نهج قائم على البيانات لقياس الحالات المناعية في الإنتان

Summary

تبحث هذه الدراسة في حالة المناعة في الإنتان من خلال تحليل العلاقات الكمية بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات في مرضى الإنتان والضوابط الصحية باستخدام تحليل تصور البيانات والتركيب العددي ثلاثي الأبعاد لإنشاء نموذج رياضي.

Abstract

في الإنتان ، يعد فهم التفاعل بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات أمرا بالغ الأهمية لتقييم حالة المناعة وتحسين استراتيجيات العلاج. تم جمع عينات الدم من 512 مريضا تم تشخيص إصابتهم بالإنتان و 205 من الضوابط الأصحاء ، بإجمالي 717 عينة. تم إجراء تحليل تصور البيانات والتركيب العددي ثلاثي الأبعاد لإنشاء نموذج رياضي يصف العلاقات بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات. تم استخدام خريطة ميزة التنظيم الذاتي (SOFM) لتجميع بيانات عينة الإنتان تلقائيا في الفضاء ثلاثي الأبعاد الذي يمثله النموذج ، مما ينتج عنه حالات مناعية مختلفة.

كشف التحليل أن عدد خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات مقيدة داخل مستوى ثلاثي الأبعاد ، كما هو موضح في المعادلة: WBC = 1.098 × العدلات + 1.046 × الخلايا الليمفاوية + 0.1645 ، مما ينتج عنه خطأ تنبؤ (RMSE) بنسبة 1٪. هذه المعادلة قابلة للتطبيق عالميا على جميع العينات على الرغم من الاختلافات في توزيعاتها المكانية. حددت مجموعة SOFM تسع حالات مناعية متميزة داخل مرضى الإنتان ، والتي تمثل مستويات مختلفة من الحالة المناعية وفترات التذبذب ومراحل التعافي.

يكشف النموذج الرياضي المقترح ، الذي تمثله المعادلة أعلاه ، عن حد تقييد أساسي على مجموعات الخلايا المناعية في كل من مرضى الإنتان والضوابط الصحية. علاوة على ذلك ، يوفر نهج تجميع SOFM نظرة عامة شاملة على الحالات المناعية المتميزة التي لوحظت ضمن حدود القيد هذه في مرضى الإنتان. تضع هذه الدراسة الأساس للعمل المستقبلي على تحديد وتصنيف حالة المناعة في الإنتان، والتي قد تساهم في النهاية في تطوير استراتيجيات تشخيصية وعلاجية أكثر موضوعية.

Introduction

لا يزال الإنتان، وهو خلل وظيفي في الأعضاء يهدد الحياة ناتج عن استجابة المضيف غير المنظمة للعدوى، يمثل تحديا كبيرا في طب الرعاية الحرجة¹. على الرغم من التقدم في فهم الفيزيولوجيا المرضية للتعفن الدموي ، إلا أن التفاعل المعقد بين الجهاز المناعي ومسببات الأمراض لا يزال يشكل صعوبات في تشخيص هذه الحالة وعلاجها بشكل فعال². غالبا ما تركز الأساليب السريرية الحالية على مراقبة مؤشرات العدوى ، ووظيفة الأعضاء ، والسيتوكينات ، والكشف عن الميكروبات ، وميكروبيوم^{الأمعاء 3}. ومع ذلك ، هناك اعتراف متزايد بالدور الحاسم الذي تلعبه الخلايا المناعية ، وخاصة خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات ، في تطور وحل الإنتان⁴.

خلال فترة الإنتان ، يخضع الجهاز المناعي لسلسلة معقدة من التغييرات ، تتميز بمرحلة مفرطة الالتهاب الأولية تليها^{مرحلة 5} مثبطة للمناعة لفترات طويلة. تتميز المرحلة المبكرة بزيادة في عدد العدلات وانخفاض مصاحب في أعداد الخلايا الليمفاوية ، مما يعكس تنشيط الاستجابات المناعية الفطرية وقمع المناعة التكيفية⁶. مع تقدم الحالة ، قد تتأرجح مستويات العدلات أو تصبح مرهقة بينما يستمر عدد الخلايا الليمفاوية في الانخفاض ، مما يؤدي إلى حالة من تثبيط المناعة تجعل المرضى عرضة للعدوى الثانوية⁷. يعد فهم التفاعل الديناميكي بين مجموعات الخلايا المناعية هذه أمرا بالغ الأهمية لتقييم الحالة المناعية لمرضى الإنتان بدقة وابتكار تدخلات مستهدفة.

اعتمدت الأساليب التقليدية لتحليل عدد الخلايا المناعية في الإنتان على التحليلات أحادية المتغير أو ثنائية المتغير ، والتي تفشل في التقاط العلاقات المعقدة بين المعلمات المناعية^{المتعددة 8}. فتحت التطورات الحديثة في تصور البيانات وتقنيات التعلم الآلي إمكانيات جديدة لاستكشاف البيانات المناعية عالية^{الأبعاد 9}. على وجه الخصوص ، أظهر تصور مخطط التشتت ثلاثي الأبعاد وخرائط الميزات ذاتية التنظيم (SOFM) ¹⁰ وعدا في الكشف عن الأنماط الخفية وتحديد الحالات المناعية المتميزة في سياقات المرض المختلفة.

تهدف هذه الدراسة إلى التحقيق في حالة المناعة لدى مرضى الإنتان من خلال تحليل العلاقات الكمية بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات باستخدام تقنيات تصور البيانات المتقدمة وتجميعها. الفرضية هي أن مجموعات الخلايا المناعية هذه مقيدة داخل مساحة ثلاثية الأبعاد تحكمها علاقة رياضية أساسية. من خلال الكشف عن هذه العلاقة وتحديد الحالات المناعية المتميزة باستخدام SOFM ، تسعى الدراسة إلى توفير إطار عمل لفهم الحالات الديناميكية المناعية في الإنتان وتسهيل اتخاذ القرارات السريرية.

يتضمن النهج جمع عينات الدم من 512 مريضا بالإنتان تم إدخالهم إلى وحدة العناية المركزة (ICU) و 205 أفراد أصحاء ، بإجمالي 717 عينة. شمل مجتمع الدراسة كلا من المشاركين من الذكور (54.3٪) والإناث (45.7٪) ، الذين تتراوح أعمارهم بين 35 و 100 عام (متوسط العمر: 73.5 سنة). يتم تطبيق تصور مخطط مبعثر ثلاثي الأبعاد والتركيب العددي لإنشاء نموذج رياضي يصف التفاعل بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات في كل من مرضى الإنتان والضوابط الصحية. ثم يتم استخدام SOFM لتجميع بيانات عينة الإنتان تلقائيا في الفضاء ثلاثي الأبعاد ، مما ينتج عنه حالات مناعية مختلفة. من خلال مقارنة الملامح المناعية والتوزيعات المكانية لمرضى الإنتان مع تلك الخاصة بالأفراد الأصحاء ضمن حدود القيد التي يمثلها النموذج الرياضي ، تهدف الدراسة إلى اكتساب نظرة ثاقبة حول الآليات الفيزيولوجية المرضية الكامنة وراء الإنتان وتحديد الأهداف المحتملة للعلاجات المعدلة للمناعة.

من خلال توفير طريقة كمية لتقييم الحالة المناعية لمرضى الإنتان ، يمكن أن يتيح النهج تحديد مرحلة أكثر دقة للمرض وتوجيه اختيار التدخلات المناسبة. علاوة على ذلك ، قد يضع تحديد الحالات المناعية المتميزة باستخدام SOFM الأساس للبحث المستقبلي حول مناهج العلاج المناعي الشخصية المصممة خصيصا للملامح المناعية المحددة للمرضى الأفراد.

باختصار ، تقدم هذه الدراسة نهجا لفهم حالة المناعة في الإنتان من خلال الاستفادة من تصور البيانات المتقدمة وتقنيات التعلم الآلي. من خلال الكشف عن العلاقة الرياضية بين مجموعات الخلايا المناعية الرئيسية في مرضى الإنتان والضوابط الصحية وتحديد الحالات المناعية المميزة في مرضى الإنتان ، توفر الدراسة منظورا جديدا لديناميكيات المناعة المعقدة في الإنتان. يتيح هذا النهج تقييما أكثر دقة لحالة المرض (مجموعات مختلفة) ويمكن أن يوجه اختيار التدخلات المناسبة ، مما يساهم في النهاية في تطوير استراتيجيات تشخيصية وعلاجية أكثر فعالية.

Protocol

تستكشف هذه الدراسة حالة المناعة لدى مرضى الإنتان من خلال التحقيق في العلاقات بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات. تم تسجيل المرضى في وحدة العناية المركزة (ICU) في مستشفى Dongzhimen في بكين ، الصين ، وخضعوا لاختبارات الدم القياسية بعد تقديم موافقة مستنيرة. أجريت الدراسة وفقا لإرشادات لجنة أخلاقيات البحث البشري المؤسسية. يمكن العثور على تجميع البيانات ومحتوى البيانات التفصيلي في الجدول التكميلي 1. يتم تعداد أدوات البرامج المستخدمة في هذه الدراسة في جدول المواد.

1. جمع البيانات وإعدادها

ملاحظة: تم اختيار خلايا الدم البيضاء والعدلات والخلايا الليمفاوية كمؤشرات رئيسية للحالة المناعية لدى مرضى الإنتان. يعتمد هذا الاختيار على الملاحظات السريرية الراسخة التي تفيد بأن عدد الخلايا الليمفاوية يميل إلى القمع والانخفاض تدريجيا ، بينما غالبا ما يتأرجح عدد العدلات في مرضى الإنتان. تم التعرف على هذين النوعين من الخلايا تجريبيا كعلامات مهمة للحالة المناعية لدى مرضى الإنتان. ومع ذلك، لم يتم الإبلاغ بوضوح عن العلاقة الكمية الدقيقة بين هذه المعلمات في الأدبيات. لذلك ، تم اختيار خلايا الدم البيضاء والعدلات والخلايا الليمفاوية كنقطة انطلاق لقياس الحالة المناعية لدى مرضى الإنتان.

1. تثبيت رابط جدول بيانات MATLAB للوظيفة الإضافية Excel.
   1. افتح Microsoft Excel وانتقل إلى علامة التبويب إدراج على الشريط.
   2. انقر فوق الحصول على الوظائف الإضافية في قسم الوظائف الإضافية .
   3. في مربع الحوار Office Add-Ins ، ابحث عن رابط جدول بيانات MATLAB في شريط البحث.
   4. حدد موقع الوظيفة الإضافية MATLAB Spreadsheet Link for Excel في نتائج البحث وانقر فوق الزر إضافة .
   5. اقرأ الشروط والأحكام ووافق عليها، ثم انقر فوق متابعة لمتابعة التثبيت.
   6. إذا طلب منك ذلك، قم بتسجيل الدخول باستخدام حساب MathWorks أو إنشاء حساب جديد للوصول إلى الوظيفة الإضافية.
   7. بمجرد اكتمال التثبيت، ستظهر علامة التبويب رابط جدول بيانات MATLAB على شريط Excel.
   8. انقر فوق علامة التبويب رابط جدول بيانات MATLAB للتحقق من أن الوظيفة الإضافية مثبتة وجاهزة للاستخدام.
2. إرسال البيانات إلى مساحة عمل MATLAB.
   1. افتح جدول البيانات الذي يحتوي على بيانات مريض الإنتان، بما في ذلك تعداد خلايا الدم البيضاء وعدد الخلايا الليمفاوية وعدد العدلات.
   2. تأكد من تنظيم البيانات بتنسيق منظم ، مع كل متغير (عدد خلايا الدم البيضاء ، وعدد الخلايا الليمفاوية ، وعدد العدلات) في عمود منفصل وكل مريض في صف منفصل.
   3. حدد نطاق الخلايا التي تحتوي على عدد خلايا الدم البيضاء وعدد الخلايا الليمفاوية وعدد العدلات.
   4. انقر فوق علامة التبويب رابط جدول بيانات MATLAB في شريط Excel.
   5. في علامة التبويب رابط جدول بيانات MATLAB ، انقر فوق الزر إرسال البيانات إلى MATLAB .
   6. في مربع الحوار إرسال البيانات إلى MATLAB ، أختر مثيل MATLAB المناسب من القائمة المنسدلة إذا كانت هناك مثيلات متعددة قيد التشغيل.
   7. حدد اسم المتغير للبيانات في حقل اسم المتغير . على سبيل المثال ، sepsis_immune_data.
   8. حدد نوع البيانات المطلوب للبيانات المستوردة في MATLAB (على سبيل المثال ، المصفوفة الرقمية).
   9. انقر فوق موافق لإرسال البيانات إلى مساحة عمل MATLAB.
   10. قم بالتبديل إلى تطبيق MATLAB وتحقق من استيراد البيانات بنجاح عن طريق التحقق من مساحة العمل لاسم المتغير المحدد (على سبيل المثال، sepsis_immune_data).
3. التحقق من البيانات في MATLAB
   1. بعد إرسال بيانات مريض الإنتان (تعداد خلايا الدم البيضاء وعدد الخلايا الليمفاوية وعدد العدلات) إلى MATLAB باستخدام الوظيفة الإضافية MATLAB Spreadsheet Link ، قم بالتبديل إلى تطبيق MATLAB.
   2. للتحقق من محتويات البيانات المستوردة، اكتب اسم المتغير في نافذة الأمر MATLAB واضغط على Enter.

2. تصور ثلاثي الأبعاد لخلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات

1. إنشاء المؤامرة باستخدام الدالة Immune_scatter3
   1. يخزن المتغير A البيانات المناعية لمرضى الإنتان. استدعاء الدالة Immune_scatter3(A) للحصول على واجهة مستخدم رسومية (GUI) تعرض مخطط مبعثر ثلاثي الأبعاد للعينات، كما هو موضح في الشكل 1.
      ملاحظة: خطأ التركيب بين المستوى ثلاثي الأبعاد وتوزيع العينة في المؤامرة صغير جدا. سيوفر القسم 3 الصيغة الدقيقة.
2. استخدام واجهة المستخدم الرسومية
   1. استكشف وتحليل مخطط المبعثر ثلاثي الأبعاد باستخدام الميزات التفاعلية التي توفرها واجهة المستخدم الرسومية التي تم إنشاؤها.
      1. تدوير: انقر فوق المؤامرة واسحبها لتدويرها في مساحة ثلاثية الأبعاد، مما يسمح بعرض توزيع العينة من زوايا مختلفة.
      2. تحريك: انقر بزر الماوس الأيمن واسحبه لتحريكه أفقيا أو رأسيا، مع ضبط المنطقة المرئية من المخطط.
      3. التكبير/التصغير: استخدم عجلة الماوس أو عناصر التحكم في التكبير/التصغير في شريط الأدوات لتكبير المخطط أو تصغيره، مع التركيز على مناطق أو عينات معينة.
      4. مؤشر البيانات: انقر فوق العينات الفردية لعرض قيمها المقابلة لخلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات.
         ملاحظة: من خلال استخدام هذه الميزات التفاعلية ، يمكن للأطباء اكتساب نظرة ثاقبة حول العلاقات والأنماط بين خلايا الدم البيضاء والخلايا الليمفاوية والعدلات في مرضى الإنتان ، مما يسهل استكشاف وتحليل البيانات المناعية.

3. الصيغة

1. في مساحة عمل MATLAB ، قم بتعيين عدد العدلات وعدد الخلايا الليمفاوية وعدد خلايا الدم البيضاء للمتغيرات X و Y و Z على التوالي.
2. للحصول على التعبير الرياضي الدقيق (الصيغة 1; كرات الدم البيضاء = 1.098 × العدلات + 1.046 × الخلايا الليمفاوية + 0.1645 (RMSE: 1٪)) من المستوى ثلاثي الأبعاد في الشكل 1 ، استدع الأمر التالي:
   [fitresult ، gof ، الإخراج] = ملاءمة ([X ، Y] ، Z ، 'poly11')
   ملاحظة: تصف هذه الصيغة كميا العلاقة بين خلايا الدم البيضاء والعدلات والخلايا الليمفاوية في مرضى الإنتان ، مما يوفر تمثيلا موجزا ودقيقا للبيانات المناعية.
3. لتقييم جودة الملاءمة ، احسب جذر متوسط الخطأ التربيعي الطبيعي (NRMSE) باستخدام الأمر التالي:
   gof.rmse / (الحد الأقصى (Z) - الحد الأدنى (Z))
   ملاحظة: تشير قيمة NRMSE الناتجة البالغة 1٪ إلى أن المستوى المركب (الصيغة 1) يقترب بشكل وثيق من التوزيع الفعلي للعينة في الفضاء ثلاثي الأبعاد. يؤكد مستوى الخطأ المنخفض هذا على موثوقية وصحة التعبير الرياضي الذي تم الحصول عليه في التقاط العلاقات المعقدة بين المعلمات المناعية لدى مرضى الإنتان.

4. حالة المناعة في الإنتان

ملاحظة: تم استخدام خرائط ميزات التنظيم الذاتي (SOFM) للتجميع غير الخاضع للإشراف لتحديد الحالات المناعية لدى مرضى الإنتان.

1. من خلال استدعاء الدالة Immune_Condition ، قم بإنشاء مجموعات من نقاط العينة على المستوى ثلاثي الأبعاد الذي تمثله الصيغة 1 ، كما هو موضح في الشكل 2.
2. استخدم ميزات التصور التفاعلي للشكل 2 كما هو موضح في الخطوة 2.2.
   ملاحظة: يعرض الشكل 2 تسع مجموعات مؤتمتة ، تسمى Cluster1 إلى Cluster9 ، مشتقة من نهج التعلم الآلي غير الخاضع للإشراف في SOFM. تأخذ تقنية التجميع هذه في الاعتبار كلا من الطوبولوجيا المكانية وكثافة العينات ، مما يتيح تحديد حالات المناعة المميزة داخل مرضى الإنتان.

5. مسارات التذبذب المناعي النموذجية في الإنتان

1. استنادا إلى الشكل 2 ، استخدم أمر الانتظار للحفاظ على الشكل في حالة تراكب ، ثم استخدم الأوامر التالية لإنشاء مخطط ثلاثي الأبعاد لبيانات مسار المريض النموذجي.
   انتظر
   ل i = 1: الحجم (p ، 1) -1
   وقفة (3) ؛ قطعة 3 (ع (i: i + 1،2) ، p (i: i + 1،3) ، p (i: i + 1،1) ، "k" ، "عرض الخط" ، 3) ؛
   انتهاء

النتائج

ينطوي تطور الإنتان على تفاعل معقد بين الجهاز المناعي البشري ومسببات الأمراض الغازية. في التشخيص والعلاج السريري ، يتركز الكثير من الاهتمام على مؤشرات العدوى ، وعلامات وظائف الأعضاء ، والسيتوكينات ، والكشف عن الميكروبات ، وحتى ميكروبيوم الأمعاء. ومع ذ?...

Discussion

تقدم هذه الدراسة نهجا لفهم حالة المناعة في الإنتان من خلال الاستفادة من تقنيات تصور البيانات المتقدمة والتعلم الآلي. من خلال الكشف عن العلاقة الرياضية بين مجموعات الخلايا المناعية الرئيسية وتحديد الحالات المناعية المميزة ، تقدم الدراسة منظورا جديدا حول ديناميكيات الم...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
MATLAB	MathWorks	2022B	Computing and visualization
Probabilistic Scatter Plots for Immune States	Intelligent  Entropy	Immune States V1.0	Beijing Intelligent Entropy Science & Technology Co Ltd. Modeling for CT/MRI fusion