Avaliação da performance da espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier na determinação dos sorotipos de Streptococcus pneumoniae recuperados de doenças invasivas e de colonização

Abstract

Streptococcus pneumoniae coloniza a nasofaringe de humanos, especialmente crianças abaixo dos cinco anos de idade, podendo causar infecções brandas, mas também doenças invasivas, potencialmente fatais. A cápsula polissacarídica é o principal fator de virulência e sua composição define, pelo menos, 100 sorotipos distintos. As vacinas pneumocócicas são estabelecidas considerando os sorotipos circulantes de maior relevância clínica e epidemiológica, sendo a reação de Quellung o padrão-ouro para a sorotipagem, apesar das reconhecidas limitações que restringem sua ampla utilização. Alternativamente, outras técnicas vêm sendo avaliadas, incluindo a espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier (FT-IRS), que, ao analisar espectros entre 1200 e 900cm⁻¹ (região polissacarídica), tem mostrado resultados promissores na sorotipagem de S. pneumoniae. O objetivo do estudo foi avaliar a performance da FT-IRS (IR Biotyper®, Bruker) para sorotipar S. pneumoniae, construindo e validando um classificador customizado (PCV15-Classifier), tendo como referência a reação de Quellung. Os isolados foram identificados por provas fenotípicas convencionais, bem como por espectrometria de massas (MALDI-TOF MS). A análise por FT-IRS foi realizada a partir de colônias de 2ª geração em ágar Columbia. O estudo ocorreu em três etapas: (a) avaliação da ferramenta Pneumococci Serogrouper (Bruker) disponível no IR Biotyper® com isolados de coleção (n=188); (b) construção e validação do PCV15-Classifier utilizando análises uni e multivariadas, além de aprendizado de máquinas com isolados de coleção (n=188); e (c) avaliação do PCV15-Classifier e do Pneumococci Serogrouper (Bruker) com isolados clínicos prospectivos (n=61). Para a construção do classificador, foram obtidos 1246 espectros, utilizando “artificial neural network” (ANN) em 400 ciclos. A concordância do FT-IRS foi maior com o PCV15-Classifier em comparação ao Pneumococci Serogrouper, tanto com isolados retrospectivos (86,7% vs. 68,1%; p=0,0004) quanto prospectivos (75,4% vs. 70,5%; p =0,54), destacando seu melhor desempenho para sorotipos epidemiologicamente relevantes atualmente (como o 3) e sua capacidade de diferenciar os sorotipos 19F e 19A. Os resultados reiteram o potencial do IR Biotyper®, utilizando classificadores customizados (que podem ser aprimorados ao longo do tempo), como ferramenta para a sorotipagem de pneumococo, ressaltando sua facilidade de execução e seu baixo custo por amostra.

Streptococcus pneumoniae colonizes the nasopharynx of humans, especially children under five years of age, causing mild infections but also potentially fatal invasive diseases. The polysaccharide capsule is the main virulence factor and its composition defines at least 100 distinct serotypes. Pneumococcal vaccines are established considering the circulating serotypes of greatest clinical and epidemiological relevance, with the Quellung reaction being the gold standard for serotyping, despite the recognized limitations that restrict its widespread use. Alternatively, other techniques have been evaluated, including Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IRS), which, when analyzing spectra between 1,200 and 900 cm⁻¹ (polysaccharide region), has shown promising results in serotyping S. pneumoniae. The aim of this study was to evaluate the performance of FT-IRS (IR Biotyper®, Bruker) for serotyping S. pneumoniae, constructing and validating a customized classifier (PCV15-Classifier), using the Quellung reaction as reference. Isolates were identified by conventional phenotypic tests, as well as mass spectrometry (MALDI-TOF MS). FT-IRS analysis was performed from 2nd generation colonies on Columbia agar. The study was carried out in three stages: (a) evaluation of the Pneumococci Serogrouper tool (Bruker) available in IR Biotyper® with isolates from bacterial collection (n=188); (b) construction and validation of the PCV15-Classifier using univariate and multivariate analyses in addition to machine learning with isolates from bacterial collection (n=188); and (c) evaluation of the PCV15-Classifier and Pneumococci Serogrouper (Bruker) with prospective clinical isolates (n=61). To construct the classifier, 1,246 spectra were obtained using an artificial neural network (ANN) in 400 cycles. The FT-IRS concordance was higher using PCV15-Classifier compared to Pneumococci Serogrouper, both with retrospective (86.7% vs. 68.1%; p = 0.0004) and prospective (75.4% vs. 70.5%; p = 0.54) isolates, highlighting its better performance for currently epidemiologically relevant serotypes (such as 3) and the ability to differentiate between serotypes 19F and 19A. The results reiterate the potential of IR Biotyper®, using customized classifiers (which can be refined over time), as a tool for pneumococcal serotyping, highlighting its ease of execution and low cost per sample.