Direkt identifiering av sjukdomsframkallande mikroorganismer i kliniska prov med genomik och proteomik

För närvarande fokuserar vår forskning på att med hjälp av genomik och masspektrometri (MS)-baserad proteomik (proteotyping) identifiera peptidbiomarkörer för sjukdomsframkallande mikroorganismer i luftvägsinfektioner (RTI), blodströmsinfektioner (BSI) och urinvägsinfektioner (UTI) med det övergripande målet att förbättra diagnostiken av infektionssjukdomar. Grunden för arbetsflödet för proteotypning har utvecklats under de senaste 10 åren, med början med att utforska proteomet hos olika bakteriestammar (Karlsson et al. 2012) och i synnerhet genom ett FP7 Health-Innovation-projekt (Tailored Treatment), där syftet var att upptäcka och identifiera patogener i luftvägsinfektioner direkt i kliniska prover (Van Houten et al. 2018, 2019).

Vi har visat att peptidbiomarkörer har förmågan att särskilja bakteriearter (Karlsson et al. 2018), såväl som stammar inom samma art (Karlsson et al. 2012). Proteotypning (Karlsson et al. 2012, 2015, 2018, 2020) har till exempel använts för att särskilja närbesläktade arter såsom patogenen S. pneumoniae från kommensala arter S. pseudopneumoniae och S. mitis från Mitisgruppen av släktet Streptococcus (Karlsson et al. 2018). Efter att ha identifierat peptidbiomarkörer för identifiering på art- och stamnivå (Karlsson et al. 2012, 2020), såväl som peptidbiomarkörer för antibiotikaresistens och virulens, är nästa logiska steg utforskningen av hur man implementerar användningen av peptidbiomarkörerna i en laboratoriemiljö för rutindiagnostik.

Det nya med det föreslagna projekt ligger i avvikelsen från de traditionella diagnostiska metoderna som bygger på mikrobiell isolering och fenotypiska analyser av antibiotikakänslighet. Dessa metoder kräver tid, vanligtvis mätt i dagar, medan patienter ofta behöver läggas in på sjukhus och sjukvårdskostnaderna stiger. En viktig faktor för det nya diagnostiska tillvägagångssättet är det faktum att analyser av proteomet detekterar uttrycket av den genotypiska mallen. Bakteriestammar kan observeras bära antimikrobiella resistensgener utan att någon urskiljbar resistens noteras för mikroorganismen. Sådana falska positiva resultat kan orsaka förvirring när läkare utvecklar en behandlingsplan. Vårt tillvägagångssätt för peptidbiomarkörer tillåter å andra sidan detektion av en uttryckt fenotypisk antimikrobiell resistens och egenskaper av virulens (inte bara genetisk potential).
Proteotypningsmetoden ger potentialen för mycket känsliga och snabba diagnoser av sjukdomsframkallande bakterier, utan de tidskrävande odlingsstegen, inklusive identifiering på artnivå, samt bedömningar av antimikrobiell resistens och virulens, direkt från kliniska prover. Den läkare som behandlar en patient kan således få resultaten av analyser samma dag som det kliniska provet samlas in från patienten, identifiera art och stam av alla mikroorganismer som upptäckts och få en bekräftelse av förekomsten och typerna av virulens och antimikrobiella resistensfaktorer. Ett sådant tillvägagångssätt ger möjlighet till rutinmässig diagnostik av "säng-till-labb-till-läkare" inom timmar, snarare än dagar. Sådan innovation skulle ha en betydande inverkan på den övergripande behandlingen av infektionssjukdomar.

Vår forskargrupp ingår i både Klinisk mikrobiologi vid Sahlgrenska Universitetssjukhuset och Institutionen för infektionssjukdomar, Göteborgs universitet (UGOT), med det övergripande målet att förbättra diagnostiken för infektionssjukdomar. Vi ingår också i Center for Antibiotic Resistance Research (CARe) vid UGOT, ett tvärvetenskapligt samarbete med en vision att genom forskning begränsa dödlighet, sjuklighet och socioekonomiska kostnader relaterade till antibiotikaresistens på global skala.

För att förstå de molekylära mekanismerna för antibiotikaresistens och för att upptäcka nya mål för behandling tillämpar vi tandem masspektrometri (MS/MS) för att belysa proteinbiomarkörer ('proteotyping') associerade med mikrobiell multiresistens mot antibiotika (AMR), med fokus på utökad-Spectrum β-Lactamas (ESBL)-producerande, karbapenemas-producerande och colistin-resistens i kliniskt relevanta bakterier. Vi använder kvantitativ proteomik för att möjliggöra bestämning av uttryck av resistensfaktorer under exponering för antibiotika. Vi använder också riktade gen "knock-outs" för att belysa effekterna av individuella resistensfaktorer och använder kvantitativ proteomik för identifiering av uttryckta kända och nya proteinbiomarkörer associerade med antimikrobiell resistens.

Förutom ovan nämnda områden så är vi involverade i projekt fokuserade på genom-baserad upptäckt av naturprodukter och karakterisering av bioaktiva föreningar i marina aktinobakterier, med metoder inom mikrobiologi, molekylärbiologi, analytisk kemi, bioinformatik och organisk kemi. Isolat som har särskilda gener tillsammans med antimikrobiell aktivitet analyseras för produktion och karakterisering av antimikrobiella bioaktiva föreningar i syfte att identifiera nya föreningar med ett nytt verkningssätt.

Projekt
2022- : VGR Regional samverkan FoU. Direkt, odlingsoberoende analys av kliniska prov för identifiering av art och stam av sjukdomsframkallande bakterier samt deras virulens- och antibiotikaresistensprofiler VGFOUREG-969330

2020- : Pioneering Strategies Against Bacterial Infections - PEST-BIN - is a Marie Skłodowska-Curie Action (MSCA) Innovation Training Network (ITN), funded by the European Commission, Horizon 2020 Program.

2018-2021, 2022-2024: VGR ALF-LUA Project; “Proteomics and Genomics Diagnostics of Infection, Virulence and Antimicrobial Resistance: Rapid Applications for Septicemia and Sepsis” (Project No. ALFGBG-720761).

2018-2020: University of Gothenburg Centre for Antibiotic Resistance Research (CARe) Project; “Rapid, Reliable Proteomics-Based Diagnostics of Antibiotic Multi-Resistance in Infectious Disease” (Project Nr. 5311_205314021).

2018-2020: Vetenskapsrådet (Joint-Programme Initiative – Anti-Microbial Resistance – JPIAMR) Project: “Predicting cell-cell horizontal transmission of antibiotics resistance from genome and phenome (TRANSPRED)” (Project No. VR-2016-06504).

2017-2020: VGR Regional samverkan FoU. Snabb diagnostik av sepsis - användning av biomarkörer för invasiva patogena bakterier baserad på proteomik och masspektrometri VGFOUREG-665141

2013-2017: EC FP7-HEALTH-2013-INNOVATION-1 Project, “Development of Tailored Anti-Microbial Treatment Regimens and Novel Host-Pathogen Insights for Respiratory Tract Infections and Sepsis (TAILORED-Treatment)” (Project No. HEALTH-F3-602860-2013).