Нейроборрелиоз можно диагностировать по протеому плазмы с помощью машинного обучения

Нейроборрелиоз (неврологические осложнения болезни Лайма) развивается при поражении нервной системы спирохетами комплекса Borrelia burgdorferi sensu lato (B. burgdorferi s.l.), передающимися через укусы клещей рода Ixodes. Встречается в некоторых странах с частотой до 3,2–6,3 на 100 000 человек в год, а в Европе считается одной из самых частых бактериальных инфекций нервной системы. Антибиотикотерапия на ранних этапах заболевания дает хороший прогноз, но, если задержаться с лечением, возможны разнообразные осложнения.

Среднее время от появления неврологических симптомов до постановки диагноза составляет три недели. Это связано с тем, что симптомы нейроборрелиоза похожи на другие заболевания, только 40% пациентов припоминают, что их кусал клещ, и только 25% сообщают о характерной сыпи. Для подтверждения диагноза нужен образец спинномозговой жидкости. А люмбальная пункция — неприятная и дорогостоящая процедура, которая может потребовать госпитализации и общего наркоза у детей. Прямая идентификация возбудителя B. burgdorferi s.l. с помощью ПЦР, культивирования или их комбинации имеет крайне низкую чувствительность как в крови, так и в спинномозговой жидкости. Серологический ответ при нейроборрелиозе не обнаруживается на ранней стадии заболевания, и уровень антител может оставаться повышенным в течение нескольких месяцев или даже лет после полного выздоровления, так что невозможно различить перенесенную и текущую инфекции. Исследователи из Дании и Швеции предложили использовать анализ протеома плазмы и машинное обучение, чтобы ускорить постановку диагноза.

Всего для протеомного анализа было отобрано 483 образца (308 образцов спинномозговой жидкости и 175 образцов плазмы крови) взрослых людей: 155 от пациентов с нейроборрелиозом, 127 от пациентов с вирусным менингитом, 169 от контрольной группы и 32 от пациентов с мигрирующей эритемой, хроническим атрофическим акродерматитом и симптомами болезни Лайма, сохранившимися после лечения. В спинномозговой жидкости методом масс-спектрометрии идентифицировали 1865 белков (медиана 773 на образец). В дальнейший анализ включили 654 белка. Образцы пациентов с нейроборрелиозом и вирусным менингитом значительно различались по 176 белкам, образцы пациентов с нейроборрелиозом и контролей — по 464 белкам. Результаты проверили на валидационной когорте.

В белковых сигнатурах доминировали иммуноглобулины (IGLV3-25, IGLV2−18, FCGBP, IGHM), белки, участвующие во врожденном иммунном ответе (енолаза 1, S100A9), белки нейроэндокринного сигналинга (ECRG4, CHGA), миграции и повреждения клеток (PFN1, APCS, YWHAZ, H4C1, ACTA2). Уровень иммуноглобулинов в целом был повышен, а уровень белков, участвующих во врожденном иммунном ответе и нейроэндокринном сигналинга, был понижен при нейроборрелиозе по сравнению с вирусным менингитом и контрольной группой.

Авторы протестировали 12 моделей машинного обучения и выбрали одну, которая позволяла наиболее точно выделить образцы пациентов с нейроборрелиозом. При сравнении образцов пациентов с нейроборрелиозом и вирусным менингитом в тестовой выборке площадь под ROC-кривой (AUC) составила 0,91, а коэффициент корреляции Мэтьюса (MCC) — 0,81. В валидационной когорте значения AUC и MCC составили 0,92 и 0,7 соответственно. При сравнении с контрольными образцами в тестовой когорте AUC составил 0,93 и MCC — 0,76, в валидационной когорте значения AUC и MCC составили 0,9 и 0,63 соответственно.

Далее авторы идентифицировали 379 белков в плазме (медиана 268 на образец), 232 белка включили в дальнейший анализ. В общей сложности 68 белков значительно различались между образцами пациентов с нейроборрелиозом и вирусным менингитом, а в сравнении с контролями — 69. В валидационной когорте таких белков было 25.

Различия в белковых профилях между тремя группами пациентов были обусловлены преимущественно белками, участвующими во врожденном и гуморальном иммунном ответах. При сравнении белковых профилей образцов плазмы пациентов с нейроборрелиозом и вирусным менингитом у пациентов с нейроборрелиозом в целом активнее экспрессировались белки, связанные с врожденным иммунитетом и активацией системы комплемента (FCN3, SERPING1, SERPINA5), липидным обменом (APOE, APOC1, APOM) и регуляцией свертываемости крови (F13A1, PROC). Напротив, у пациентов с вирусным менингитом в белковом профиле плазмы преобладали маркеры острой фазы заболевания и провоспалительные маркеры (CRP, S100A8, S100A9), а также иммуноглобулины. При сравнении группы нейроборрелиоза с контрольной группой было выявлено, что повышенная экспрессия плазменных белков в группе нейроборрелиоза связана также с активацией системы комплемента (C3, C5), регуляцией коагуляции и воспаления (SERPINA3, SERPIND1) и модуляторами иммунной системы (HP, ITIH4). В отличие от спинномозговой жидкости, уровень большинства иммуноглобулинов в плазме контрольной группы был выше, чем у пациентов с нейроборрелиозом.

Разработать модель для различения вирусного менингита и нейроборрелиоза не удалось из-за небольшого количества случаев вирусного менингита, все сравнения проводили с контрольной группой. Лучшая модель машинного обучения достигла AUC 0,96 и MCC 0,83 в тестовой когорте, в валидационной когорте — 0,80 и 0,48. Группы с активными инфекциями Borrelia burgdorferi s.l., хроническим атрофическим акродерматитом и мигрирующей эритемой имели значительно большее сходство с профилем нейроборрелиоза, чем группы с отсутствием активной инфекции, симптомами болезни Лайма после лечения или вирусным менингитом.

Авторы обнаружили 72 белков, которые значительно различались между группой нейроборрелиоза и контрольной группой или вирусным менингитом как в спинномозговой жидкости, так и в плазме. Они подтвердили, что протеомика на основе масс-спектрометрии в сочетании с машинным обучением может идентифицировать белковые сигнатуры в образцах у пациентов с нейроборрелиозом, что позволяет отличать их от пациентов с вирусным менингитом и контрольной группы. Спинномозговая жидкость подходила для этого лучше, чем плазма. По словам авторов, результаты требуют дальнейшей проспективной валидации для определения их истинной клинической ценности. Это включает валидацию на внешних когортах, а также лонгитюдные исследования для оценки роли протеомики плазмы в динамике мониторинга заболеваний.

Распространение боррелий зависит от ландшафта и климата