Используя данные о вспышке одной из самых страшных «супербактерий» в 2008 году и современные методы генетического секвенирования, команда успешно смоделировала и спрогнозировала распространение микроорганизмов между десятками медицинских учреждений и внутри них.
Подход может определить, распространяется ли ошибка в больнице, доме престарелых или больнице долгосрочной неотложной помощи, или же ее туда доставил новый пациент, переведенный из другого учреждения.
Другими словами, если борьба с супербактериями похожа на фильм ужасов, подход может определить, идет ли звонок из дома или убийца скрывается снаружи и собирается ворваться в дверь.
И, как в фильме ужасов, быстрый ответ поможет определить, какие виды баррикад и оружия следует использовать медицинским работникам против злодея.
Подход, опубликованный в журнале Science Translational Medicine, сочетает в себе современные эпидемиологические подходы с секвенированием всего генома — определение всей последовательности ДНК бактерий от каждого инфицированного пациента.
Это позволяет использовать крошечные изменения в ДНК супербактерий — вид мутаций, которые происходят естественным образом с течением времени, — для отслеживания их распространения в медицинских учреждениях и между ними.
Подход был разработан командами из Медицинского центра Университета Раша в Чикаго и Медицинской школы Мичиганского университета при финансовой поддержке Программы эпицентров профилактики федеральных центров по контролю и профилактике заболеваний. Команды использовали данные о вспышке карбапенем-резистентной пневмонии Klebsiella (CRKP) в 2008 г. в верхней части Среднего Запада.
«Эти организмы проникают в регионы, но не совсем понятно, как это происходит — почему они распространяются как лесной пожар в одном регионе и не достигают успеха в другом», — говорит Эван Сниткин, доктор философии.D., Доцент Университета Миссией, специализирующийся в области биоинформатики и системной биологии. «Поскольку это была первая вспышка CRKP в регионе Чикаго, мы решили попытаться отследить ее первоначальные перемещения на основе переносов пациентов и полногеномного секвенирования образцов. Если мы сможем понять, что является движущей силой передачи в регионе, мы надеемся, что сможем вмешаться, чтобы предотвратить дальнейшее распространение."
Назад во времени
В больнице Раша выявлен второй случай CRKP в регионе.
Бригада больницы определила вспышку после того, как в отделение неотложной помощи прибыл пациент, переведенный из больницы неотложной помощи в Индиане.
Команда под руководством Мэри К. Хайден, М.D., врач-инфекционист, который также руководит отделом клинической микробиологии Раша, провел и опубликовал собственное расследование вспышки, используя лучшие методы, доступные в то время. Они пришли к выводу, что вирус распространился от одного пациента в середине 2007 года и в конечном итоге заразил 42 человека, лечившихся в 14 больницах неотложной помощи, двух LTACH и 10 домах престарелых.
Перевод пациентов между этими учреждениями — например, из LTACH или медперсонала в больницу для краткосрочной неотложной помощи, а затем обратно — был определен как основной фактор распространения. Один LTACH был определен как ключевой узел для передачи.
В этой вспышке умерло много пациентов.
По всей стране уровень смертности от CRKP еще выше, и он, как правило, поражает самых больных и уязвимых пациентов.
Старые образцы, новый анализ
Еще в 2008 году полногеномное секвенирование такого количества образцов было невозможно.
"Хотя наш тогдашний научный сотрудник доктор. Сара Вон провела исчерпывающее расследование вспышки, молекулярные эпидемиологические инструменты, доступные в 2008 году, не позволили нам определить время и направление распространения для многих случаев », — говорит Хайден. "Мы сохранили изоляты в надежде, что в будущем будут доступны больше методов распознавания.
Мы были очень взволнованы, когда наступило будущее!"
Команда Rush привезла образцы в Центр микробных систем UM для секвенирования, и команда Сниткина начала объединять данные генома с тем, что команда Хайдена узнала о вспышке. Сюда входило то, что не было доступно до первоначального отчета о вспышке: клинические данные о «нулевом пациенте», человеке, чья инфекция CRKP датируется серединой 2007 года, и кого команда Хайдена ранее определила как источник вспышки.
Это позволило команде создать «генеалогическое древо» вспышки CRKP, вернувшись к первому пациенту на стволе. Они нанесли на карту распространение от пациента к пациенту и от учреждения к учреждению, основываясь как на поисковой работе, проделанной командой Хайдена, так и на новой информации о геномной последовательности.
Они могли видеть, какие случаи были вызваны передачей инфекции в учреждении — из-за методов, которые позволяли бактериям от инфицированного пациента достигать других, — а какие были введены, потому что пациент был передан с бактериями, уже находящимися в нем.
Затем они протестировали подход, пытаясь предсказать, в каком учреждении произошла инфекция CRKP у каждого пациента, используя только геномы других пациентов, уже пролеченных во время вспышки, и никакой информации от пациентов, пролеченных позже.
Этот анализ в режиме реального времени, аналогичный тому, что может произойти при реальной вспышке, успешно выявил учреждение, откуда пришла инфекция для каждого пациента.
«Последовательность генома является мощным инструментом для поиска путей, но наличие эпидемиологических данных о воздействии и перемещении между учреждениями имеет смысл», — говорит Сниткин, занимающий должности в отделениях микробиологии, иммунологии и внутренней медицины Медицинской школы UM. "Мы предполагаем, что сможем использовать тот же подход и для других организмов, хотя эффективность будет варьироваться."
Хайден добавляет: «Этот подход может быть особенно полезным для определения путей передачи вируса вскоре после появления супербактерии в регионе.
Чем раньше мы сможем вмешаться, чтобы сдержать вспышку, тем больше вероятность, что мы сможем ее искоренить."
Взаимодополняющий опыт команд из Мичигана и Раша сделал проект возможным, добавляет он.
В дальнейшем команда надеется протестировать подход в других условиях, чтобы увидеть, смогут ли они найти центры развития и передачи устойчивых к антибиотикам бактерий.
Они также проверит этот подход на предмет его способности отследить источник передачи для организма, который уже присутствует в определенной области. Это может быть намного сложнее, чем отслеживать новый тип инфекции, которая только что проникла в регион.
Роль LTACH, в которых пациенты могут жить месяцами, одновременно получая медицинскую помощь на уровне больниц, такую как постоянная вентиляция легких, они также надеются изучить дальше.
Такие учреждения могут быть особенно подвержены развитию устойчивых к антибиотикам организмов просто из-за того, что они оказывают помощь очень уязвимому и неподвижному населению со слабой иммунной системой.
В долгосрочной перспективе исследователи надеются, что их подход может быть широко адаптирован органами общественного здравоохранения и специалистами по инфекционному контролю в медицинских учреждениях — и использоваться для управления вмешательствами на самых ранних этапах вспышки с целью предотвращения передачи через широкие сети.
Чтобы добраться до этого момента, потребуется разработка общедоступного программного обеспечения, которое детективы общественного здравоохранения смогут использовать на регулярной основе или даже для автоматизации процесса.