BACKGROUND Sepsis remains a major challenge in intensive care units, causing unacceptably high mortality rates due to the lack of rapid diagnostic tools with sufficient sensitivity. Therefore, there is an urgent need to replace time-consuming blood cultures with a new method. Ideally, such a method also provides comprehensive profiling of pathogenic bacteria to facilitate the treatment decision. METHODS We developed a Random Forest with balanced subsampling to screen for pathogenic bacteria and diagnose sepsis based on cell-free DNA (cfDNA) sequencing data in a small blood sample. In addition, we constructed a bacterial co-occurrence network, based on a set of normal and sepsis samples, to infer unobserved bacteria. RESULTS Based solely on cfDNA sequencing information from three independent datasets of sepsis, we distinguish sepsis from healthy samples with a satisfactory performance. This strategy also provides comprehensive bacteria profiling, permitting doctors to choose the best treatment strategy for a sepsis case. CONCLUSIONS The combination of sepsis identification and bacteria-inferring strategies is a success for noninvasive cfDNA-based diagnosis, which has the potential to greatly enhance efficiency in disease detection and provide a comprehensive understanding of pathogens. For comparison, where a culture-based analysis of pathogens takes up to 5 days and is effective for only a third to a half of patients, cfDNA sequencing can be completed in just 1 day and our method can identify the majority of pathogens in all patients.

中文翻译：

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基于无细胞DNA的脓毒症的快速诊断和全面细菌分析。

背景技术脓毒症仍然是重症监护病房中的主要挑战，由于缺乏具有足够敏感性的快速诊断工具，导致了令人无法接受的高死亡率。因此，迫切需要用新方法代替耗时的血液培养。理想地，这种方法还提供了病原细菌的综合概况分析，以促进治疗决策。方法我们开发了具有均衡二次采样的随机森林，以筛选病原细菌并根据少量血液样本中的无细胞DNA（cfDNA）测序数据诊断败血症。此外，我们根据一组正常和败血症样本构建了一个细菌共现网络，以推断未观察到的细菌。结果仅基于来自三个独立败血症数据集的cfDNA测序信息，我们将脓毒症与健康样本区分开来，表现令人满意。该策略还提供了全面的细菌分布分析，使医生可以为败血症病例选择最佳的治疗策略。结论脓毒症鉴定和细菌诱导策略的结合是基于cfDNA的非侵入性诊断的成功方法，具有极大地提高疾病检测效率并全面了解病原体的潜力。为了进行比较，基于文化的病原体分析需要长达5天，并且仅对三分之一至一半的患者有效，cfDNA测序只需1天即可完成，我们的方法可以识别所有患者中的大多数病原体。允许医生为败血症病例选择最佳治疗策略。结论脓毒症鉴定和细菌诱导策略的结合是基于cfDNA的非侵入性诊断的成功方法，具有极大地提高疾病检测效率并全面了解病原体的潜力。相比之下，基于文化的病原体分析需要长达5天，并且仅对三分之一至一半的患者有效，cfDNA测序只需1天即可完成，我们的方法可以识别所有患者中的大多数病原体。允许医生为败血症病例选择最佳治疗策略。结论脓毒症鉴定和细菌诱导策略的结合是基于cfDNA的非侵入性诊断的成功方法，具有极大地提高疾病检测效率并全面了解病原体的潜力。相比之下，基于文化的病原体分析需要长达5天，并且仅对三分之一至一半的患者有效，cfDNA测序只需1天即可完成，我们的方法可以识别所有患者中的大多数病原体。它有可能大大提高疾病检测效率并提供对病原体的全面了解。相比之下，基于文化的病原体分析需要长达5天，并且仅对三分之一至一半的患者有效，cfDNA测序只需1天即可完成，我们的方法可以识别所有患者中的大多数病原体。它有可能大大提高疾病检测效率并提供对病原体的全面了解。为了进行比较，基于文化的病原体分析需要长达5天，并且仅对三分之一至一半的患者有效，cfDNA测序只需1天即可完成，我们的方法可以识别所有患者中的大多数病原体。