Snabbare upptäckt av farliga infektioner

I en infektion finns tiotusentals peptider som ger mängder av information om vilka bakterier som orsakat infektionen och hur allvarlig den är. Nu har ett forskarlag vid Lunds universitet kombinerat kliniska frågeställningar med matematiska metoder och därmed lyckats analysera peptiderna på ett systematiskt sätt. Det är ett vetenskapligt genombrott som kan förändra diagnostisering och behandling av infektioner i framtiden.

Peptider är små fragment av protein som framför allt förekommer i hud och slemhinnor. Här skyddar vissa av dem, likt en barriär, kroppen mot infektion genom att bekämpa mikroorganismer som bakterier, virus och andra smittämnen, medan andra peptider deltar i styrningen av inflammationer. När vi får ett sår eller vid kirurgi rubbas ibland balansen och mikroorganismer kan tränga igenom och orsaka akut infektion och i värsta fall sepsis.

– För att kunna diagnostisera infektioner idag, gör läkaren först en klinisk bedömning och skickar sedan ett odlingsprov för vidare analys. Normalt tar det ett par dagar att få svar på vilka bakterier som såret innehåller och det ger inte alltid en tydlig bild om hur pass allvarlig infektionen är, säger Artur Schmidtchen, professor i dermatologi och venereologi vid Lunds universitet, samt överläkare vid Skånes universitetssjukhus.

I ett infekterat sår pågår ett krig mellan immunförsvaret och bakterier. Bakterierna bryter ner proteiner till peptider som en strategi för att skaffa näring och sprida sig, medan kroppen utnyttjar liknande strategier för att bekämpa bakterierna och reglera inflammationen. Denna interaktion är oerhört komplex och förloppet påverkas både av vilken typ av bakterier som förekommer, men även av infektionsgraden. Forskarlaget ville därför förstå hur proteiners nedbrytningsmönster ser ut, för att på så sätt snabbare kunna identifiera vilka bakterier som är inblandade och om det finns risk för sepsis. Utvecklingen av antibiotikaresistens har även bidragit till en ökad efterfrågan på andra sätt att diagnostisera och bekämpa infektioner.

– För att undersöka hur många och vilka typer av peptider som finns i ett sår, ”kramade” vi ur peptider från sårkompresser och analyserade sedan dessa med masspektrometri. På så sätt kunde vi identifiera upp till 45 000 olika peptider från ett och samma infekterade sår, säger Johan Malmström, professor i masspektrometri vid Lunds universitet.

Denna oerhörda mängd information är svår att både greppa och utnyttja, för att få en förståelse om proteinernas nedbrytningsmönster. Inte förrän Erik Hartman, civilingenjör och doktorand vid Lunds universitet, utvecklade en algoritm som gör att sammanställningen av peptider kan reduceras med 95 procent, till endast ett hundratal peptidkluster, kunde datan analyseras och användas. Genom att gruppera peptiderna har han därefter kunnat träna maskininlärningsmodeller för att fastställa vilka mängder och typer av bakterier som finns i såret. Efter att ha identifierat unika peptidmönster och förändringar i dessa mönster baserade på olika sorters bakterier, vet forskarna alltså hur allvarlig infektionen är.

– Vi har kartlagt hur proteiners nedbrytningsmönster varierar under olika slags sårinfektioner och därmed fått bättre insikt i hur de skiljer sig åt, genom att systematiskt analysera peptidklusterna. Detta gör att vi enkelt kan identifiera undergrupper som kan vägleda behandlingar, säger Erik Hartman.

De unika biomarkörerna kan leda till tidigare och mer exakta diagnoser och göra det möjligt att upptäcka och behandla eventuella infektioner snabbare. Med masspektrometri och maskininlärning tar hela processen endast några minuter.

– Det coola är att algoritmen inte är begränsad till sårinfektioner, utan är generell och kan användas på många olika sjukdomar där nedbrytning av proteiner spelar en betydande roll. Peptider blir på så sätt en ny källa till information, som i nästa steg kan hjälpa till att skräddarsy behandling, samt bidra till att hitta nya läkemedelskandidater, säger Erik Hartman.

Nästa steg för forskarna är att genomföra större studier för att ytterligare validera resultaten, förfina metodiken och analysera andra slags sjukdomar, såsom sepsis. De vill även undersöka hur metoden kan tillämpas kliniskt i verkliga diagnostiska situationer, för att bedöma dess praktiska användbarhet.

Publikation:
"Peptide clustering enhances large-scale analyses and reveals proteolytic signatures in mass spectrometry data"
Nature Communications, augusti 2024.

Kontakt:
Erik Hartman, civilingenjör och doktorand inom infektionsmedicin, vid Lunds universitet, erik.hartman@med.lu.se, +46 727413988
Artur Schmidtchen, professor i dermatologi och venereologi vid Lunds universitet, samt överläkare vid Skånes universitetssjukhus, artur.schmidtchen@med.lu.se, 046 2224522

Kortfakta peptider och massepktometri
Peptider är korta sekvenser av aminosyror – det vill säga fragment av protein. De är mångsidiga och kan ha olika funktioner och egenskaper beroende på deras struktur. De spelar en avgörande roll i många biologiska processer, från immunsystemets försvar till hormonreglering och nervsignalering.
Masspektrometri är en analytisk metod som används för att identifiera och kvantifiera ämnen i ett prov, som proteiner eller kemiska föreningar. Tekniken separerar molekyler baserat på deras massa-till-laddning-förhållande, vilket gör att man kan identifiera tusentals molekyler i till exempel sårvätska och blodplasma.

-----------------
Presskontakt Medicinska fakulteten vid Lunds universitet: Anna Hellgren, 076 831 89 23, anna.hellgren@med.lu.se