基因組流行病學:病菌搜捕者

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從幾次并不遙遠的記憶中，人們顯然能夠感受到大規(guī)模流行病的爆發(fā)給社會帶來的恐慌，尤其在無法確定致病的細菌或病毒（在醫(yī)學上被稱為“病原體”或“病原微生物”）時，恐慌情緒的傳播往往比疾病本身還要快。

用傳統(tǒng)的微生物學技術查明一種流行病的病原體需要幾個月，甚至幾年的時間，這給疫情的控制帶來巨大的困難。然而在當今基因組測序的時代，這項工作則可能只需要幾個小時就得以完成?；蚪M流行病學近幾年來在世界各地的疫情控制中屢屢大顯身手，難怪在《科學》雜志評出的2012年最值得關注的六大科研領域中，這一技術名列其中。

從炭疽到毒黃瓜

2011年5月，德國出現(xiàn)了由“腸出血性大腸桿菌”引發(fā)的“溶血性尿毒綜合征”，迅速發(fā)生的疫情讓4000多人染病，53人死亡。由于首先懷疑是一些人吃了黃瓜而致病，因而這一疫情被稱為“德國毒黃瓜事件”。在出現(xiàn)大量溶血性尿毒綜合征病人后，德國和其他一些國家的研究人員馬上投入到追查病原體的戰(zhàn)斗中。

隨著時間的推移，疫情似乎難以遏制。此時，德國明斯特大學達格·哈姆森研究小組向全球最大的基因組測序公司——中國深圳華大基因研究院發(fā)出請求，希望“華大”能夠幫助他們對這種細菌進行基因組測序，盡早破解它的性質、來源和毒力，從而找到有效的治療和預防措施。

5月30日，深圳華大基因研究院拿到了德國研究人員送來的病菌樣本，立即著手對病菌基因組進行測序。他們采用最先進的第三代測序儀做主要分析，同時用第二代測序儀做補充分析和驗證，僅用三天時間，“華大”和德國研究人員合作的基因組測序結果“產志賀毒素大腸桿菌O104：H4的開源基因組分析”就在網(wǎng)站上公布出來，并隨后發(fā)表在《新英格蘭醫(yī)學雜志》網(wǎng)絡版上。

破解腸出血性大腸桿菌的基因組后，德國、英國和中國的研究人員又聯(lián)合進行了抗生素抗性試驗。結果表明，經(jīng)過10年的進化，這一菌株至少對8種抗生素可能產生耐藥性。雖然實驗結果顯示它屬于“耐藥菌”，但是和令人恐怖的“超級細菌”相比，還有很大不同，后者對目前幾乎所有的抗生素耐藥，但O104:H4型菌株只是攜帶了能抵抗多種不同抗生素的耐藥基因。這些分析對治療藥物的篩選提供了很大的幫助。

實際上，通過基因組測序技術來確定病原微生物并非始于疫情的控制，而是源于生物反恐斗爭。這要追溯到美國2001年發(fā)生9·11襲擊之后遭受的郵件寄送炭疽桿菌的生物恐怖事件。當年，在一系列炭疽桿菌襲擊事件導致5人死亡，并在美國全境造成巨大恐慌的情況下，美國政府進行了一項前所未有的努力——召集研究人員對炭疽桿菌進行全基因組序列的測定。

當時，美國安全部門的研究人員認為，要防范生物武器的攻擊，就有必要了解作為生物武器的微生物的毒理作用。研究人員通過測序發(fā)現(xiàn)，炭疽桿菌的基因組有520萬個堿基對。美國聯(lián)邦調查局招募的基因組測序專家、美國北亞利桑那大學微生物遺傳學家保羅·凱姆等人認為，解決生物恐怖攻擊并不需要花費太多的錢?？墒?，當時對炭疽桿菌基因組的測序竟然花費了50萬美元。此后，隨著技術和設備的改進，基因組測序的費用不斷下降，直到現(xiàn)在，只需要不到500美元就能對炭疽桿菌的全基因組進行測序。

目前，基因測序機的速度變得更快，體積更小，費用也更便宜，已經(jīng)可以從大規(guī)模的研究中心進入到普通診所和實驗室。隨著技術手段的提高，凱姆和基因組流行病學家認為，現(xiàn)在是可以在全球追蹤微生物動向的時候了。

2010年1月，英國威康信托桑格研究所的研究人員證明，通過對耐甲氧苯青霉素金黃色葡萄球菌基因組的測序和比較，研究人員能夠追蹤到這種危險的“超級細菌”在全球蔓延的蹤影，并證明這種細菌在20世紀60年代在歐洲出現(xiàn)過，同時一直追蹤到這種細菌最初是在泰國的一所醫(yī)院里出現(xiàn)的。

建立全球安全網(wǎng)

2011年8月，25名科學家在比利時首都布魯塞爾進行了為期兩天的研討，試圖協(xié)商如何通過全球合作，更有效地進行微生物的基因組測序。這次會議由丹麥技術大學基因組流行病學中心的約根·施倫特主持。與會者認為，需要建立一個全球系統(tǒng)用以分享和探明微生物的基因組資料。這個系統(tǒng)開始運行大約還需要5??10年的時間，它的建立意義重大，但也存在一些巨大的障礙。

首先，需要建立一個歷史上所有致病微生物的基因組庫，以進行對比，這對于應對疾病爆發(fā)和生物恐怖襲擊有很大的幫助，但這是一個非常艱巨和龐大的工作。

英國桑格研究所最近建成了一部分細菌基因組資料庫，其中包括歷史上造成人類肺炎的300種克雷伯氏菌肺炎細菌菌株的資料。就在德國發(fā)生溶血性尿毒綜合征之后幾周，荷蘭鹿特丹一所醫(yī)院爆發(fā)了克雷伯氏菌肺炎。荷蘭國家公共衛(wèi)生研究所的流行病學家哈約·格倫德曼分離了兩個細菌樣本送到德國明斯特大學的達格·哈姆森實驗室進行測序，不到兩天時間就得到了結果。哈姆森實驗室其后再把測序結果與桑格研究所建立的300種克雷伯氏菌肺炎細菌菌株的資料進行對比，確定在荷蘭造成感染的菌株是克雷伯氏菌Oxa48，并發(fā)現(xiàn)它幾乎對所有抗生素耐藥，好在這種細菌還對一種古老的抗生素——粘菌素敏感。這個結果有效地指導了荷蘭各地對入院病人進行病原菌檢測，以及使用有效的藥物。

對于最近發(fā)生的基因組流行病學的應用實例，丹麥技術大學基因組流行病學中心主任弗蘭克·奧勒斯楚普認為，微生物基因組測序技術具有立竿見影的醫(yī)療效益。

但是另一方面，建立全球微生物基因組庫和進行基因組測序還需要解決技術標準的統(tǒng)一與兼容問題。例如，目前正在海地流行的霍亂，研究人員搜集了海地病人的霍亂弧菌送到美國的幾家實驗室進行基因組測序，結果證明，傳染源是來自尼泊爾的聯(lián)合國維和部隊士兵。但是，美國北亞利桑那大學的凱姆也對24種尼泊爾霍亂菌株進行了基因組測序，結果卻不能與美國哈佛大學研究組對海地霍亂菌株進行的測序相對比，因為他們使用的是不同的測序機?？梢?，在全球盡快建立一致的標準顯得尤為重要。

微生物基因組測序在防治流行病中的最大優(yōu)勢是快速，因此，需要研發(fā)更快的測序技術。在德國發(fā)生溶血性尿毒綜合征后，中國研究人員采用了第三代測序儀對病原菌進行測序，其特點就是產生數(shù)據(jù)速度快。第二代測序儀得到數(shù)據(jù)大概需要一周左右，但第三代只需要幾個小時。當時，華大基因研究院在和德國明斯特大學醫(yī)院衛(wèi)生研究所的“測序競賽”中，早半天測出了O104:H4型菌株的基因組。

不過，基因組流行病學要取得實際效果還必須讓臨床醫(yī)護人員參與進來，這也意味著對臨床醫(yī)護人員培訓生物技術也很重要。因此，奧勒斯楚普等人認為，應當建立一種系統(tǒng)，以便讓臨床醫(yī)生能很容易地報告病菌，包括病菌的毒力因子、可選用的抗生素和分離病原體的方法。這些技術操作應當作為一種指南，應該像“生物信息學傻瓜書”一樣提供給臨床醫(yī)護人員。

只要能解決這些問題，基因組流行病學就有更為廣闊的應用前景。研究人員不僅可以對導致目前疾病的病菌進行基因組測序，而且還可以將其與歷史上出現(xiàn)的同類病菌予以對比，以發(fā)現(xiàn)其毒力、致病性和對藥物的敏感性，從而找到更好、更快的治療方法。很顯然，隨著基因組流行病學的發(fā)展和完善，人類將擁有一個傳染病疫情防護的安全網(wǎng)。