На самом базовом уровне секвенирование генома - это наука "чтения" порядка пар оснований (аденин, тимин, цитозин и гуанин), составляющих ДНК организма.
После прочтения этого порядка формируется полная генетическая картина организма, подобная уникальному отпечатку пальца. Исторически эта технология использовалась для выявления вспышек и наблюдения за состоянием здоровья населения. Однако преимущества и проблемы внедрения секвенирования полного генома (WGS) в клинических условиях менее очевидны.
Секвенирование полного генома в расследовании вспышек и эпиднадзоре
Термин "секвенирование всего генома" может навести на мысль о революционном проекте "Геном человека", в котором участвовали тысячи ученых и который привел к полному секвенированию всего генома человека. Хотя WGS бактерий намного проще, чем людей, оно имеет огромное значение. Ярким примером применения WGS в реальном мире является национальная лабораторная сеть PulseNet Центров по контролю и профилактике заболеваний США (CDC). До недавнего времени сеть PulseNet использовала метод гель-электрофореза в пульсирующем поле (PFGE) для выявления уникальных "отпечатков пальцев" (паттернов) бактерий, вызывающих заболевания пищевого происхождения, и подавления вспышек по всей территории США. Эта методология позволила предотвратить более 200 000 заболеваний и сэкономить около полумиллиарда долларов на медицинских расходах и пропуске занятий в школе или на работе.
В 2012 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) начало регулярно использовать WGS для мониторинга и защиты национального продовольственного снабжения. В 2019 году PulseNet осуществила переход от PFGE к WGS. По сравнению с PFGE, WGS предоставляет более подробные и точные данные, в конечном итоге позволяя ученым сравнивать миллионы пар оснований в бактериальной ДНК. По метафорическому описанию CDC, WGS - "это как сравнение всех слов в книге (WGS), а не только количества глав (PFGE), чтобы понять, одинаковые это книги или разные".
Преимущество наличия более подробных геномных данных заключается в том, что источник вспышек можно определить быстрее и с большей точностью, поскольку точные сведения об организме и о том, откуда он взялся, могут быть определены более эффективно с помощью WGS. Кроме того, для некоторых организаций, таких как PulseNet, эта технология позволит повысить эффективность эпиднадзора в сочетании с эпидемиологической работой и биоинформатикой. Секвенирование Listeria monocytogenes было начато CDC в 2013 году и заложило основу для секвенирования других патогенов пищевого происхождения, которое теперь стало стандартом.
Примером использования WGS в общественном здравоохранении является сообщение Сети предупреждения о случаях заболевания от 30 июня 2021 года, опубликованное CDC, в котором подробно описано заражение трех человек Burkholderia pseudomallei, вызывающей мелиоидоз, у которых не было документированной истории поездок за пределы США. На основе геномного анализа эпидемиологи CDC смогли определить, что все три случая, вероятно, имеют общий источник.
Преимущества WGS для больничного эпиднадзора и профилактики инфекций
Точные и подробные данные, которые предоставляет WGS, могут быть особенно полезны для профилактики инфекций в больничных условиях. Например, WGS можно использовать для определения экологического источника вспышки, отслеживания передачи инфекционных агентов между пациентами и лучшего понимания динамики передачи генов резистентности к противомикробным препаратам.
Исторически сложилось так, что для выявления и предотвращения внутрибольничных инфекций и связанных с ними вспышек используются традиционные микробиологические методы, такие как сравнение паттернов чувствительности и PFGE. Однако большинство из этих методов не могут точно определить родство организмов. Поскольку PFGE исследует большие участки генетической информации, могут быть упущены мельчайшие генетические детали, которые отличают организмы или определяют родство. То же самое справедливо и для моделей чувствительности, которые могут отличаться с течением времени у одного и того же организма или выглядеть очень похожими у двух генетически разных организмов. Кроме того, изменения в структуре чувствительности организмов часто связаны с потерей или приобретением мобильных генетических элементов, несущих резистентность. Помимо получения более точных данных, применение WGS в стационарах позволяет быстрее получить данные во время острой вспышки.
Так, исследование, проведенное в прошлом году, показало, что внедрение WGS в рабочий процесс профилактики инфекций может существенно повлиять на смертность пациентов и больничные расходы. В этом исследовании стандарт лечения был определен как использование WGS только во время вспышки. Предлагаемое мероприятие заключалось в проведении WGS для всех клинических изолятов выбранных патогенов, которые вызывают тяжелые заболевания, ассоциируются с резистентностью к противомикробным препаратам или являются причиной вспышек, связанных с деятельностью медицинских учреждений, независимо от наличия вспышки. Основная гипотеза исследователей заключалась в том, что использование WGS в качестве инструмента регулярного наблюдения позволит обнаружить вспышки, которые в противном случае не были бы выявлены стандартными методами.
За период исследования было зарегистрировано 11 вспышек, которые охватили 89 пациентов. Анализ экономической эффективности показал, что если бы в период исследования проводилось наблюдение с помощью WGS, можно было бы избежать 46% случаев передачи инфекции и сэкономить почти 45 000 долларов США, несмотря на высокую стоимость тестирования WGS. В целом, результаты данного исследования свидетельствуют о том, что внедрение WGS в качестве инструмента регулярного надзора за профилактикой инфекций является более целесообразным, чем стандартная практика, когда WGS проводится только в случае выявления вспышки.
Однако есть несколько важных предостережений: в данном исследовании программа профилактики инфекций на основе эпиднадзора WGS становилась менее эффективной при увеличении доли пациентов с положительными результатами респираторных культур (колонизация нормальной микробиотой часто лечится антибиотиками, и экономия средств на лечение инфекций снижается), при задержке результатов культивирования и при задержке реакции или вмешательства со стороны специалистов по профилактике инфекций. Это важно отметить, поскольку, несмотря на полезность технологии, ее преимущества сводятся на нет, если на результаты WGS не реагируют своевременно. Эти предостережения подчеркивают важность инфраструктуры для наблюдения за WGS в стационарах, что является одной из основных проблем, связанных с внедрением.
Барьеры и проблемы на пути внедрения WGS в лаборатории клинической микробиологии
Технология WGS быстро развивается, и теперь клиническим микробиологическим лабораториям целесообразно рассмотреть возможность внедрения WGS собственными силами без отправки изолятов в централизованные лаборатории. Однако этот вариант не лишен существенных препятствий, которые необходимо учитывать. Как и в случае с любой инициативой по управлению или профилактике инфекций, передовые технологии теряют свою потенциальную эффективность, если отсутствует надежная инфраструктура, поддерживающая тестирование. К числу основных препятствий для наблюдения и внедрения WGS в лаборатории клинической микробиологии относятся следующие:
Стоимость
Стоимость, связанная с платформами для тестирования, расходными материалами и обучением или наймом персонала для тестирования и сотрудников с опытом работы в области биоинформатики, высока. Для лабораторий, которые в настоящее время не проводят генотипирование или PFGE (тесты, которые WGS в конечном итоге заменит), вероятно, потребуется анализ затрат и выгод, чтобы убедить администрацию больницы в том, что такое внедрение выгодно и стоит затрат.
Экспертиза
Для внедрения WGS требуются квалифицированные специалисты для "мокрого" лабораторного компонента тестирования, включающего выделение, подготовку библиотеки и секвенирование, а также специалисты "сухого" лабораторного компонента, включающего биоинформатику. Хотя технология может быть относительно простой в использовании, интерпретация больших объемов данных, получаемых с помощью WGS, требует высококвалифицированного персонала с определенным набором навыков.
Инфраструктура информационных технологий
Одним из важнейших компонентов, который часто упускают из виду, является инфраструктура информационных технологий, необходимая для внедрения WGS. Такие, казалось бы, простые вещи, как скорость интернета и хранение данных, имеют огромное значение для обеспечения возможности обработки больших объемов данных секвенирования.
Обмен данными и коммуникация
Коммуникация между микробиологической лабораторией, специалистами по профилактике инфекций и инфекционистами имеет решающее значение при внедрении новых технологий в лаборатории. Для того чтобы WGS-наблюдение оказало реальное влияние на профилактику и управление вспышками, данные, полученные в результате секвенирования, должны быть четко и своевременно доведены до сведения специалистов по профилактике инфекций.
Как было сказано выше, внедрение эпиднадзора WGS становится менее благоприятным, если специалисты по профилактике инфекций задерживаются с принятием мер по предотвращению вспышек. Кроме того, геномные данные лучше всего интерпретировать, когда их можно сравнить с другими геномными последовательностями. Обмен результатами WGS с местным отделом общественного здравоохранения также имеет решающее значение, поскольку они часто хорошо подготовлены для оказания помощи в расследовании вспышек и интерпретации результатов WGS. Поэтому важно учитывать способность клиники обмениваться микробиологическими данными, данными о пациентах и инфекционном контроле с другими учреждениями.
Контроль качества и стандартизация
Контроль качества лежит в основе работы клинической микробиологической лаборатории и имеет решающее значение для интерпретации всех проводимых в ней тестов. В настоящее время стандартизированные меры контроля качества для WGS не установлены, что затрудняет проведение и интерпретацию тестов. Кроме того, отсутствие национальной и международной стандартизации может создать специфические проблемы для обмена данными, если тесты проводятся и анализируются по-разному.
В целом, WGS демонстрирует огромные перспективы в качестве инструмента для больничного эпиднадзора. Хотя технология развита настолько, что может быть реализована микробиологическими лабораториями, создание вспомогательной инфраструктуры в больнице требует значительных усилий и инвестиций. Лаборатории, рассматривающие возможность внедрения WGS для эпиднадзора, должны приложить все усилия для того, чтобы тестирование вписывалось в рабочий процесс клинической микробиологии, а результаты WGS были интерпретируемы и пригодны для принятия мер, при этом особое внимание должно уделяться четкой коммуникации между микробиологической лабораторией и специалистами по профилактике инфекций.
