какие-то лекарства для лечения инфекции, но скорее всего, вы поправились без особых проблем — благодаря вашей иммунной системе (сложная сеть органов, клеток, генов и белков, защищающих организм от инфекций - заболевания возникают, когда эта система даёт сбой или реагирует неадекватно). Обычно иммунная система действует как хорошо обученная команда защиты, распознавая и атакуя вредоносных захватчиков и помогая нашему организму восстанавливаться. Но иногда что-то может пойти не так.

Когда некоторые люди заболевают серьёзными инфекциями, особенно пожилые люди или те, кто уже болен или ослаблен, то иммунная система может стать неустойчивой. Когда активность генов изменяется, она может реагировать неправильно - чрезмерно, недостаточно или вообще атакует сам организм, что приводит к различным заболеваниям и проблемам со здоровьем. Нарушение регуляции иммунитета может привести к очень серьёзному заболеванию, называемому сепсисом - ненормальной, опасной для жизни реакции на инфекцию, которая поражает весь организм. Представьте себе пожар, который вспыхивает в одной комнате, но затем быстро распространяется по всему дому. В худшем случае сепсис может привести к тому, что жизненно важные органы, такие как сердце, лёгкие и почки, перестанут работать должным образом, что приведёт к смерти. Фактически, сепсис является причиной почти одной из пяти смертей каждый год - больше, чем любой тип сердечного заболевания или рака!

Многие люди не осознают, насколько распространен и смертелен сепсис, отчасти потому, что он не всегда указывается как причина смерти — часто он «спрятан» за другими инфекциями или заболеваниями, которыми мог страдать человек. В настоящее время лечение сепсиса включает в себя лекарства для борьбы с основной инфекцией и поддерживающую терапию для поддержания функционирования органов, но не существует методов лечения, которые могли бы исправить дисфункцию иммунной системы, которая изначально вызывает этот недуг. Его лечение может быть эффективным для некоторых пациентов, но не для других, и даже при использовании современных методов лечения - примерно 22% людей, госпитализированных с этим поражением, умирают.

Одна из причин, которая делает сепсис таким смертельным, заключается в том, что врачам часто трудно узнать, когда у пациентов он есть. Ранние симптомы могут выглядеть как симптомы многих других распространённых проблем со здоровьем - например, аномальная температура тела, артериальное давление, частота дыхания и сердечный ритм, - что затрудняет раннюю диагностику. Ещё одна неприятность, которая затрудняет диагностику, заключается в том, что симптомы могут быть разными у каждого пациента, поэтому не существует единого списка симптомов, которые врачи могли бы «проверить», чтобы подтвердить, что проблема заключается именно в сепсисе. Чем больше времени требуется врачу для диагностики, тем хуже становится пациенту и тем сложнее выработать эффективный план лечения. Изменчивость также помогает объяснить, почему некоторые методы лечения могут не работать для каждого пациента.

Учёные исследователи до сих пор не знают, почему это серьёзное поражающее заболевание так изменчиво. Изменчивость может быть вызвана факторами пациента, такими как возраст, пол, гены, другие заболевания, которые могут быть у пациента, и типы принимаемых им лекарств. Она также может быть вызвана факторами, специфичными для инфекции, такими как тип микроорганизма, вызвавшего её (например, бактерии или вирус), исходное место инфекции (например, лёгкие, мочевыводящие пути или кожа) или как долго пациент страдает болезнью. Чтобы улучшить диагностику и лечение, медикам сначала необходимо понять, что происходит в иммунной системе отдельных пациентов. Возможно, понимание того, как иммунитет становится дисфункциональным, поможет объяснить, почему симптомы одного и того же заболевания так различаются у разных пациентов.

Представьте себе, что вы пытаетесь собрать пазл из 1000 деталей. Как бы вы справились с этой задачей - увеличили бы масштаб изображения, чтобы сосредоточиться на мелких деталях каждого отдельного элемента пазла, или уменьшили бы его и посмотрели бы на общую картинку, изображённую на коробке? Вероятно, немного того и другого, не так ли? Но без общей картины было бы намного сложнее собрать пазл. Как огромный пазл, иммунная система состоит из сотен компонентов. Многие типы клеток и белков работают вместе, чтобы защитить наши тела от захватчиков. Дисрегуляция, которая происходит во время сепсиса, может включать многие из «частей пазла», и она также влияет на другие системы организма. В то время как «увеличение масштаба» для изучения того, как один тип клеток или белка действует во время заболевания, может дать исследователям некоторую важную информацию. Но только «уменьшение масштаба» позволяет им увидеть, как все части работают вместе и как сложная координация может пойти не так. Этот тип подхода «общей картины», в котором математический анализ используется для того, чтобы помочь исследователям понять иммунитет, называется системной иммунологией. Это новая исследовательская область в медицинской науке, которая изучает все части иммунной системы вместе, включая гены и белки, чтобы увидеть, как они работают и взаимодействуют. Учёные используют компьютерные инструменты - задействуют мощные серверы в крупных центрах обработки данных (ЦОД), чтобы понять эти сложные связи.

Один из способов, которым исследователи использовали системную иммунологию для понимания «общей картины» иммунной системы при сепсисе, - это изучение того, какие гены иммунной системы активны (включены) у пациентов с распространением этого недуга в организме. Как вы, возможно, уже знаете, гены — это клеточные инструкции по производству белков — молекул, отвечающих почти за все, что происходит в нашем организме, от построения тканей и органов до борьбы с инфекциями. Во время любого недомогания некоторые гены становятся более активными, чем обычно, в то время как другие могут стать наоборот вялыми, влияя на то, как реагирует иммунная система. Когда гены активируются, они сначала создают РНК-копию ДНК, затем РНК используется в качестве шаблона для сборки белка. Это означает, что присутствие РНК может сказать исследователям, активен ли ген или нет. Исследователи могут использовать мощные лабораторные методы, включая метод, называемый РНК-секвенированием (метод преобразования РНК в ДНК и последующего её выделения последовательности, для определения активности каждого гена в организме. Также называется секвенированием транскриптома), чтобы изучить, насколько активен каждый ген.

По сути, они «измеряют» активность гена в клетках пациента, наблюдая за выработкой РНК, которая происходит, когда ген активируется для производства белков. Рассматривая, насколько активны (или неактивны) определённые гены у пациентов с сепсисом, исследователи могут начать понимать, как нарушается регуляция иммунной системы при этом заболевании и как она ведет себя по-разному у разных людей.

Когда учёные использовали РНК-секвенирование для изучения иммунных клеток сотен людей, они столкнулись с огромным объёмом данных - больше, чем они могли бы проанализировать без помощи компьютерных серверных быстродействующих систем. Поэтому они обратились к машинному обучению (тип искусственного интеллекта, в котором компьютеры используют данные и повторяющиеся вычисления для имитации человеческого мышления, со временем улучшая решения и обрабатывая гораздо больше информации, чем люди), алгоритмы которого позволяют просеивать огромные объёмы разноплановой неструктурированной информации, чтобы находить скрытые закономерности. Машинное обучение выявило общие гены с изменённой активностью, что позволило проводить раннюю диагностику. Исследователи также обнаружили изменчивость между пациентами, определив пять основных типов сепсиса, которые они назвали эндотипами. Этот термин обозначает группы пациентов со схожими основными причинами заболевания. Сложные заболевания, такие как сепсис, рак и астма, имеют разные эндотипы, влияющие на прогрессирование, тяжесть и эффективность лечения. Каждый из них представляет собой уникальный ответ иммунной системы со своим собственным специфическим набором из 200 генов, которые либо более, либо менее активны, чем обычно, что приводит к различным симптомам. Например, РНК-секвенирование дало понимание того, что у пациентов с одним эндотипом наблюдается тип сепсиса, при котором иммунная система сверхактивна, а это приводит к чрезмерному воспалению, в то время как при другом - иммунная система может быть подавлена ​​(недостаточно активна) и с трудом справляется с инфекцией.

Открытие эндотипов сепсиса является захватывающим, поскольку их можно обнаружить очень рано — раньше, чем врачи обычно могут диагностировать. Как уже упоминалось, чем раньше пациентам ставят диагноз, тем выше их шансы на выздоровление. Эндотипы также могут помочь объяснить, почему некоторые пациенты реагируют на определённое лечение, а другие — нет. Это открывает дверь к персонализированной медицине (распознавание и использование индивидуальных особенностей человека для принятия решений относительно профилактики, диагностики и лечения заболеваний) - подхода, при котором врачи подбирают лечение в соответствии с конкретными особенностями каждого пациента, а не полагаются на универсальное решение. На основе активности генов пациента врачи вскоре смогут диагностировать конкретный эндотип сепсиса у пациента и назначать лечение, которое будет наиболее эффективным для его конкретного состояния - это большой шаг вперёд!

Сепсис не просто отличается у разных пациентов — он также меняется с течением времени у одного и того же пациента. Это означает, что иммунная система может вести себя по-разному на разных стадиях по мере прогрессирования сепсиса. На ранней стадии она может быть гиперактивной, вызывая чрезмерное воспаление, но позже она может подавляться, подвергая пациента риску дополнительных инфекций. Эти сдвиги в иммунных реакциях с течением времени являются ещё одним фактором, который в настоящее время затрудняет лечение. Используя машинное обучение, исследователи могут отслеживать, как активация генов иммунной системы изменяется с течением времени у отдельных пациентов. Такая информация может привести к разработке методов лечения, специфичных для конкретной стадии - которые подбираются не только под эндотип сепсиса у пациента, но и под то, находятся ли они на ранней, средней или поздней фазе заболевания. Более точные и эффективные методики могут повысить шансы людей на выздоровление.

Многие исследователи теперь считают, что будущие пандемии могут также включать некоторую форму сепсиса, независимо от вовлечённого вируса или бактерии. Это означает, что разработка методов лечения, нацеленных на дисфункциональную иммунную реакцию, а не на конкретный микроб или вирус, может быть важной целью. Если учёные смогут найти способы управления иммунной дисфункцией, они могли бы спасти многие жизни во время будущих пандемий - даже до того, как появятся конкретные вакцины или методы лечения инфекции.

В конце концов, изучение сепсиса - это больше, чем понимание одной болезни, это решение головоломки, которая может помочь улучшить здоровье миллионов людей во всём мире. Рассматривая общую картину и изучая, как иммунная система реагирует на инфекции, исследователи не только спасают жизни сегодня, но и готовятся к вызовам завтрашнего дня.