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明白通过基因组追踪传染病爆发

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发表于 2021-4-12 12:18:55 | 显示全部楼层 |阅读模式
蚕丝被

当医疗人员进入美国国立卫生研究院临床中心(全国首屈一指的243床研究医院)时,他们知道这名病重的妇女携带了一种抗药性细菌。山东科兴生物






2011年6月,一家纽约市医院转移她,成为NIH临床研究的一部分。在43岁时,她已经经历了很多,包括肺移植,她的免疫系统必须被抑制。在早期住院期间,她可能感染了肺炎克雷伯氏菌; 毕竟,这种细菌导致大约6%的感染在全国医院传播PDF文件。更糟糕的是,她的肺炎克雷伯菌携带的基因使得它几乎不受药箱中所有抗生素的影响。


美国国立卫生研究院临床中心从未爆发过K肺炎 - 它现在也不想要。


为了应对威胁,医院将她隔离,员工联系有限,对游客实施严格的规定,并要求使用手套和长袍。在她逗留期间,患者在重症监护室度过了两个24小时的时间段,医生用庆大霉素,替加环素和粘菌素治疗她,这是一种20世纪40年代的老药和潜在有毒的药物,被认为是最后的药物。然而,这种组合起作用,并且她在2011年7月离开医院后康复NIH工作人员认为,爆发的危险已经过去了。


他们错了。


两个月后,2011年8月初,一名患有癌症的34岁男子患上了肺炎克雷伯菌感染。痰培养物鉴定出细菌,但不能确定他是否与纽约人有相同的菌株。毕竟,这两名病人从未同时在同一个病房,因此在他到达美国国立卫生研究院之前,他的感染可能来自一个单独的来源。尽管如此,负责控制医院获得性感染的临床中心小组开始调查这两起病例。


像所有优秀的侦探一样,团队首先寻找指纹。几十年来,我们使用脉冲场凝胶电泳来区分菌株,临床中心副医院流行病学家T N P说。该测试从细菌DNA产生类似条形码的图案,显示菌株是否在遗传上相似; 如果测试显示相同的条形图案,那么这两个案例可能具有相同的来源。然而,在肺炎克雷伯氏菌中,美国70%的菌株属于具有一种脉冲场模式的一种菌株。这项测试对这种生物体没有多大帮助,她说。


此外,即使在调查开始时,新病例开始以每周一次的惊人速度出现在临床中心,让医院的领导层感到不寒而栗,并且感染控制团队的紧迫感越来越强烈。对于一个病情最严重的病人来说,爆发多重耐药的肺炎克雷伯菌可能是灾难性的。微生物通常在重症监护室或ICU中传播 - 特别是在免疫系统受抑制的患者中 - 产生40%的死亡率。该小组迅速应用了一套流行病学工具来控制传播,但许多问题仍然无法与现有技术相提并论 - 而且疫情继续蔓延。


尽管英勇努力隔离和分离受影响的患者,强制手部卫生和感染控制预防措施,并对临床中心的大部分进行消毒 - 包括使用过氧化氢蒸汽净化房间并撕掉受污染的水槽排水管 - 细菌最终在17名患者中定居接下来的五个月。六人会感染并死于感染。其他五人在积极感染的同时死于其潜在疾病。剩下的八个幸存下来,因为肺炎克雷伯菌可以进入体内,定居胃肠道但不会引起疾病。然而,定居的患者可能无意中充当能够向弱势患者传播感染的细菌储库,或者甚至在细菌移动到脆弱的身体部位时感染自己。


一旦将这类生物体引入医院环境,就很难控制流行病,NIH临床中心临床护理副主任,质量保证和医院流行病学副主任D H博士说。他们成为地方病,并成为医院植物群的一部分。


鉴于肺炎克雷伯氏菌的毒力令人沮丧。


在疫情爆发初期,临床中心位于美国国立卫生研究院400英亩校园内的独特位置得到了回报。在医院后面,在一个基础研究大楼里,由国家人类基因组研究所(NHGRI)的高级研究员J S博士领导的团队提出了帮助。在内部遗传和分子生??物学分部的上皮生物学部门负责人,S博士一直与临床中心的临床微生物学部门合作,在她听到爆发时研究细菌抗生素耐药性的演变。


我们已经在尝试开发临床分子诊断工具,S博士说,我们认为我们可以使用基因组测序来判断第一位患者的肺炎克雷伯菌是否与感染第二位患者的菌株相同。


基因组测序产生A,T,C和G的有序列表,其代表DNA的化学亚基(核苷酸),DNA是在细胞中存储遗传信息的长线程。对细菌基因组进行测序可提供比脉冲场凝胶方法更精确的数据。在较旧的脉冲场凝胶产生条形码的情况下,测序提供了遗传字母的确切顺序,使研究人员能够发现和跟踪甚至单核苷酸变化。


实质上,基因组测序实时测量细菌进化。细菌迅速繁殖,一些物种只需20分钟即可生产新一代。然而,尽管DNA复制的准确性很高,但每个后代都有很小的机会携带一个新的错误 - 在构成肺炎克雷伯氏菌基因组的600万个核苷酸中,一个核苷酸的替换,比如A被一个G替代。。遗传学家将这些变化称为变异,或者当它们引起故障时,就会发生突变。基因组变异经常发生,积累的变化越多,当前一代细菌从亲本菌株中进化出来的越多。基因组测序可用作细菌的进化时间戳,S说。


S博士推断,测序应该提供一种强有力的方法来显示许多受影响患者的细菌相关性。如果患者携带具有基本相同基因组的肺炎克雷伯菌,那么细菌在临床中心内从患者传递给患者。显着不同的基因组可能意味着细菌来自不相关的来源。


该策略才变得可行,因为近年来测序成本和周转时间急剧下降,达到了由NHGRI运营的位于马里兰州罗克维尔的NIH校内测序中心(NISC)能够实际分析大量的来自患者和环境样本的样本,并在临床相关的周转时间内提供结果。


这太酷了,NISC主任J M博士说。这一经验表明,测序可以帮助解决临床环境中的医学问题。


临床中心很快接受了NHGRI的提议。


与此同时,紧迫感也在增加。所有早期患者都在重症监护病房(ICU)。到9月份,抗生素耐药性肺炎克雷伯菌已在临床中心的常规病房传播给患者。自8月以来,担心感染控制小组一直在隔离医务人员和设备,因此那些照顾受感染病人的人只能与那些病人一起,防止任何可能的交叉污染。这种称为群组的策略极具破坏性且价格昂贵。感染控制小组开始收集医院每位患者的直肠拭子,以寻找无症状肺炎克雷伯菌定植的迹象。


任务是巨大的。超过1,100名患者在爆发高峰时通过临床中心; 他们都需要定期测试。


NHGRI和NISC团队回到爆发的开始,并对感染第一名患者的肺炎克雷伯菌的基因组进行了测序。她的医疗记录表明,纽约人已经感染了好几个月。在美国国立卫生研究院(NIH)逗留四周期间,医生从她的喉咙,肺部,腹股沟和尿液中分离出细菌。第一步是对细菌的基因组进行测序,以便它可以用来确定爆发是否始于她。


为了对细菌基因组进行测序,必须首先从患者中分离微生物,并在实验室中过夜生长以产生足够的细胞。NIH校内测序中心的工作人员然后将DNA纯化并通过测序仪运行。这个过程需要几天时间。


我们可以提供解决病例和挽救生命所需的测序周转时间,M说。你想把这些信息带回临床中心,这样他们就知道如何更快地阻止这次爆发。


利用计算机中的序列数据,S实验室的NHGRI博士后研究员E S博士开始研究不同细菌样本之间的差异。


来自纽约人不同身体部位的SNP样本显示她已被定植足够长的细菌进化。来自尿液中细菌的SNP模式显示与肺炎克雷伯氏菌的祖先基因型一致。但是来自她的肺和腹股沟的样本不同:每个共享3个SNPS与祖先形式相比。喉部样品在600万个核苷酸基因组中显示出三个其他SNPS。所有这些分离株都明显来自同一原始菌株,但在测序水平上,即使是这些少量变异体也使尿液,肺,腹股沟和咽喉分离株彼此不同。


这些区别将提供强有力的线索。在脉冲场凝胶法使所有样本看起来相同的情况下,基因组测序可以精确地区分它们,直到单个遗传字母。现在NIH团队可以追踪细菌如何传播。


传统上,流行病学侦探跟踪患者生病的顺序,并尝试在特定日期将特定病房中可能重叠的点连接起来。医生通常期望患者1将感染给予患者2和患者2以将其给予患者3,依此类推。如果患者按照他们被殖民的顺序生病,这种方法很有效。


基因组数据最初使事情进一步复杂化。患者2的基因组是与患者1不同的2个SNP,表明它不直接来自患者1随着序列数据的涌入,图片变得更加清晰,医院感染控制人员和D。P和S的团队创建了一个传输地图。结果令人惊讶:患者1在两个不同的场合将细菌传染给其他患者,从她身体不同部位的感染,产生两个主要的感染患者群。


第一次传播从患者1转移到患者3,第二次传播显示疾病迹象; 患者3将其送给患者2,这是第一个患病的新患者。流行病学跟踪显示患者3确实与ICU中的患者1重叠,其中可能发生传播。这些个体感染了与患者1的腹股沟和肺部样本共享SNP模式的细菌。


第二个完全独立的传播事件,与患者1的喉咙分离物相关联 - 仅通过基因组数据识别 - 与患者4相关,对于患者1,未发现与患者1无关。病人4继续感染患者10,他们将肺炎克雷伯菌分离物传染给此次爆发中受影响的最大一组患者。


基因组数据还确定了从患者1到患者8的最终传播,对于他们没有发现流行病学联系。


密集的调查导致了几个惊人的发现:肺炎克雷伯氏菌比先前在医院环境中显示的更强,这可能会传播细菌。爆发后的菌株被发现在6个水槽中,然后被扯掉并更换,并且在患者6使用后彻底清洁的呼吸机上。患者8的房间内也发现了爆发的细菌。清洗。


他们不知道细菌是如何传播的,NISC的M说。他们认为这是从患者到患者,但是它正在通过水槽。他们永远不会想象没有序列数据证明它的可能性。


细菌甚至在标准去污程序中幸存下来。如果患者A在病房,并且您彻底清洁房间,并且下一位患者患有相同的隔离物,那么您就知道您的清洁方法是不够的,S博士说。基因组结果开始改变医院程序。


序列分析显示所有感染均来自患者1,而不是来自不同来源,这一结论难以用其他技术证明。然而,感染控制研究从未真正确定细菌从一名患者传递到下一名患者的确切机制; 可能有一些个体或患者被静默定植并将细菌传染给易感患者。它也可能已经由医院人员和设备通过。


感染控制干预措施证明是成功的,到今年年底,临床中心没有新病例出现,导致疫情爆发。


这项研究清楚地表明,随着基因组测序变得越来越便宜和快速,它将成为未来医疗保健流行病学的重要工具,临床中心的H博士说。他的团队正在编写一篇论文,概述基因组测序在感染控制方法中对类似疾病暴发的应用。现在我们知道基因组测序能做什么,他说,我预计这种方法将被医院流行病学界迅速采用。


每年有超过一百万的医疗相关感染发生在医疗保健领域; 仅在医院,疾病控制和预防中心估计,每20名住院患者中就有一名患有与医疗相关的感染。这些感染可能危及生命,也会增加我们不断增长的医疗保健成本,每年造成数十亿美元的超额医疗支出。多重耐药肺炎克雷伯菌是更可怕的感染之一,因为几乎没有有效的治疗方法,其死亡率为40%。
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