Gene Expression Analysis for Modelling Immune Trajectory and Endotype Transition During Pediatric Septic Shock

La sepsi è un'emergenza medica terrificante in cui il sistema di difesa del corpo si rivolge contro se stesso. Quando un'infezione prende piede, la risposta immunitaria può diventare così caotica da danneggiare gli organi e minacciare la vita. Per decenni, i medici hanno trattato la sepsi come una singola condizione, ma la scienza recente suggerisce che sia in realtà una collezione di diversi stati biologici. Proprio come due persone potrebbero reagire in modo molto diverso allo stesso raffreddore, due bambini con sepsi potrebbero avere sistemi immunitari completamente diversi all'opera. Alcuni di questi stati interni portano alla guarigione, mentre altri precipitano verso esiti peggiori. La sfida per i medici è stata che, nel momento in cui riescono a vedere i segni di un sistema immunitario che sta fallendo, è spesso troppo tardi per cambiare il corso della malattia. Per aiutare, i ricercatori stanno cercando un modo per leggere i segnali di allerta precoce del corpo, sperando di prevedere quale percorso prenderà un paziente prima che il danno diventi irreversibile.

Un team di ricercatori guidato da scienziati dell'Imperial College London e altre istituzioni nel Regno Unito si è posto l'obiettivo di mappare questi segnali di allerta precoce nei bambini. Si sono concentrati su un gruppo di diciannove bambini che erano arrivati nelle unità di terapia intensiva pediatrica in stato di shock grave dovuto a infezione. Questi bambini erano tra i più gravemente malati, richiedendo macchine per aiutarli a respirare e farmaci potenti per mantenere alta la loro pressione sanguigna. I ricercatori hanno raccolto campioni di sangue da questi bambini in due momenti specifici: il primissimo momento in cui sono stati ammessi in terapia intensiva, e di nuovo circa quarantotto ore dopo. Osservando le istruzioni genetiche all'interno delle cellule del sangue in questi due momenti, il team ha potuto osservare il sistema immunitario in movimento, piuttosto che limitarsi a scattare un singolo fotogramma.

Gli scienziati hanno esaminato l'attività di migliaia di geni, che sono le minuscole unità di istruzione che dicono alle cellule cosa fare. Hanno scoperto che il sistema immunitario di questi bambini non era statico; stava cambiando rapidamente. Nei primi campioni, prelevati al momento dell'ammissione, il sangue era dominato dai segnali dei neutrofili, un tipo di globulo bianco che agisce come primo soccorritore del corpo all'infezione. Queste cellule stavano lavorando duramente, ma la loro presenza segnalava anche uno stato di alta allerta e infiammazione. Al secondo campione, prelevato due giorni dopo, il profilo genetico era cambiato. I segnali dei soccorritori di emergenza iniziali si erano calmati, mentre le istruzioni per altre cellule immunitarie, specificamente le cellule T e le cellule B che forniscono una difesa a lungo termine e memoria, erano diventate molto più forti. Questo passaggio da una reazione grezza e immediata a una difesa adattiva più organizzata è una parte normale della guarigione, ma la velocità e la direzione di questo cambiamento variano da bambino a bambino.

Per comprendere meglio questi cambiamenti, i ricercatori hanno raggruppato i geni in squadre che lavorano insieme, come un coro in cui molti cantanti seguono lo stesso direttore. Hanno identificato diverse di queste squadre di geni che sono cambiate significativamente nel corso delle quarantotto ore. Una squadra, centrata attorno a un gene chiamato CMTM6, era molto attiva all'inizio e rappresentava l'ondata iniziale del sistema immunitario innato. Un'altra squadra, centrata attorno a un gene chiamato BCL2, è diventata più attiva successivamente, riflettendo l'ascesa del sistema immunitario adattivo. I ricercatori hanno anche esaminato un gruppo specifico di geni legati a un modello di "esito negativo" che avevano visto in studi precedenti, noto come Endotipo 1. Hanno scoperto che nei bambini che alla fine sono passati da questo modello pericoloso a uno più sicuro, i segnali genetici al primissimo momento già accennavano al cambiamento.

La parte più sorprendente dello studio ha riguardato un metodo chiamato velocità dell'RNA (RNA velocity). Questa tecnica osserva le copie grezze e non finite delle istruzioni genetiche all'interno di una cella per indovinare cosa la cellula stia per diventare dopo. È come vedere un corridore nel mezzo di una falcata e sapere esattamente dove poggerà il piede dopo. Utilizzando questo approccio, i ricercatori potevano prevedere il percorso futuro del sistema immunitario di un bambino basandosi su un singolo campione di sangue prelevato all'ammissione. Per i bambini che erano partiti dal pericoloso gruppo dell'Endotipo 1 ma che in seguito si sono ripresi, le frecce genetiche nel loro primo campione puntavano già verso il più sicuro Endotipo 2. Ciò suggerisce che la traiettoria del corpo è stabilita molto presto, e che un singolo test al momento dell'ammissione potrebbe potenzialmente dire ai medici quali bambini sono su un percorso di guarigione e quali stanno scivolando verso un esito peggiore.

Lo studio ha anche evidenziato un limite nel modo in cui la sepsi viene spesso studiata. Molti sforzi di ricerca precedenti hanno perso le ore critiche più importanti perché aspettavano che i pazienti fossero stabili prima di prelevare i campioni. Al momento in cui quei campioni venivano prelevati, i cambiamenti più drammatici erano già avvenuti e i bambini più malati che morivano precocemente erano spesso esclusi dai dati. Questo nuovo studio, campionando i bambini immediatamente all'arrivo, ha catturato l'inizio vero della crisi. Tuttavia, poiché tutti i diciannove bambini in questo specifico gruppo sono sopravvissuti, i ricercatori non hanno potuto confrontare i percorsi genetici di coloro che sono vissuti rispetto a quelli che sono morti. Hanno osservato che il lavoro futuro deve includere bambini che non sopravvivono per comprendere appieno i segnali genetici dei casi più gravi.

Nonostante questo limite, le scoperte offrono un nuovo modo di pensare alla sepsi. Invece di vederla come una singola malattia che colpisce persone diverse, questa ricerca la mostra come un viaggio dinamico con diverse rotte possibili. La capacità di prevedere dove un bambino stia andando in quel viaggio da un singolo campione precoce apre la porta a cure più precise. Se i medici possono identificare un bambino che è bloccato su un percorso pericoloso, potrebbero essere in grado di intervenire prima con trattamenti progettati per guidare il sistema immunitario verso la guarigione. Lo studio non fornisce ancora un nuovo farmaco o una cura, ma fornisce una mappa. Mostra che il futuro del corpo è scritto nel suo presente e che, con gli strumenti giusti, potremmo essere in grado di leggerlo prima che sia troppo tardi.