NMR based Plasma and Serum Analysis of Metabolome Changes in Patients with Necrotizing Soft-Tissue Infection and/or Sepsis

Abstract

Introduksjon: Nekrotiserende fasciitt (Necrotizing soft-tissue infections, NSTI) og sepsis er en stor og økende årsak til tapte leveår og helse på global basis. Tilstanden er vanskelig å behandle, da de første symptomene er lavgradige og generelle. Behandlingen innebærer risiko for potensielt alvorlige bivirkninger, og bør ikke igangsettes uten god grunn. Når symptomene blir tydeligere og lettere å tolke senere I forløpet, kan pasienten allerede være svært syk, og stå i fare for å dø. Verktøy for tidlig diagnostisering og prediksjon av alvorlighetsgrad vil være svært verdifullt I klinikken. Metabolomikk er studien av summen av metabolitter I en organisme, vev eller celle. Det er et ungt fagfelt, og foreløpig kunnskapsmangel på NSTI, sepsis og metabolomet. Undersøkelse ved NMR-spektroskopi passer godt til metabolomiske analyser. Metode og materiale: Denne pilotstudien er basert på en kohort av 11 pasienter innlagt for mistenkt NSTI ved Haukeland universitetssykehus. VI har fått prøvene til oss gjennom PerAID-prosjektet. NSTI/sepsis-kohorten består av plasma og biopsier fra første innleggelsesdag. Den friske kontrollgruppen består av frivillige, anonyme blodgivere fra blodbanken på St. Olavs hospital, disse har kun gitt serum, ikke biopsi. Plasma, serum og biopsier ble undersøkt med NMR-spektroskopi, biopsiene ble så fiksert med formalin og støpt i parafin for histologisk undersøkelse. Resultater: Vi fant at det er tydelige forskjeller på metabolomet til NSTI/sepsis-gruppen, og de friske kontrollene. Våre hovedfunn fra plasma/serum-metabolomet er at alanin, glutaminsyre og glutamin er signifikant lavere i NSTI/sepsis-gruppen, mens metansyre, glukose, hydroksysmørsyre, fenylalanin, og trimetylamin N-oksid er høyere I samme gruppe. Lipoproteinsubfraksjonene HDL-3, HDL-4, LDL-3, LDL-5, Apo-A1 og Apo-B er lavere I NSTI/sepsis-gruppen. En del av pasientgruppen viser tendens til gruppering ved PCA-analyse, (NSTI vs. non-NSTI), og noen av de aktuelle metabolittene er de samme som ble funnet signifikante i plasma/serum-metabolomanalysen. Diskusjon: Noen av våre funn er meget spennende, både det at vi finner det samme som andre har beskrevet før oss, men også at vi fant en metabolitt det tidligere ikke har vært så mye publisert på når det gjelder NSTI og sepsismetabolom (alanin). Det er oppmuntrende å se at noen av funnene fra plasma/serum-analysen og biopsianalysen er det samme. Selv om det ikke er forventet at vevsmetabolomet skal være helt likt det systemiske metabolomet I slike tilfeller, er det heller ikke overraskende at noen av metabolittene vil dukke opp I begge datasett, de er jo tross alt en del av samme patofysiologi.

Introduction: Severe Necrotizing soft-tissue infections (NSTI) and sepsis is a great cause of loss of health and life globally, and the incidence is rising. The conditions are hard to treat, as initial symptoms are sparse, and the treatment has great potential risks and adverse effect for the patient, and should only be initiated after careful consideration. When the symptoms become more severe, and easier to detect, the patient is already very sick and at risk of dying. Tools for early diagnosis and risk stratification are very valuable to the clinician. Metabolomics is the study of the complete set of metabolites in an organism, a tissue, or a cell. It is an emerging field, and there are too few studies on NSTI, sepsis and the metabolome. NMR spectroscopy is well suited to metabolomic analyses. Methods and materials: This pilot study is on a cohort of 11 patients with suspected NSTI from the PerAID project, Haukeland University Hospital. We have plasma and biopsy samples from the first day of admittance. The controls are serum samples from 20 healthy donors from the Blood bank at St. Olav’s Hospital, no control biopsies were included. The plasma/serum and biopsies were examined using NMR spectroscopy, and the biopsies were fixated, and paraffin embedded for histological investigation. Results: We found that there were clear differences in the metabolome of the NSTI/sepsis group, and the healthy controls. Our main finding is that for the NSTI/sepsis group, alanine, glutamic acid, glutamine are significantly lower, and formic acid, glucose, hydroxybutyric acid, phenylalanine, and trimethylamine N-oxide are higher. The lipoproteins subfractions HDL-3 (high density lipoprotein), HDL-4, LDL-3 (low density lipoprotein), and LDL-5, Apo-A1 and Apo-B, are lower in the NSTI/sepsis group. For the biopsies, a subset of the NSTI/sepsis group (NSTI vs non-NSTI), shows clustering by principal component analysis (PCA), and these metabolites are some of the same as were found to be significantly changed in the patient vs. healthy control plasma/serum metabolome test. Discussion: Some of our findings are very exciting, both that we find some metabolites that are already described in the literature, and one that there have not yet been many publications on (alanine). It is also reassuring to find that some of the metabolite findings in the plasma/serum analysis and the biopsy analysis are the same. Even though the metabolome of the tissue is not expected to match the systemic metabolome of the biofluids, it would not be surprising if some of the same substances appeared in both data sets, as they are results of the same pathophysiology.