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跟踪“超级细菌”

传染病可以在医院环境中迅速传播,特别是当导致疾病的病原体对依赖于对抗它的药物产生耐药性时。基因组学或许能够帮助追踪这些耐药病原体,并在它们广泛传播之前将它们扼杀在萌芽状态。

耐甲氧西林金黄色葡萄球菌:超级细菌

细菌金黄色葡萄球菌(金黄色葡萄球菌)有许多的面孔。我们中的许多人一生都快乐地生活在金黄色葡萄球菌存在于我们的皮肤上或鼻子里,并没有经历任何问题。但如果细菌进一步进入体内,就会导致健康问题。这些疾病的范围从引起红肿和水泡的轻微皮肤感染到危及生命的心脏和肺部感染。在2012年,金黄色葡萄球菌与英国292例死亡有关。

2012年,英国有292人死于金黄色葡萄球菌。

耐甲氧西林S. Aureu.s (MRSA)是一种金黄色葡萄球菌这导致问题,因为它是抵抗力的抗生素通常用于治疗这些感染。这使得它更难摆脱,所以它通常被称为“超级细菌”。耐甲氧西林金黄色葡萄球菌感染在封闭空间内迅速传播,特别是在疗养院和医院,那里的人通常免疫系统较弱,从而使感染更加猖獗。在医院里,由于伤口和医疗程序,MRSA可以更容易地进入病人的身体。因为它对抗生素有耐药性,所以更难治疗。然而,对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的越来越多的认识使医疗保健专业人员能够更有效地管理它。

在我们拍摄的Wellcome Trust Sanger研究所DNA的样本金黄色葡萄球菌来自世界各地并使用DNA测序检查它的传播。这是第一次这样的研究,结果发表在杂志上科学2010年,它展示了DNA测序在帮助减少传播和控制MRSA暴发方面的潜在用途。

隔离细菌的罪魁祸首

当科学家对细菌进行测序时,他们倾向于对“分离物”进行测序。用棉签从携带细菌的病人身上提取样本。然后,从棉签中提取的细菌在实验室的培养皿中培养。细菌会在培养皿上以不同的团状生长,称为菌落。其中一个细菌菌落被挑选出来,这就是“分离物”,DNA可以从其中提取出来,然后送去测序。选择分离菌有助于确保只对一种细菌进行测序。

培养皿上生长的金黄色葡萄球菌菌落。每个白点都是一个单独的蜂群。图片来源:巴勃罗·罗哈斯

识别不同类型的细菌

多点序列键入(MLST)涉及在细菌基因组中围绕八个基因进行测序。

很长一段时间,科学家们使用了一种称为“打字”的方法来追踪细菌感染的爆发。键入的目的是找出两个或更多个细菌菌株是否彼此相关并源自相同的源群(具有相同类型)。这样做的最常用技术之一被称为多层序列键入,或短路。Mlst涉及八个左右测序基因基因组细菌。然后使用这些基因的序列来定义样品中存在的细菌类型。如果基因序列在两种或更多种细菌菌株中相同,则意味着它们具有相同类型。

更多的序列-更多的信息

虽然MLST已经令人难以置信的有用,我们现在有整个基因组测序。这意味着我们可以确定一个有机体的整个基因组的DNA序列金黄色葡萄球菌一次,全部2600个基因。因此,与只分析8个基因的MLST相比,全基因组测序可以揭示更多不同分离株的信息。这种细节的增加使科学家能够看到个体之间的相似性和差异性金黄色葡萄球菌隔离。

金黄色葡萄球菌基因组含有约2,600个基因。

威康基金会桑格研究所的科学家们研究了两者之间的关系金黄色葡萄球菌来自世界各地的分离物使用全基因组测序。以前,根据它们的MLST配置文件,这些隔离只能被分成10个看似相同的组。通过全基因组测序,可以根据基因差异将每个个体分离物与其他分离物区分开来。通过分析分离菌株基因组之间的差异和相似性,科学家们还可以看到不同的分离菌株是如何以及在哪里进化的。

金黄色葡萄球菌从欧洲传播到南美洲,然后回到欧洲。

科学家们发现耐甲氧西林金黄色葡萄球菌是从欧洲传播到南美,然后通过葡萄牙传播回欧洲。当他们更仔细地研究数据时,他们发现英国一家医院爆发了MRSA病毒,而丹麦的一个病例似乎与泰国发现的MRSA菌株密切相关。在进一步调查后,科学家确定在丹麦发现的隔离病毒实际上来自一名最近从泰国旅行的泰国人。这表明测序可以准确地识别个体感染的来源,以及全基因组测序在临床环境中如何具有应用潜力。这项研究还表明,通过使用全基因组测序,科学家们可以找到医院疫情爆发的源头,从而在疫情蔓延之前在源头阻止它。因此,科学家们开始通过观察英国剑桥大学医院信托基金(Cambridge University Hospitals Trust)的罗茜医院(Rosie Hospital)爆发的耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA),来证明这种临床应用。

特别护理婴儿病房爆发

Rosie医院是一家特别护理婴儿单位(SCBU)的所在地,关心早期或以低出生的婴儿,以及从困难的交付,感染或手术中恢复的婴儿。这些婴儿很容易感染,因此拭子被录取,然后每两周进行一次监测,如果它们与可能导致感染的任何细菌接触。

一个特别照顾婴儿的单位。
图片来源:惠康影像公司的n·达雷尔·麦肯纳

三名婴儿被检测出有耐甲氧西林金黄色葡萄球菌。

2011年,罗伊医院的三墓的三个婴儿在MRSA测试了阳性。虽然这些婴儿都没有由于MRSA的存在而不适,但这会通过感染控制促进调查。每个婴儿的MRSA对不同的抗生素进行测试以确定他们的抗生素耐药性配置文件。这种测试被称为“抗生素图谱”。如果耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的样本对相同的抗生素具有耐药性,那么它们具有相同的抗生素耐药性图谱,因此更有可能是相同的细菌菌株。在这种情况下,两个耐甲氧西林金黄色葡萄球菌样本具有相同的耐药性,其中一个样本因对一种抗生素的耐药性而不同。医院随后认定这些细菌可能有关联,因此对病房进行了彻底清洁,并调查了过去六个月所有mrsa阳性的棉签。

在此期间,总共发现了14例MRSA。其中9例对最初暴发具有相同或类似的耐药性,5例具有不同的耐药性,被认为不相关。

12个相关MRSA病例出现在3个集群中,间隔17天和33天。通常情况下,在医院的病房里,细菌感染是直接从一个人传播到另一个人,没有明显的间隔,所以这些几周的间隔使我们很难知道这是一次暴发还是几次单独暴发。

此时,来自Wellcome Trust Sanger研究所的科学家使用DNA测序更详细地探索爆发。通过比较每个分离物的基因组,它们发现在仅在其抗体诊断中被认为是无关的五种情况中的两个实际上是相关的。他们还能够确认三个MRSA集群并不分开,而是联系在一起,也是一个持续的爆发。问题是为什么他们之间有很多天的差距?爆发是否反复从外面带入医院,或者是源自医院的另一个病房?

图为SCBU 14例MRSA基因相关病例的时间轴。(数据来源:Harris et al. 2013;doi:10.1016 / s1473 - 3099 (12) 70268 - 2)。

图像信用:Genome Research Limited

狩猎爆发的来源

科学家们从医院的其他病房收集了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌样本。

为了找出MRSA病例的起源,科学家们从医院的其他病房,以及剑桥地区出现MRSA感染症状的全科医生诊所和诊所收集了MRSA样本。然后,他们对这些样本进行了抗生素图谱检测,以发现与SCBU中发现的样本具有相似的抗生素耐药性。那些具有相同抗生素图谱的样本随后进行了DNA测序。

当研究这些分离株的DNA序列时,发现它们中的许多部分与SCBU上MRSA的病例密切相关。来自GP实践的两种匹配的MRSA样本来自婴儿,他们在SCBU病房在SCBU病房中与其他一些婴儿同时,但在他们在病房上没有测试过积极的问题。不是每次拭子都会在每次何时拿起感染,以便有时会错过任何情况。还有一些患有脓肿(葡萄球菌感染的症状)的女性,谁是在SCBU上的婴儿母亲。社区中的一个人竟然是其中一个女性的合作伙伴。

研究发现,没有证据表明疫情来自社区或其他病房,因为所有病例都可能与SCBU有关。

在SCBU上发现了另一例MRSA。

九周后,另一个MRSA病例在SCBU被发现。人们认为这是一次全新的MRSA爆发,但DNA分析显示,它与SCBU上以前的MRSA病例密切相关。这表明MRSA可能是由SCBU的工作人员传播的,但他们需要证据来证实这一点。

这张图显示了SCBU的15个基因相关MRSA病例的时间轴。(数据来源:Harris et al. 2013;doi:10.1016 / s1473 - 3099 (12) 70268 - 2)。图像信用:Genome Research Limited

把它扼杀在萌芽状态

超过100人在SCBU上工作的人被要求提供细菌拭子进行DNA分析。这是常见的金黄色葡萄球菌和MRSA没有任何效应的人携带,因此医疗保健工人有时可能不知不觉地携带细菌。除了SCBU工作人员的所有样本中,一个测试为MRSA的阳性。当从中测序该分离物中的DNA时,它证实了SCBU中MRSA病例的链接,建议医疗工作者是病房最近案件的来源。

病房里的每个人都接受了一系列的药物沐浴,包括医护人员,以去除MRSA。经过三次阴性检查后,这名医疗工作者摆脱了耐甲氧西林金黄色葡萄球菌,可以重返工作岗位。最后,疫情得到了控制和消除。

基因组测序使MRSA疫情得以根除。

但是医护人员是在哪里发现耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的呢?最可能的情况是,其中一个婴儿或一个家庭是MRSA感染的最初来源,而医护人员只是在SCBU的婴儿和家庭之间传播它的携带者。

这张图显示了SCBU的15个基因相关MRSA病例和携带病毒的医护人员的时间轴。(数据来源:Harris et al. 2013;doi:10.1016 / s1473 - 3099 (12) 70268 - 2)。图像信用:Genome Research Limited

进一步研究了这种情况下的MRSA克隆,发现是ST22,一种菌株金黄色葡萄球菌常见于英国的医院。MRSA ST22主要有两种类型——一种与医院有关,因为它对特定的抗生素有耐药性,另一种与社区有关,不受医院环境的限制。当科学家们对在SCBU发现的ST22菌株进行更详细的研究时,他们发现它们与社区相关的类型更接近,与在南亚,特别是印度发现的一些ST22菌株相似。只有通过DNA测序,他们才能发现这一点!

接下来是什么?

这是一项具有里程碑意义的研究,它展示了如何在医院环境中使用DNA测序,并展示了如何大规模地进行细菌基因组测序。

最初,这项研究的目的是展示DNA测序如何能够提供关于一家医院曾经爆发过MRSA的信息。然而,DNA测序有助于查明疫情正在发生,并使人们能够迅速查明其起源。这使有效管理和遏制了疫情的爆发。这表明DNA测序可以帮助临床医生防止MRSA的传播和限制严重感染的数量。在严重的情况下,一些金黄色葡萄球菌感染可能是致命的,其他可能需要手术去除脓肿,但DNA测序可以提供减少传染病的整体临床负担的洞察力金黄色葡萄球菌

剑桥大学的医院现在定期对MRSA病例进行测序。

作为这项研究和其他多年来的研究的结果,剑桥大学医院现在定期对每个病例的基因组进行排序金黄色葡萄球菌现场,帮助提前一步预防任何潜在的疫情爆发。这使科学家能够识别导致抗生素耐药性的基因变化,并利用这些信息告诉医生应该给病人开哪种抗生素。这种技术并不局限于金黄色葡萄球菌它也被用来对付许多其他的病原体,包括肺结核和淋病。

抗生素耐药性经常作为一个日益严重的全球性问题出现在新闻中。例如,由于抗生素耐药性,淋病变得几乎无法治疗。通过基因组学和DNA测序更好地了解这些细菌,将提供宝贵的信息,帮助更快地推进研究。

此页面最近更新于2017-08-23

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