Application of MALDI-TOF MS and machine learning for the detection of SARS-CoV-2 and non-SARS-CoV-2 respiratory infections
Notice bibliographique
Résumé
Matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) could aid the diagnosis of acute respiratory infections (ARIs) owing to its affordability and high-throughput capacity. MALDI-TOF MS has been proposed for use on commonly available respiratory samples, without specialized sample preparation, making this technology especially attractive for implementation in low-resource regions. Here, we assessed the utility of MALDI-TOF MS in differentiating severe acute respiratory syndrome coronavirus 2 (SARS-CoV-2) vs non-COVID acute respiratory infections (NCARIs) in a clinical lab setting in Kazakhstan. Nasopharyngeal swabs were collected from inpatients and outpatients with respiratory symptoms and from asymptomatic controls (ACs) in 2020-2022. PCR was used to differentiate SARS-CoV-2+ and NCARI cases. MALDI-TOF MS spectra were obtained for a total of 252 samples (115 SARS-CoV-2+, 98 NCARIs, and 39 ACs) without specialized sample preparation. In our first sub-analysis, we followed a published protocol for peak preprocessing and machine learning (ML), trained on publicly available spectra from South American SARS-CoV-2+ and NCARI samples. In our second sub-analysis, we trained ML models on a peak intensity matrix representative of both South American (SA) and Kazakhstan (Kaz) samples. Applying the established MALDI-TOF MS pipeline "as is" resulted in a high detection rate for SARS-CoV-2+ samples (91.0%), but low accuracy for NCARIs (48.0%) and ACs (67.0%) by the top-performing random forest model. After re-training of the ML algorithms on the SA-Kaz peak intensity matrix, the accuracy of detection by the top-performing support vector machine with radial basis function kernel model was at 88.0%, 95.0%, and 78% for the Kazakhstan SARS-CoV-2+, NCARI, and AC subjects, respectively, with a SARS-CoV-2 vs rest receiver operating characteristic area under the curve of 0.983 [0.958, 0.987]; a high differentiation accuracy was maintained for the South American SARS-CoV-2 and NCARIs. MALDI-TOF MS/ML is a feasible approach for the differentiation of ARI without specialized sample preparation. The implementation of MALDI-TOF MS/ML in a real clinical lab setting will necessitate continuous optimization to keep up with the rapidly evolving landscape of ARI.IMPORTANCEIn this proof-of-concept study, the authors used matrix-assisted laser desorption/ionization time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF MS) and machine learning (ML) to identify and distinguish acute respiratory infections (ARI) caused by SARS-CoV-2 versus other pathogens in low-resource clinical settings, without the need for specialized sample preparation. The ML models were trained on a varied collection of MALDI-TOF MS spectra from studies conducted in Kazakhstan and South America. Initially, the MALDI-TOF MS/ML pipeline, trained exclusively on South American samples, exhibited diminished effectiveness in recognizing non-SARS-CoV-2 infections from Kazakhstan. Incorporation of spectral signatures from Kazakhstan substantially increased the accuracy of detection. These results underscore the potential of employing MALDI-TOF MS/ML in resource-constrained settings to augment current approaches for detecting and differentiating ARI.
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Comment cette classification a été obtenuedéplier
Prédiction machine sur la base complète
Imitation des enseignantsNi prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.
Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,002 | 0,002 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,001 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,001 |
| Bibliométrie | 0,001 | 0,001 |
| Études des sciences et des technologies | 0,001 | 0,000 |
| Communication savante | 0,001 | 0,000 |
| Science ouverte | 0,000 | 0,001 |
| Intégrité de la recherche | 0,001 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,001 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.
Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.
score_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découleClassification
machine, non validéePrédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.
Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».