CC BY
67© А.Б.ЖЕБРУН, 2014
А.Б.Жебрун
ОТ МОЛЕКУЛЯРНОЙ К ГЕНОМНОЙ И МЕТАГЕНОМНОЙ ЭПИДЕМИОЛОГИИ
НИИ эпидемиологии и микробиологии им. Пастера, С.-Петербург
Понятие «молекулярная эпидемиология» введено в научную литературу Kilbum E. et al. в 1973 году. Первый период в развитии молекулярной зпидемиологии инфекционных болезней может быть назван «генотипическим» (80-90-е годы ХХ века). В ходе его создавалась методология молекулярного маркирования патогенов для целей мониторинга их распространения и детекции вспышек (новая номенклатура коринебактерий дифтерии на основе риботипирова-ния; международная сеть PulseNet для мониторинга инфекций пищевого происхождения; международная база данных сполиготипов микобактерий туберкулеза). Второй — «геномный» период начался в нулевые годы ХХ! века. Молекулярная эпидемиология быстро прошла путь от единичных маркеров (генотипов, или отдельных генов) до расшифровки полного генома патогенов. Геномный подход и понятия «пангеном», «коровый геном», «мобилеом», «резистом», «вирулом» и др. заняли важное место в изучении эмержентных и пандемичных инфекций. Знания о генетических механизмах, ведущих к возникновению и глобальной диссеминации новых патогенов, придают молекулярной эпидемиологии собственное научное содержание и превращают ее из методического направления в самостоятельную отрасль эпидемиологии. Третий — «метагеномный» период начинается в наши дни на базе метагеномного подхода, который позволяет без процедуры культивирования определять всю совокупность геномов в исследуемом образце. В ближайшей перспективе это приведет к смене вековой парадигмы диагностики и надзора за инфекциями: вместо поиска отдельных (целевых) патогенов — к характеристике полного спектра микроорганизмов в материале от больных или пробах внешней среды с его идентификацией на любую таксономическую глубину. В системах регионального и глобального эпидемиологического надзора будет реализован всеобъемлющий мониторинг всех известных и вновь появляющихся патогенов с построением и ведением метагеномных паспортов сред обитания человека.
Журн. микробиол., 2014, № 3, С. 91—100
Ключевые слова: молекулярная эпидемиология, геномная эпидемиология, метагеномная эпидемиология, генотипирование, эпидемиологический надзор
A.B.Zhebrun
FROM MOLECULAR TO GENOMIC AND METAGENOMIC EPIDEMIOLOGY
Pasteur Research Institute of Epidemiology and Microbiology, St. Petersburg, Russia
The notion «molecular epidemiology» was introduced into scientific literature by Kilburn E. et al. in 1973. The first period of development of infectious diseases molecular epidemiology may be called «genotypic» (1980-1990s). During this period methodology of molecular marking of pathogens for purposes of monitoring of their spread and outbreak detection (novel nomenclature of diphtheria corynebacteria based on ribotyping; international network PulseNet for monitoring food source infections; international database of tuberculosis mycobacteria spoligotypes) was created. The second — «genomic» period started in the 2000s. Molecular epidemiology rapidly went through single markers (genotypes or single genes) to deciphering the whole genome of pathoge»mobileome», «resistome», «virulome» etc. took an important place in the studies of emerging and pandemic infections. Knowledge on genetic mechanisms leading to emergence and global dissemination of novel pathogens give molecular epidemiology its own scientific content and transforms it from a methodical approach to an independent field of epidemiology. The third — «metagenomic» period starts nowadays based on meta-genomic approach that allows to determine the whole set of genomes in the studied sample without the cultivation procedure. In the short term this would lead to a change of a century-long paradigm of diagnostics and control of infections: instead of search of separate (key) pathogens — characteristics of the full specter of microorganisms in the material from patients and environmental samples with its identification up to any taxonomic depth. In the systems of regional and global epidemiologic control a universal monitoring of all known and re-emerging pathogens with construction and maintenance of metagenomic passports of human habitats will be realized.
Zh. Mikrobiol. (Moscow), 2014, No. 3, P. 91—100
Key words: molecular epidemiology, genomic epidemiology, metagenomic epidemiology, genotyping, epidemiologic control
В 2013 году исполнилось 40 лет с момента выхода статьи Э. Килберна «Молекулярная эпидемиология гриппа» [1]. Ретроспективная оценка последующих событий показывает, что статья породила два мало связанных друг с другом процесса: дебаты о том, имеет ли право на жизнь само понятие «молекулярная эпидемиология» и процесс неуклонного роста работ и научных сообщений по этой проблеме.
По состоянию на 17.11.13 в базе данных PubMed Central США зарегистрировано 94 336 публикаций, посвященных молекулярной эпидемиологии. Это, безусловно, огромное число, поскольку оно составляет почти 1/5 от всей массы публикаций по проблемам молекулярной биологии, зарегистрированных на тот же период времени. В числе этих публикаций — три объемистые монографии, вышедшие только за последние три года [8, 30, 40] и самая последняя коллективная акция — специальный выпуск журнала Eurosurveillans в двух томах по теме «Молекулярная эпидемиология человеческих патогенов» [10].
В историческом аспекте не только инфекционная, но еще две отрасли эпидемиологии — экологическая эпидемиология и эпидемиология рака заявляют, что в их рамках тоже независимо и одновременно возникла молекулярная эпидемиология и создала хотя и пересекающиеся, но самостоятельные области исследований [14]. Однако единого мнения по этому вопросу нет, и J.S.Dorman [9] отстаивает иную точку зрения, причем сразу по двум аспектам. Он считает, что исторических источников было два — инфекционная эпидемиология и эпидемиология рака и образовали они одну молекулярную эпидемиологию, единую для всех областей эпидемиологии.
Несмотря на возрастающий поток публикаций, общепринятого (или коллегиально утвержденного) определения этой области исследований до сих пор нет, хотя существует международная рабочая группа по молекулярной эпидемиологии. Тем не менее, есть много авторских определений, наиболее типичные из которых приводятся ниже в хронологическом порядке.
Одно из первых — определение P.A.Schulte et al. соредактора первой обстоятельной монографии по данной проблеме [42]: «Молекулярная эпидемиология — это использование биологических маркеров или биологических измерений в эпидемиологических исследованиях». Оценка этой формулировки совершенно однозначна — молекулярная эпидемиология трактуется как методическое направление, не более того.
Но уже в 1997 году O.Shpilberg et al. делают важное уточнение на основании накопленных к тому времени знаний: «Молекулярная эпидемиология использует молекулярные методы, чтобы определить болезнь и ее доклинические стадии, определить количественную меру воздействия патологического фактора и идентифицировать гены восприимчивости» [43]. Гены восприимчивости — ключевое понятие этого определения.
Еще одно ключевое понятие, важное для инфекционной эпидемиологии, нашло отражение в определении B.R.Levin et al.: «Цели молекулярной эпидемиологии состоят в идентификации микропаразитов, определении их источников, их биологических связей и путей передачи, а также генов, ответственных за их вирулентность, за пригодные для вакцин антигены, за лекарственную устойчивость» [25].
Таким образом, к концу 90-х годов ХХ века гены восприимчивости человека и гены патогена, хотя и в разных определениях, но были четко обозначены как атрибуты молекулярной эпидемиологии.
По всей вероятности, наиболее радикальное определение молекулярной эпидемиологии дает J.S.Dorman: «Молекулярная эпидемиология — наука, которая изучает роль генетических и внешнесредовых факторов риска, выявленных на молекулярном
и биохимическом уровне, в этиологии, распространении и контроле болезней» [9]. Здесь ключевое слово — наука как определение статуса молекулярной эпидемиологии.
Однако совсем иначе трактует этот статус «Эпидемиологический словарь» под редакцией Джона Ласта: «Молекулярная эпидемиология — использование методов молекулярной биологии в эпидемиологических исследованиях ... — это, на самом деле, скорее уровень и метод измерений, чем некая дисциплина с самостоятельным научным содержанием» [1, 26].
Подобных суждений было немало на рубеже веков, в весьма образной форме они нашли отражение в специальной статье D.Hunter [21]: «Разделы эпидемиологической активности, классифицированные согласно методам исследования, более коротко-живущи, чем разделы, классифицированные по типам болезней или типам воздействий на организм. Будет ли существовать что-то, названное «молекулярная эпидемиология» через 20 лет? Вероятно, лучший ответ «Нет». Молекулярные методы полностью растворятся в общепринятых разделах эпидемиологии». Это предсказание, любопытное со всех точек зрения, заслуживает комментария с современных позиций при дальнейшем изложении материалов данной статьи.
Методы молекулярной эпидемиологии, вызывающие столь эмоциональные суждения, быстро пополнялись и развивались в течение последних 20 лет. Методики первого этапа: риботипирование, пульс-электрофорез, анализ полиморфизма длины рестрикционных фрагментов ДНК, различные варианты ПЦР, ПЦР со случайными праймерами, сполиготипирование, VNTR-типирование (анализ вариабельных тан-демных повторов нуклеотидов) — все это — различные методы генотипирования патогенов, задававшие тон в исследованиях 90-х годов ХХ века и начале нулевых годов XXI века [14]. Весь этот период можно смело назвать генотипическим периодом молекулярной эпидемиологии инфекционных болезней.
Главное достоинство методов генотипирования — более высокая дискриминирующая (разрешающая) сила по сравнению с серотипированием, фаготипированием, ферментотипировнием, при идентификации патогенов и вытекающая отсюда возможность точнее, быстрее и достовернее определять источники, пути передачи патогена и раскрывать эпидемиологические связи, т.е. диагностировать очаги и вспышки инфекционных болезней. Иными словами, решать традиционные задачи эпидеми-логии, известные со времен К.Сталлибрасса.
Отсюда следует непреложный вывод, что молекулярная эпидемиология геноти-пического периода — это действительно методическое направление эпидемиологии инфекционных болезней.
Заслуги этого направления перед наукой и практикой огромны. Риботипирование, к примеру, позволило построить новую номенклатуру коринебактерий дифтерии и взять под контроль распространение, импорт-экспорт и передачу этого возбудителя в очагах в ходе эпидемии дифтерии в Восточной Европе в 90-х годах XX века [37]. Метод пульс-электрофореза широко использован при расшифровке заболеваний с пищевым путем передачи, дал возможность внедрить практически глобальную сеть микробиологического мониторинга распространения сальмонелл и других патогенов [44]. Сполиготипирование принесло первые впечатляющие данные о масштабах разнообразия микобактерий туберкулеза и создало основу для резкого улучшения эпидемиологической и клинической диагностики туберкулеза, включая дифференциацию случаев реинфекции, суперинфекции и рецидивов [7].
Однако при тонком различии патогенов методические подходы генотипического этапа молекулярной эпидемиологии оставляли одно «но». Как методы-маркеры или «отпечатки пальцев» они оставляли открытым вопрос о механизмах формирования разнообразия патогенов — о структуре и функции генов, стоящих за генотипами, хотя это принципиально важно для анализа и прогноза инфекционного и эпидемического процессов.
Поэтому два фактора: неудовлетворенность исследователей и возросшие методические возможности молекулярной биологии неуклонно вели дальше — сначала к однолокусному секвенированию (лимитированному сиквенсу отдельных генов или фрагментов генов); затем — к мультилокусному секвенированию ДНК (как правило, 7 генов «домашнего хозяйства» бактерий); и наконец, к сиквенсу полного генома патогенов — сначала в вирусологии, а затем и в бактериологии [6, 11, 15, 31, 51]. Тем самым было положено начало геномному подходу в разработке проблем эпидемиологии. Начался переход от «детекторного», или формального маркирования патогенов к «функциональному» подходу, который учитывает функцию и роль генов в патологии и передаче.
Коллективным результатом исследований этого периода стали новые фундаментальные знания, генерированные молекулярной эпидемиологией совместно с молекулярной микробиологией.
Новая концепция о биоразнообразии, динамике и эволюции микробных популяций: понятие о клональных, панмиктических, смешанных биологических видах микроорганизмов) [45].
Понятие «супрагеном» или «пангеном» вида, обозначающее полный набор генов, присущих виду («коровый геном», «необязательный геном», «мобилеом») [32].
Понятия «вирулом», «токсом», «резистом» (комплексы генов, ответственных за вирулентность, токсигенность, антибиотикорезистентность) [12, 52].
Открытие многообразия некультивируемых видов бактерий и вирусов (до 100 млн видов) [27].
Эволюционная история видов — филодинамика, филогеография, позволившие заглянуть в прошлое патогенов на миллионы лет назад [36, 38].
Первые знания о механизмах инициации новых эпидемических процессов (преодоление межвидового барьера, селекция «успешных» генетических линий, генетические превращения патогена по ходу эпидемической волны) [5, 16, 17, 41].
В течение более чем 100 лет после основания медицинской микробиологии события, связанные с возникновением патогена (инициальная фаза) и механизмы этого явления не рассматривались в эпидемиологии. Патоген, по существу, подразумевался как некая постоянная данность, которую, начиная с К.Сталлибрасса, могли не включать в эпидемиологические построения (в состав элементов и движущих сил эпидемического процесса). Знания о генетических механизмах (событиях), ведущих к возникновению и глобальной диссеминации новых патогенов, стали накапливаться именно в геномный период изучения микроорганизмов.
Генерировав и усвоив представленные выше фундаментальные достижения, молекулярная эпидемиология вступила в следующий — геномный период своего развития. Она сформулировала и активно пополняет новую систему знаний, которая придает ей собственное научное содержание, превращая из методического направления в самостоятельную отрасль эпидемиологии.
Первое, что надо особо подчеркнуть — эта отрасль не вытесняет и не замещает другие направления, но расширяет содержание современной эпидемиологии. Второе, что также необходимо отметить — появление новых отраслей эпидемиологии подтверждает ту общую истину науковедения, что всякая развивающаяся наука подвержена дифференциации и/или интеграции [3]. Интегрируясь с молекулярной биологией и геномикой и формируя свою новую отрасль, эпидемиология в очередной раз демонстрирует потенциал роста и способность отвечать на вызовы времени.
Согласно доступным материалам литературы специальные науковедческие исследования по анализу структуры и дифференциации эпидемиологии не предпринимались. Тем не менее, сложились устойчивые, идентифицируемые специалистами [9, 26, 46] области исследований и разработок, которые могут считаться отраслями эпидемиологии: теоретическая, прикладная, полевая, описательная, аналитическая,
экспериментальная, экологическая, политическая, поведенческая, онкологическая, генетическая, молекулярная.
Положение молекулярной эпидемиологии в этом строю отраслей схематически и предельно упрощенно можно представить следующим образом: если традиционная эпидемиология оперировала преимущественно антигенными вариантами патогена и уровнем популяционного иммунитета населения, то молекулярная эпидемиология — генотипами (в будущем их заменят более конкретные генетические варианты патогенов) и генетическими механизмами предрасположенности населения к инфекциям. Тем самым, молекулярная эпидемиология вносит самостоятельный вклад в изучение биологической составляющей эпидемического процесса.
Методическая база молекулярной эпидемиологии — секвенирование полного генома. Полногеномный сиквенс, к примеру — это условие, без которого нет и не может быть эпидемиологии возникающих инфекций. В том числе: расшифровки SARS [18], идентификации пандемичных штаммов вируса гриппа [2, 19, 20], расшифровки современных эшерихиозов включая Escherichia coli 0104:Н4 и других инфекций [13, 22, 47] .
Энтерогеморрагический эшерихиоз 0104:H4 преподал, может быть, самый поучительный урок по теме идентификации патогенов. E. coli 0104:Н4, вызвавшая высоколетальную эпидемическую вспышку в странах Европы в 2011 году (4075 случаев, 908 больных с гемолитико-уремическим синдромом, 50 летальных исходов [13, 22]), первоначально была идентифицирована по данным MLST, т.е. по семи генам «домашнего хозяйства», и этот MLST-тип (ST678) оказался полностью идентичным штамму, который уже возникал в Германии в 2001 году. Но попытки найти какие-либо эпидемиологические связи новой вспышки со штаммом 2001 года не дали результатов. Ситуация обрела ясность, когда был выполнен полногеномный сиквенс ДНК этого патогена. При этом обнаружены существенные отличия указанных штаммов по плаз-мидному профилю и структуре целого ряда хромосомных генов, не относящихся к генам «домашнего хозяйства». Независимое ретроспективное исследование [22] открыло поразительную картину быстрой изменчивости E. coli 0104:Н4 — в 167 (!) генах штамма 2011 года были найдены отличия рекомбинационного характера от известных штаммов MLST-типа ST678, изолированных в предыдущие годы. В хромосомной ДНК и плазмидном наборе оказалось 14 генов, кодирующих факторы патогенности и анти-биотикорезистентности, заимствованные от патогенов других биологических видов. Это — шигаподобный токсин-2, энтеротоксин Set 1, факторы колонизации, адгезии, плазмиды мультирезистентности к антибиотикам. Приобретение этих генов и превратило эшерихию в высоколетальный эпидемический штамм.
Эта драматическая история, как и все последние ситуации с реассортацией генома вируса гриппа, окончательно утвердили специалистов в следующей мысли, которая была выражена во многих статьях: «Необходима смена парадигмы — переход от одиночных признаков (например, генотипа) при характеристике патогена к полной расшифровке генома вирусных и бактериальных патогенов для целей клинической и эпидемиологической практики» [39, 48, 49].
Дальнейшие события после подведения итогов вспышки эшерихиоза 0104:Н4 развивались быстро: в ноябре 2011 года Евро CDC был организован митинг экспертов по теме: «Прорыв в молекулярной эпидемиологии патогенов человека — как его перевести в практику общественного здравоохранения» — со специальным акцентом на освоении секвенирования следующего поколения [39]. Обсуждались все вопросы — от научных до финансовых. Специально рассмотрен, но оставлен открытым вопрос о понятии «тип» (генотип, MLST-тип) с учетом последних достижений геномики. Оставлен открытым потому, что многими экспертами было высказано суждение, что, вероятно, пришло время отказаться от понятия «тип». На смену придут другие термины на основе геномной вариабельности, возможно, геномные линии, клоны или геномные варианты, когда критерии для их дифференциации будут определены.
В отчете о митинге согласованное мнение экспертов сформулировано следующим образом: «Встреча подтвердила огромные научные возможности полногеномного секвенирования для лучшего понимания патогенности, эволюции и распространения патогенов человека и его перспективность для надзора за болезнями. Евро CDC будет соединяющим мостом между научными и санитарно-эпидемиологическими организациями, чтобы совместно ответить на общие вызовы» [39].
В ноябре 2012 года в Европейской системе эпидемиологического надзора уже стартовал первый пилотный проект «MSS — молекулярная служба надзора» — сеть лабораторий на территории 13 стран Евросоюза, которая работает в режиме «on line», выполняя полногеномный сиквенс и поставляя его результаты в общедоступную для участников базу данных обо всех выделяемых штаммах четырех видов патогенов: сальмонелл, E. coli, листерий, мультирезистентных микобактерий туберкулеза [34].
В ноябре 2012 года опубликована статья с названием, которое говорит само за себя: «Объединяющая информационная система на геномной базе для модернизации глобального мониторинга болезней, обмена информацией и ответа» [4]. Статья подписана 20 специалистами из 9 стран (что подчеркивает массовость движения), в ней дается прогноз, что в течение ближайших 5 — 10 лет такая система глобального мониторинга будет построена (допускается возможность организации нескольких центров в мире). Глобальные связанные системы баз данных о геномах циркулирующих патогенов, по мнению авторов, обеспечат «более эффективное выявление, предупреждение и контроль эндемичных, возникающих и других вспышек инфекционных болезней во всем мире». В январе 2013 года вышло два тома журнала «Euro Surveillance», издаваемого Евро CDC, где представлено 16 статей (обзорных и оригинальных), посвященных теории и опыту практического применения геномного подхода и полногеномного сиквенса в эпидемиологическом расследовании десятков инфекционных форм. Авторами активно используется новое понятие «геномная эпидемиология» [33, 48], которое, безусловно, займет свое место в специальной литературе.
В связи с этим, возникает вопрос, не прав ли был D.Hunter [21] в том, что молекулярная эпидемиология не переживет и 20 лет? Учитывая продолжающийся и нарастающий поток публикаций по этой проблематике и впечатляющие результаты, может быть дан однозначный ответ, что молекулярной эпидемиологии уход со сцены не грозит. Точно также, как появление геномики не упразднило молекулярной биологии, появление геномной эпидемиологии не упраздняет эпидемиологии молекулярной. Речь может идти о явлении совсем иного порядка — о дифференциации молекулярной эпидемиологии в результате ее развития.
И едва эта первая дифференциация произошла, в дверь уже стучится вторая дифференциация молекулярной эпидемиологии. Это будет, несомненно, выделение новой ветви на основе новой дисциплины — метагеномики, которая буквально ворвалась недавно в медицину, симбиологию и экологию.
Термин «метагеномика» предложен в 1998 году [23] для описания новой области исследований, которая может определять всю совокупность геномов в любой конкретной среде обитания, будь то внешняя среда или биологическая среда макроорганизма и что особенно важно — без культивирования бактерий и вирусов. Алгоритм исследования при этом выглядит следующим образом: все микробное сообщество (бактерии, вирусы, простейшие), присутствующее в изучаемом образце (например, в мазке из зева человека или воде водоисточника), подвергается экстракции ДНК, амплифицируется, подвергается полногеномному шот-ган секвенированию, после чего идет компъютерная сборка генов и реконструируется полный набор геномов, присутствующих в образце [54]. Идентификация может быть выполнена с заданной разрешающей способностью, то есть на разную таксономическую глубину — до семейства, рода, вида, клона, квазивида или любого иного генетического варианта. Результат, в зависимости от программного обеспечения, выражается в виде дендро-
граммы, диаграммы или таблицы с количественным содержанием ДНК или РНК таксонов, идентифицированных в образце.
Объем информации при каждом одиночном анализе будет огромен, об этом говорят результаты уже состоявшихся проектов. Консорциум американского проекта «Микробиом человека» обнаружил в микробиоте человека 5177 микробных таксономических профилей по гену 168 рРНК, 11 174 первичных биологических вида, при этом секвенировано 800 референс-штаммов из состава микробиома [50]. Тем самым, получен первичный материал для дальнейших сравнительных исследований. По имеющимся прогнозам полное число видов бактерий и вирусов, населяющих все среды и ткани человека, может достигать 40 тысяч [28]. Они укрывают массу полезных, но и множество потенциальных и безусловных патогенов. Все это микробное сообщество, также как микробиомы почвы, водоисточников, производственной и бытовой среды человека, может быть подвергнуто эпидемиологическому анализу и надзору.
Техника для высокопроизводительного секвенирования уже используется в отдельных научных центрах в целях так называемой метагеномной диагностики, позволяя получать полную информацию об инфицировании пациента бактериями, вирусами и простейшими «в одном протоколе за один прием» [29, 35].
Наглядным примером такой диагностики является метагеномный анализ вирома, т.е. совокупности вирусов у детей первого года жизни с лихорадкой неясного генеза [53]. Первое, что показали авторы этой статьи — метагеномный анализ выявляет 15 родов вирусов, не обнаруживаемых с помощью ПЦР. И второе — очевидную разницу результатов у здоровых и лихорадящих детей. В крови не лихорадящих обнаружены только аннеловирусы (вероятно, комменсалы), тогда как в группе лихорадящих — 8 родов вирусов в крови, в том числе: астровирусы, энтеровирусы, флавовирусы, по-лиомавирусы и др. В отделяемом из носа картина оказалась более сложной, спектр обнаруженных вирусов шире, но разница между здоровыми и лихорадящими младенцами была также очевидна. Этиологическая роль каждого из этих вирусов, обнаруженных у лихорадящих детей, несомненно, будет уточнена в ближайшем будущем, и диагноз «лихорадка неясного генеза» уйдет в прошлое.
Под влиянием подобных работ придется еще раз сменить диагностическую парадигму: совершить переход от поиска одного конкретного «целевого» патогена к обзору всех возможных патогенов в образце материала от больного или из внешней среды. Метагеномика, тем самым, дает уникальный шанс освоить один универсальный согласованный подход взамен многих разнородных методов индикации, идентификации и генотипирования патогенов.
Клинической и эпидемиологической диагностике предстоит переходный период, когда одновременно будут работать методы, основанные и на генотипическом, и на геномном и метагеномном подходах [48]. Далее и параллельно пойдет период научного осмысления новой, небывалой по объему и разнообразию информации и переход на стандартные геномные и метагеномные технологии по принципу разумной достаточности, т.е. полнота анализа может варьироваться в зависимости от места, времени и эпидемической ситуации.
Нерешенных проблем на этом пути — непочатый край. В самом первом приближении, они могут быть представлены в виде следующего перечня:
Определить и построить библиотеки супрагеномов микроорганизмов актуальных видов;
Выстроить геномную номенклатуру штаммов;
Понять значение генов с неизвестной сегодня функцией;
Научиться прогнозировать эволюцию патогенов;
Определить значение генетического полиморфизма человека для предрасположенности к инфекциям;
Выявить ассоциации некультивируемых микроорганизмов с болезнями;
Оценить вероятных патогенов по критериям Хилла;
7. ЖМЭИ 3 № 31
97
Построить общедоступные интегрированные базы геномных данных; Построить общедоступные интегрированные базы метагеномных данных; Разработать протоколы геномного и метагеномного мониторинга по принципу разумной достаточности;
Разработать программное обеспечение для пользователей метагеномными данными;
Создать персональные метагеномные паспорта человека; Создать метагеномные паспорта сред обитания человека;
Разработать практическую систему эпидемиологичекого надзора на основе геномных и метагеномных подходов.
Если этот метагеномный подход будет внедрен в практику эпидемиологического надзора (а это всего лишь вопрос времени), профилактическая медицина впервые сможет создать систему упреждающего — дозорного надзора не только за известными, но и потенциальными патогенами и получит возможность своевременного парирования риска, используя непрерывную информацию о циркуляции всего многообразия бактерий и вирусов в популяции населения и во внешней среде.
Л ИТЕРАТУРА
1. Ласт Дж.М. (ред.). Эпидемиологический словарь. М., 2009.
2. Львов Д.К., Забережный А.Д., Алипер Т.И. Вирусы гриппа: события и прогнозы. Природа. 2006, (6): 3-13.
3. Парахонский А.П., Венглинская Е.А. Интеграция и дифференциация наук, их связь с образованием. Успехи современного естествознания. 2009, 9: 86-87.
4. Aarestrup FM., Brown E.W, Detter C. et al. Integrating Genome-based Informatics to Modernize Global Disease Monitoring, Information Sharing, and Response. EID J. 2012, 18 (11). Available at: http://dx.doi.org/10.3201/eid1811.120453 (Accessed 20 November 2013).
5. Aguileta G., Refregier G., Yockteng R. et al. Rapidly evolving genes in pathogens: Methods for detecting positive selection and examples among fungi, bacteria, viruses and protists. Infection, Genetics and Evolution. 2009, 9 (4): 656-670.
6. Beall B., Facklam R., Thompson T. Sequencing emm-specific PCR products for routine and accurate typing of group A streptococci. J. Clin. Microbiol. 1996, 34 (4): 953-958.
7. Brudey K., Driscoll J.R., Rigouts L. et al. Mycobacterium tuberculosis complex genetic diversity : mining the fourth international spoligotyping database (SpolDB4) for classification, population genetics and epidemiology. BMC Microbiol. 2006, 6 (1): 23-30.
8. Caugant D.A. (ed.). Molecular Epidemiology ofMicroorganisms (Methods and Protocols). Humana Press, 2009.
9. Dorman J.S., Introduction to Molecular Epidemiology. Avaliable at: www.pitt.edu/~super4/ 33011-34001/33891. ppt (Accessed 15 November 2013).
10. Eurosurveillance. 2013, 18 (3, 4): 51—56.
11. Enright M.C., Spratt B.G. A multilocus sequence typing scheme for Streptococcus pneumoniae: identification of clones associated with serious invasive disease. Microbiology. 1998, 144 (11): 3049-3060.
12. Foulongne V, Michaux-Charachon S., Jumas-Bilak E. et al. Strategies for bacterial virulence genes identification. Pathol. Biol. (Paris). 2004, 52 (2): 104-114.
13. Frank C., Werber D., Cramer J.P. et al. Epidemic profile of Shiga-toxin-producing Escherichia coli 0104:H4 outbreak in Germany. N. Engl. J. Med. 2011, 365 (19): 1771-1180.
14. Foxman B., Riley L. Molecular Epidemiology: Focus on Infection. Am. J. Epidemiol. 2001, 153 (12): 1135-1141.
15. Grenfell B.T., Pybus O.G., Gog J.R. et al. Unifying the epidemiological and evolutionary dynamics of pathogens. Science. 2004, 303 (5656): 327-332.
16. Graham R.L., Baric R.S. Recombination, Reservoirs, and the Modular Spike: Mechanisms of Coronavirus Cross-Species Transmission. J. Virol. 2010, 84 (7): 3134-3146.
17. Garten R.J., Davis C.T., Russell C.A. et al. Antigenic and Genetic Characteristics of the Early Isolates of Swine-Origin 2009 A(H1N1) Influenza Viruses Circulating in Humans. Science. 2009, 325 (5937): 197-201.
18. Guan, Y., Zheng B.J., He Y.Q. et al. Isolation and characterization of viruses related to the SARS coronavirus from animals in southern China. Science. 2003, 302: 276-278.
19. Ghedin E., Sengamalay N.A., Shumway M. et al. Large-scale sequencing ofhuman influenza reveals the dynamic nature of viral genome evolution. Nature. 2005, 437:1162-1166.
20. Garten R.J., Davis C.T., Russell C.A. et al. Antigenic and Genetic Characteristics of the Early
Isolates of Swine-Origin 2009 A(H1N1) Influenza Viruses Circulating in Humans. Science. 2009, 325 (5937): 197-201.
21. Hunter D. The future of molecular epidemiology. Int. J. Epidemiology. 1999, 28: 1012-1014.
22. Hao W, Allen YG., Jamieson F.B. et al. Phylogenetic incongruence in E. coli 0104: understanding the evolutionary relationships of emerging pathogens in the face of homologous recombination. PloS one. 2012, 7 (4): e33971. Avaliable at: http://www.straininfo.net/publications/147247/ browser/doi;jsessionid=B136EB8390250967DB4B0ECDA7A004CE.straininfo1 (Accessed 20 November 2013).
23. Handelsman J., Rondon M.R., Brady S. F. et al. Molecular biological access to the chemistry of unknown soil microbes: A new frontier for natural products. Chemistry Biology. 1998, 5 (10): 245249.
24. Kilbourne E.D. The Molecular Epidemiology of Influenza. J. Infect. Dis. 1973, 127 (4): 478-487.
25. Levin B.R., Lipsitch M., Bonhoeffer S. Population biology, evolution, and infectious disease: convergence and synthesis. Science. 1999, 283: 806-809.
26. Last J.M. (ed.). A dictionary of epidemiology. Oxford, University Press, 2001.
27. Lopez-Garsia P., Moreira D. Tracking microbial diversity through molecular and genomic ecology. Res. Microbiology. 2008, 159 (1): 67-73.
28. Lepage P., Leclerc M.C., Joossens M. et al. A metagenomic insight into our gut's microbiome. Gut. 2013, 62: 146-158.
29. Liu L. Li Y. Li S. et al. Comparison of Next-Generation Sequencing Systems. J. Biomed. Biotechnology. 2012: 1-11. Available at: http://www.hindawi.com/journals/bmri/2012/251364/ (Accessed 20 November 2013).
30. Morand S., Beaudeau F., Cabaret J. (ed.). New frontiers of molecular epidemiology of infectious diseases. Springer, 2012.
31. Maiden M.C., Bygraves J.A., Feil E. et al. Multilocus sequence typing: a portable approach to the identification of clones within populations of pathogenic microorganisms. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1998, 95 (6): 3140-3145.
32. Medini D., Donati C., Tettelin H. et al. The microbial pan-genome. Curr. Opin. Genet. Dev. 2005, 15 (6): 589-594.
33. Muellner P., Pleydell E., Pirie R. et al. Molecular-based surveillance of campylobacteriosis in New Zealand — from source attribution to genomic epidemiology. Euro Surveill. 2013, 18 (3). Available at: http://www.eurosurveillance.org/ViewArticle.aspx?ArticleId=20365 (Accessed 20 November 2013).
34. Niesters H.G., Rossen .J.W, van der Avoort H. et al. Laboratory-based surveillance in the molecular era: the TYPENED model, a joint data-sharing platform for clinical and public health laboratories. Euro Surveill. 2013, 18 (4): 51-56.
35. Nakamura S., Nakaya T., Iida T. Metagenomic analysis of bacterial infections by means of high-throughput DNA sequencing. Exp. Biol. Med. 2011, 236 (8): 968-971.
36. Olsen G.J., Woese C.R., Overbeek R. The winds of (evolutionary) change: breathing new life into microbiology. J. Bacteriol. 1994, 176 (1): 1-6.
37. Popovic T., Kombarova S.Y, Reeves M.W et al. Molecular epidemiology of diphtheria in Russia, 1985-1994. J. Infect. Dis. 1996, 174 (5): 1064-1072.
38. Parkhill J., Wren B.W Bacterial epidemiology and biology — lessons from genome sequencing. Genome Biol. 2011, 12 (10): 230.
39. Palm D., Johansson K., Ozin A., Friedrich A.W et al. Molecular epidemiology of human pathogens: how to translate breakthroughs into public health practice, Stockholm, November 2011. Euro Surveill. 2012, 17 (2). Available at: http://www.eurosurveillance.org/ViewArticle.aspx?ArticleId=20054 (Accessed 20 November 2013).
40. Rothman N., Hainaut P., Schulte P. (ed.). Molecular Epidemiology: Principles and Practices. Media Centre — IARC News, IARC Scientific Publication, No 163, 2012.
41. Rykkvin R., Kilander A., Dudman S.G., Hungnes O. Within-patient emergence of the influenza A(H1N1)pdm09 HA1 222G variant and clear association with severe disease, Norway. Euro Surveill. 2013, 18 (3): 3-13.
42. Schulte P.A., Perera F.P. (ed.). Molecular epidemiology: principles and practices. San Diego, CA, Academic Press, 1993.
43. Shpilberg O., Dorman J. S., Ferrell R.E. et al. The next stage: molecular epidemiology. J. Clin. Epidemiol. 1997, 50 (6): 633-638.
44. Swaminathan B., Barrett T.J., Hunter S.B., Tauxe R.V. PulseNet: the molecular subtyping network for foodborne bacterial disease surveillance, United States. Emerg. Infect. Dis. 2001, 7 (3): 382389.
45. Spratt B.G., Maiden M.C.J. Bacterial population structure and epidemiology. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 1999, 354: 701-710.
46. Sallis J.F., Owen N., Fotheringham M.J. Behavioral epidemiology: a systematic framework to clas-
sify phases of research on health promotion and disease prevention. Ann. Behav. Med. 2000, 22 (4): 294-298.
47. Scheutz F., Nielsen E.M., Frimodt-Meller J. et al. Characteristics of the enteroaggregative Shiga toxin/verotoxin-producing Escherichia coli 0104:H4 strain causing the outbreak of haemolytic uraemic syndrome in Germany, May to June 2011. Euro Surveill. 2011, 16 (24). Available at: http:// www.eurosurveillance.org/ViewArticle.aspx?ArticleId=19889 (Accessed 20 November 2013).
48. Struelens M.J., Brisse S. From molecular to genomic epidemiology: transforming surveillance and control of infectious diseases. Euro Surveill. 2013, 18 (4): 3-6.
49. Sabat A.J., Budimir A., Nashev D. et al. Overview of molecular typing methods for outbreak detection and epidemiological surveillance. Euro Surveill. 2013, 18 (4): 17-31.
50. The Human Microbiome Project Consortium. A framework for human microbiome research. Nature. 2012, 486: 215-221.
51. Urwin R., Maiden M.C. Multi-locus sequence typing: a tool for global epidemiology. Trends Microbiol. 2003, 11 (10): 479-487.
52. Wright G. D. The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity. Nature Rev. Microbiol. 2007, 5 (3): 175-186.
53. Wylie K.M., Mihindukulasuriya K.A., Sodergren E. et al. Sequence Analysis of the Human Virome in Febrile and Afebrile Children. PLoS ONE. 2012, 7 (6). Avaliable at: http://www.plosone.org/ article/info%3Adoi%2F10.1371%2Fjournal.pone.0027735 (Accessed 20 November 2013).
54. Xu J. Population genetics in the age of metagenomix: impact on investigations of viral, bacterial, archaeal and eukaryotic microbial communities. In: Xu J. Microbial population genetics. UK, Horizon Scientific Press, 2010: 189-204.
Поступила 10.01.14
Контактная информация: Жебрун Анатолий Борисович, д.м.н., проф.,
197101, С.-Петербург, ул. Мира, 14, р.т. (812)233-20-92
© КОЛЛЕКТИВ АВТОРОВ, 2014
Л.П.Зуева1, Б.И.Асланов1, В.Г.Акимкин2
СОВРЕМЕННЫЙ ВЗГЛЯД НА РОЛЬ БАКТЕРИОФАГОВ В ЭВОЛЮЦИИ ГОСПИТАЛЬНЫХ ШТАММОВ И ПРОФИЛАКТИКЕ ИНФЕКЦИЙ, СВЯЗАННЫХ С ОКАЗАНИЕМ МЕДИЦИНСКОЙ ПОМОЩИ
1Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова, Санкт-Петербург; 2Первый Московский государственный медицинский университет им. И.М.Сеченова
Одной из актуальных проблем современного здравоохранения являются инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи (ИСМП). Важной стороной изучения проблемы ИСМП является изучение эволюции госпитальных штаммов, вызывающих ИСМП. Накопленные к настоящему времени знания в области генетики бактерий свидетельствуют о значительной роли фагов в механизме приобретения вирулентности патогенными и условно патогенными микроорганизмами. Исследования авторов данной статьи показывают, что бактериофаги могут играть существенную роль в формировании вирулентных свойств в госпитальных условиях, что в различных стационарах с участием фагов формируются вирулентные и антибиотико-резистентные госпитальные штаммы возбудителей ИСМП. Вместе с тем, бактериофаги — эффективные средства для лечения и профилактики ИСМП. В условиях массового и нерационального применения антибиотиков у возбудителей ИСМП формируется множественная резистентность к существующим антибактериальным препаратам. В этой связи, бактериофаги как антимикробные агенты приобретают особую актуальность. К настоящему времени в отечественной и зарубежной литературе накоплен значительный материал, показывающий высокую эффективность бактериофагов при условии их рационального применения. Цель данного обзора — оценка современных достижений в области изучения роли бактериофагов в эволюции госпитальных штаммов и лечении и профилактике инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи.
Журн. микробиол., 2014, № 3, С. 100—107
Ключевые слова: бактериофаг, фаг, фагоопосредованный фактор вирулентности, фаготерапия, госпитальный штамм, инфекции, связанные с оказанием медицинской помощи
