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Introduzione

Le infezioni osteoarticolari, in particolare le osteomieliti batteriche, sono una grande sfida nella medicina. In Europa, si registrano circa 11 casi ogni 100.000 abitanti all’anno, con costi che superano i 30.000 euro per episodio. Queste infezioni sono spesso causate da batteri opportunisti e si sviluppano dopo interventi ortopedici, traumi aperti o altre infezioni. Colpiscono principalmente le ossa lunghe, come il femore, e le ossa mascellari e mandibolari. Nonostante i progressi nella diagnosi e nel trattamento, ci sono alti tassi di recidiva e costi sanitari elevati. I metodi diagnostici attuali non sempre offrono diagnosi rapide e precise. Il sequenziamento metagenomico di nuova generazione (mNGS) è uno strumento per identificare i patogeni nei campioni. Rileva tutte le sequenze genetiche e le confronta con database per identificarli. Migliora la diagnosi di infezioni rare, multiple e sconosciute, offrendo ampie prospettive nel campo della diagnosi clinica.

Obiettivo generale

Applicare le scienze omiche per l’identificazione dei microrganismi patogeni al fine di migliorare e velocizzare la diagnosi, la prognosi e la gestione personalizzata delle infezioni del sangue e osteoarticolari, mediante l'utilizzo di tecnologie analitiche avanzate.

Obiettivi specifici

1. Applicazione di tecnologie metagenomiche a campioni clinici

2. Applicare le tecnologie metagenomiche ai campioni clinici umani ottenuti da pazienti conosteomielite, per identificare i patogeni, valutarne il background genico, i geni di virulenza eresistenza, ed eventuali elementi genetici mobili ed essi associati, al fine di ottenere una correlazione tra presenza a livello genomico e trascrittomico dei geni maggiormente coinvolti nel processo patogenetico, e correlarlo alla patologia.

3. Analisi bioinformatica integrata di dati multiomici.

4. Integrare i dati ottenuti da campioni clinici utilizzando strumenti bioinformatici per identificare un set di marcatori potenzialmente diagnostici, prognostici e/o predittivi.

Metodi

I campioni clinici di liquido sinoviale, sangue e ossei saranno raccolti secondo protocolli stabiliti tra le unità coinvolte nel progetto. Per le analisi metagenomiche, verranno trasferiti all'Unità operativa di Catania campioni di liquidi e frammenti ossei, conservati per garantire la stabilità degli acidi nucleici. I campioni ossei saranno trattati con sonicazione e centrifugazione, passando poi nella soluzione di conservazione. Dopo la raccolta, i campioni saranno inviati al laboratorio di Microbiologia dell'Università di Catania nell'arco di 24 ore. Qui, il DNA e l'RNA saranno estratti, sequenziati e analizzati per identificare microrganismi patogeni e geni di interesse. Le analisi includeranno anche metodologie colturali come standard di confronto.

I dati raccolti saranno condivisi con il consorzio per analizzare campioni biologici e trovare marcatori per l'osteomielite. Il progetto utilizzerà pipeline bioinformatiche valide, per analizzare dati complessi. Queste includeranno strumenti per normalizzare e analizzare statisticamente i dati e metodi per integrare diversi dataset. L'analisi sfrutterà tecniche come PCA, Gene Ontology, KEGG e reti di interazione proteina-proteina.

Risultati attesi e Prospettive future e ricadute sulle filiere strategiche della ricerca:

1) Messa a punto dell’analisi metagenomica su campioni biologici da infezioni sistemiche e dell’osso. Attraverso l’analisi metagenomica su campioni clinici, mediante l’individuazione di (materiale genetico DNA o RNA) legati alla presenza batterica, in modo da poter distinguere i tessuti infetti da quelli sani e

individuare il microrganismo di patogeno, e le sue caratteristiche rilevanti al trattamento e terapia.

2) Creazione di una banca dati multi-omica integrata. I dati generati verranno armonizzati in un’unica piattaforma bioinformatica multi-omica, secondo pipeline già testate nel progetto SEPSOT-CODE, che costituirà una risorsa unica a livello nazionale per lo studio delle infezioni osteoarticolari, utile per futuri

sviluppi diagnostici, terapeutici e predittivi.

Questo progetto si colloca all'intersezione tra ricerca traslazionale, medicina di precisione e innovazione tecnologica. Le conoscenze acquisite contribuiranno allo sviluppo di protocolli clinici personalizzati per la gestione delle infezioni osteoarticolari, con ricadute dirette su:

- Rafforzamento delle capacità diagnostiche avanzate del Sistema Sanitario

- Ottimizzazione dell'uso di antibiotici e riduzione dell'antibiotico-resistenza

- Miglioramento della prognosi e della qualità di vita dei pazienti affetti

- Valorizzazione della ricerca italiana nel campo delle tecnologie omiche e della salute muscoloscheletrica.

Un vantaggio strategico del progetto è l'uso di strumentazioni moderne legate al precedente progetto INF- ACT, WP3.3, che si occupa di diagnostica avanzata. Le tecnologie includono il sistema di digital PCR QIAcuity, il sequenziatore SeqStudio e il sequenziatore MinION, disponibili all'Università di Catania. Questi strumenti potenziano le capacità di ricerca e sono cruciali per sviluppare un kit per infezioni osteoarticolari.