ИИ использовался для определения цитокинового шторма, связанного с фатальным COVID-19

В новом исследовании, опубликованном на сервере препринтов bioRxiv * в сентябре 2020 года, сообщается об использовании искусственного интеллекта (ИИ) для выявления инвариантного или универсального иммунного ответа хозяина, обнаруженного на сегодняшний день во всех вирусных пандемиях. Связь этого ответа с тяжелыми фенотипами COVID-19 указывает на новое понимание иммунного ответа человека при вирусных пандемиях.

Использование машинного обучения помогло преодолеть препятствия, создаваемые вариабельным иммунным ответом у разных людей, и выявить профили экспрессии основных генов среди всего прочего шума. Для этой цели они использовали когорты пациентов во многих вирусных пандемиях, используя полученный образец экспрессии генов для изучения иммунного ответа при COVID-19.

ИИ использовался для определения цитокинового шторма, связанного с фатальным COVID-19 Дизайн исследования. (Сверху вниз) Шаг 1. База данных, содержащая> 45 000 данных по экспрессии генов человека, мышей и крыс, была создана для идентификации и проверки инвариантной сигнатуры ответа хозяина на вирусную пандемическую (ViP) инфекцию. ACE2, портал входа / поглощения SARS-CoV-2, использовался в качестве «зародышевого» гена, а логические эквивалентные коррелированные кластеры (BECC) использовались в качестве вычислительного метода для идентификации кластеров генов, которые имеют инвариантные отношения с ACE2. После определения эти кластеры генов (также известные как «сигнатура ViP») были впоследствии проверены на многочисленных моделях пандемической вирусной инфекции у людей и мышей. Шаг 2: была отобрана подмножество из 20 генов из сигнатуры ViP, которая сильно ассоциировалась с серьезностью вирусной инфекции. Эти гены были проверены в других когортах для установления «серьезной» сигнатуры ViP. Подписи ViP из 166 и 20 генов были проверены на наборах данных COVID-19. Шаг 3: Перекрестные валидационные исследования во многих других наборах данных помогли: (i) определить природу (ii) и источник цитокинового шторма при COVID-19, (iii) получить представление об иммунопатологии смертельного заболевания и (iv) установить точные терапевтические цели. Этап 4: Результаты этапа 3 были подтверждены на хомяках и в группе пациентов с COVID-19.

Дизайн исследования, ориентированный на ACE2

Чтобы найти подтвержденную сигнатуру текущей пандемии из более чем 45 000 наборов данных об экспрессии генов у людей, мышей и крыс, во многих пандемиях исследователи использовали ангиотензин-превращающий фермент 2 (ACE2) в качестве «семени» ген в вычислительном подходе.

Это было по трем причинам. Во-первых, это вирусный рецептор коронавируса 2 тяжелого острого респираторного синдрома (SARS-CoV-2), и его экспрессия отражает экспрессию генов врожденного иммунитета и восприимчивость тканей к вирусу. Во-вторых, он эффективно подавляет ренин-ангиотензин-альдостероновую систему (РААС), мощную провоспалительную систему. В-третьих, она нарушается инфекциями, что приводит к нерегулируемой воспалительной активности.

Подход к информатике

Исследователи использовали инструмент машинного обучения под названием Boolean Equivalent Correlated Clusters (BECC), чтобы найти лежащие в основе инвариантные взаимосвязи экспрессии генов при пандемиях респираторных вирусов. Они определяют огромные преимущества этого подхода следующим образом: «Алгоритм BECC фокусируется исключительно на отношениях« булевого эквивалента »для выявления потенциально функционально связанных наборов генов. Было показано, что после выявления эти инвариантные отношения стимулируют новые фундаментальные открытия с трансляционным потенциалом и, что наиболее важно, предлагают идеи, которые помогают в навигации по неизведанным территориям, где ничего не может быть известно »

.

Сигнатура ViP, характерная для вирусного "Cytokine Storm"

Исследователи обнаружили, что 166 генов были постоянно связаны с ACE2, со снижением экспрессии во время выздоровления. Эта закономерность повторялась во всех вирусных пандемиях (не обязательно пандемиях респираторных вирусов), по этой причине она была названа сигнатурой «вирусной пандемии» (ViP).

Большинство из 166 генов участвовали в иммунных ответах, включая передачу сигналов интерферона и цитокинов в рамках врожденной иммунной системы, а также в адаптивной иммунной системе. Таким образом, они указали на иммунный ответ хозяина на вирусную инфекцию как таковой, как и ожидалось, поскольку известно, что цитокиновый шторм при любой вирусной пандемии вызван обильным иммунным ответом хозяина.

Однако удивительно, что эта закономерность была обнаружена, несмотря на ACE2-ориентированный подход, хотя ACE2 не является рецептором проникновения вируса для гриппа. Он оставался неизменным, несмотря на фильтрацию через несвязанные наборы данных in vitro и in vivo. Опять же, пара цитокин-рецептор IL15 / IL15RA, как было обнаружено, неизменно связана с экспрессией ACE2 независимо от набора данных.

Это согласуется с предыдущими выводами о том, что IL15 является центральным в повреждении легких и определяет его тяжесть, в то время как его делеция защищает мышей от летального гриппа.

Сигнатура была также связана с экспрессирующим ACE2 эпителием легких и миелоидными клетками, что указывает на тесную связь между ACE2-опосредованным проникновением вируса и активацией ACE2-ассоциированного гена хозяина.

Подгруппа из 20 генов определяет серьезность заболевания

Ранжирование 166 генов по их способности различать тяжелый или критический грипп привело к появлению подмножества из 20 генов, которые могли точно классифицировать здоровых и инфицированных пациентов, а также легкие и тяжелые заболевания. Эта подгруппа отмечает повреждение ДНК, вызванное стрессом старение и изменения клеточного цикла, а также дегрануляцию нейтрофилов, что указывает на тяжесть заболевания и смерть.

Сигнатура ViP из 166 генов классифицирует здоровых и инфицированных пациентов по всем пяти клеткам периферической крови, но наиболее точной подгруппой является нейтрофилы. Исследователи говорят, что это указывает на то, что « клетки врожденной иммунной системы являются основными факторами тяжести заболевания ».

COVID-19 индуцирует сигнатуры ViP в эпителии легких и иммунных клетках

Как 166-генные, так и 20-генные сигнатуры идеально классифицировали здоровые и инфицированные SARS-CoV-2 образцы in vitro во всех тканях и всех типах клеток легких. Первые также различали эти наборы в альвеолярном эпителии, макрофагах, клетках CD4 и NK-клетках. Он также смог различать легкую и тяжелую формы COVID-19 по первому и последнему типам клеток.

Подмножество из 20 генов лучше всего повторяет эти результаты на тех же двух типах клеток. По словам авторов, это указывает на то, что характерные черты тяжести заболевания и летальности явно выражены в эпителии легких, который является источником индуцированного вирусом IL15, и NK-клетками, которые являются основной мишенью для IL15.

NK-клетки, подвергшиеся воздействию инфицированных вирусом эпителиальных клеток, демонстрировали обе эти сигнатуры, что объясняет результаты, полученные у пациентов с COVID-19, и указывает на то, что они могут быть связаны исключительно с действием IL15.

Шторм IL15 способствует серьезности COVID-19

Очевидная ассоциация двух сигнатур ViP с IL15 / IL15RA в одном и том же органе, а именно в легких, предполагает, что одна вызывает другую. Как и было предсказано этими результатами, тяжелая форма COVID-19 чаще всего определяется чрезмерным высвобождением цитокинов с преобладанием IL15, начиная с легких, как показали исследования образцов от группы пациентов с симптомами COVID-19 с различной клинической тяжестью (включая образцы аутопсии от этих пациентов). кто умер).

Иммунопатогенетическая модель COVID-19

Исследование показывает, что иммунная система играет важную роль в патогенезе COVID-19. Заболевание начинается с активации 166 генов в эпителиальных клетках дыхательных путей, а также в клетках миелоидного ряда и других иммунных клетках, что приводит к секреции IL-15.

Это подтверждается более ранними исследованиями, в которых было показано, что клетки бронхов конститутивно экспрессируют гены IL15 и IL15RA / B. Синтез и секреция IL15 также индуцируются IFNγ. Эти исследования показывают, что длительное и чрезмерно интенсивное воздействие цитокинов на NK-клетки приводит к их истощению и гибели.

Это согласуется с недавними выводами о том, что NK-клетки истощаются и их количество уменьшается при тяжелой форме COVID-19 уже через 3-6 дней с момента появления симптомов.

Авторы говорят: « Смертельный COVID-19 характеризуется парадоксальным иммунным ответом, то есть подавлением функций эпителия и NK-клеток (иммуносупрессия) в условиях цитокинового шторма (чрезмерный иммунный ответ) . »

Профили ViP «Формируют терапию и указывают на эффективность лечения»

Эти исследователи ранее показали, что сигнатуры ViP из 166 генов были ослаблены в период выздоровления после нескольких пандемий респираторных вирусов. Это открытие было продемонстрировано нынешними исследователями, которые продолжили изучение их роли в качестве индикатора того, что лечение было причинно связано с этой реакцией.

Чтобы ответить на этот вопрос, они изучили более ранние интервенционные исследования на ВГС, ВИЧ, Зика и Эбола с использованием эффективных противовирусных препаратов. Во всех этих случаях эта сигнатура точно разделяла обработанные и необработанные образцы, причем первый показывает ослабление сигнатуры ViP.

Например, биопсии печени, взятые у пациентов с ВГС, были классифицированы с использованием этой сигнатуры на тех, кто лечился противовирусными агентами прямого действия (ПППД), и тех, кто не лечился. Аналогичные результаты были получены с образцами пациентов с ВИЧ, лечившихся или не принимавших антиретровирусные препараты.

Ученые говорят: « Эти результаты предполагают« причинную связь »между лечением (противовирусная терапия) и ответом (ослабление сигнатуры ViP), и подразумевают, что ослабление сигнатуры ViP из 166 генов является желательным терапевтическим средством. цель ».

Вирус SARS-CoV-2 отвечает за реакцию хозяина

Следующий вопрос заключался в том, чтобы связать иммунный ответ хозяина с вирусом SARS-CoV-2. Они использовали хомяков, обработанных антителом против SARS-CoV-2, чтобы полностью заблокировать связывание вируса с рецептором ACE2, а затем заражали их вирусом, сравнивая их с другой группой, предварительно обработанной контрольным антителом.

Они обнаружили, что во-первых, тестовая группа не показала ни 166-гена, ни 20-генных сигнатур ViP, столь характерных для инфицированных легких. Во-вторых, отсутствие этих признаков сопровождалось отсутствием чрезмерной инфильтрации иммунных клеток или облитерацией альвеолярного пространства. Наконец, экспрессия рецепторов IL15 и IL15 в этих тканях была заметно ниже

.

Исследователи считают, что это подтверждает подход, ориентированный на ACE2, показывая, что, когда антитело предотвращает связывание ACE2-вируса, сигнатура ViP и цитокиновый шторм IL 15 подавляются, в то время как эффективное лечение отменяет оба.

Общая подпись ответа хоста

Исследователи указывают на «важное и неожиданное открытие», заключающееся в том, что все вирусные пандемии имеют одинаковый иммунный ответ хозяина, хотя степень тяжести, клинические особенности, этиологический вирус и летальность могут быть совершенно разными. Это может указывать на фундаментальную важность экспрессии ACE2 для иммунного ответа хозяина при большинстве вирусных инфекций.

Сигнатура ViP не только характеризует иммунный ответ хозяина на вирусную пандемию, но также предлагает способ мониторинга возникновения и степени такого ответа.

Исследование также показало, что цитокиновый шторм во всех пандемиях был опосредован неконтролируемой активацией IL15 и IL15RA. Чем выше уровень IL15, тем тяжелее было заболевание. Уровни ИЛ-15 были значительно выше у мужчин пожилого возраста, которые, как известно, во всем мире относятся к группе высокого риска тяжелой формы COVID-19. Эпителий легких и миелоидные клетки вносят основной вклад в сигнатуру ViP и IL15 / IL15RA.

Наконец, они обнаружили подмножество из 20 генов, что указывает на тяжелое заболевание во всех вирусных пандемиях.

По их словам, « Подписи ViP начинают рисовать картину« парадоксальной иммуносупрессии », лежащей в основе фатального COVID-19, в которой наблюдаемое истощение / истощение NK-клеток при тяжелой форме COVID-19 может быть следствие чрезмерного урагана IL15, приведшего к их старению и апоптозу »

Таким образом, это исследование обеспечивает ценную основу для понимания того, как развивается болезнь. Результаты исследования « не только выявили точную природу цитокинового шторма, типы клеток-виновников и органы, но также выявили патофизиологию заболевания и помогли сформулировать конкретные терапевтические цели для снижения тяжести заболевания »

.

Дальнейшее уточнение сигнатуры ViP путем повторной фильтрации с использованием новых и больших наборов данных COVID-19 может сделать ее более точной и надежной. Однако даже сейчас его можно использовать для информирования о терапевтических инструментах и ​​для разработки плана скрининга потенциальных терапевтических агентов не только при COVID-19, но и при других вирусных пандемиях.

* Важное примечание

bioRxiv публикует предварительные научные отчеты, которые не рецензируются и, следовательно, не должны рассматриваться как окончательные, руководящие клинической практикой / поведением, связанным со здоровьем, или рассматриваться как установленная информация.

Source link