Биоинформатика в Сколтехе: как программисты и биологи вместе делают науку

<p>Из заключительной статьи <a href="/specials/skolteh">цикла в партнерстве с Центром наук о жизни Сколтеха</a> вы узнаете, как биоинформатики под рук

Биоинформатика в Сколтехе: как программисты и биологи вместе делают науку

В заключительной статье «Биомолекула» расскажет об исследовательской группе Михаила Гельфанда в Центре наук о жизни

Автор

Редакторы

Из заключительной статьи цикла в партнерстве с Центром наук о жизни Сколтеха вы узнаете, как биоинформатики под руководством профессора Гельфанда разрешили загадку «сладкого» комара, разобрались с эволюцией осьминогов и геномами папуасов, а также поймете, почему стать биоинформатиком — отличная идея.

Европейские микробиологи выяснили состав кишечных бактерий у людей с диагностированной депрессией, а также проходящих лечение антидепрессантами, и выявили бактерии, которые связаны с этим психическим расстройством.

Читайте также: Чего от нас хотят микробы?

Когда нельзя контролировать условия эксперимента в лаборатории, на помощь биологам приходит медицинская статистика. В данном исследовании ученые оценили, как связаны те или иные типы микробиоты с уровнем качества жизни и наличием депрессии на выборке из 1054 человек, сбалансированных по полу, возрасту, индексу массы тела (участники Flemish Gut Flora Project). У всех была диагностирована депрессия. Затем результаты проверили на дополнительной выборке в 1063 человека (участники датского исследования Dutch Life Lines DEEP), у которых была депрессия, но которые принимали антидепрессанты. Также была дополнительная выборка 80 пациентов с депрессией, половина из которых принимали антидепрессанты, и 70 здоровых людей в качестве контрольной группы.

Все участники также заполнили RAND-36 — опросник для определения качества жизни, связанного со здоровьем. Он оценивает состояние человека по восьми параметрам — четырем психическим и четырем физическим. Психические параметры — это ограничения социальных ролей, вызванные эмоциональными проблемами со здоровьем, социальное функционирование, эмоциональное благосостояние и «витальность». Физические параметры: физическое функционирование, телесная боль, трудности с социальными действиями, вызванные физическими проблемами, и общее восприятие собственного здоровья. Каждый параметр оценивается по шкале от 0 до 100. Показатели затем суммировались, на основании чего выводилась общая оценка качества жизни. Участники с депрессией в среднем набрали меньше баллов по этому опроснику, чем те, у кого депрессии не было. Ниже общая оценка качества жизни была и у тех, кто сообщил о желудочно-кишечных заболеваниях.

Энтеротипы человека как определить Н.В. Захарова, Т.С. Филь ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России, Санкт-Петербург В

Энтеротипы человека как определить

Н.В. Захарова, Т.С. Филь

ФГБОУ ВО «Северо-Западный государственный медицинский университет им. И.И. Мечникова» Минздрава России, Санкт-Петербург

В организме человека содержится 1014 микробных клеток и 3×106 микробных генов, в десять раз больше, чем собственных клеток и генов человека. Масштабные проекты, посвященные изучению микробиома человека, такие как HMP (Human Microbiome Project) и MetaHIT (The Metagenomics project of the Human Intestinal Tract), показали, что в толстом кишечнике человека обитает около 4000 видов микроорганизмов, причем число анаэробов более чем в сто раз превышает количество аэробов [1, 2]. Согласно метагеномному анализу, из существующих 55 доминирует только несколько групп — фил бактерий, определяющих различные энтеротипы человека: Actinobacteria (в т.ч. Bifidobacterium), Bacteroidetes, Firmicutes (в т.ч. Lactobacillus, Clostridium, Eubacterium и Ruminococcus) и Proteobacteria (например, Enterobacter spp.) [3]. В детском возрасте преобладают бифидобактерии, но с возрастом их доля снижается, хотя роль остается значительной [4].

Антибактериальные препараты (АБП) широко используются в многопрофильном стационаре. Санируя очаг инфекции, антибиотики нарушают активное функционирование кишечной микрофлоры, изменяют плотность и состав микробиоты, таксономическое соотношение родов, индекс α-разнообразия — обедняется качественный состав бактериального сообщества [5]. Под влиянием антибиотиков происходит снижение колонизационной резистентности, которая является основным фактором, препятствующим росту патогенных микроорганизмов [5]. Причиной инфекционной антибиотикоассоциированной диареи (ААД) могут быть нарушение микробиоценоза толстой кишки, синдром избыточного бактериального роста в тонкой кишке, кандидоз кишечника, колонизация Сlostridium difficile или Klebsiella oxytoca [6].

C. difficile — спорообразующая грамположительная облигатно-анаэробная палочка, попадает в организм путем заглатывания спор, обычно передаваемых от других пациентов через руки медицинского персонала или медицинское оборудование. Споры устойчивы в кислой среде желудка, попадая в кишечник, они прорастают в вегетативную форму, колонизируя толстую кишку и в ряде случаев вызывая колит [7]. Госпитализация пациента повышает риск развития C. difficile-ассоциированной диареи (CD-АД) [8, 9]. Внебольничная инфекция C. difficile (community-acquired CDI) диагностируется в случаях, когда симптомы диареи развились вне стационара в течение 48 часов после поступления в стационар или через 12 недель после выписки из стационара [10].

Помимо воздействия антибактериальной терапии (АБТ) кишечная микробиота теряет колонизационную резистентность при тяжелых системных заболеваниях (сахарный диабет, хроническая сердечная недостаточность, хроническая болезнь почек) и воспалительных заболеваниях кишечника. В целом в популяции заболеваемость инфекцией C. difficile составляет 0,4%, у пациентов с воспалительными заболеваниями кишечника — 1,7% (язвенный колит — 2,8%, болезнь Крона — 1%) [11-13]. Согласно международным рекомендациям, все пациенты с воспалительными заболеваниями кишечника, впервые госпитализированные с данной патологией, а также при появлении диареи в период ремиссии должны быть тестированы на носительство токсигенных C. difficile, особенно при наличии дополнительных факторов риска, в т.ч. после перенесенной колэктомии.

Результаты собственных исследований

В условиях работы многопрофильного стационара использование антимикробных препаратов широкого спектра — это общепринятая практика. При этом у больных часто развивается диарея, требующая дополнительного обследования, лечения и удлинения сроков пребывания в стационаре [14]. Учтя большую значимость данной проблемы не только для пациента, но и для общественного здравоохранения, мы провели исследование с целью выявить факторы риска развития ААД у пациентов многопрофильного стационара.

В задачи исследования входило:

• Проанализировать частоту развития ААД и CD-АД у пациентов многопрофильного стационара.
• Выявить частоту встречаемости высоковирулентного риботипа 027 C. difficile и C. difficile-продуцентов бинарного токсина в структуре ААД.
• Изучить частоту развития CD-АД при назначении различных комбинаций АБП.
• Выявить связь между развитием CD-АД и особенностями макроорганизма, сопутствующей терапией.
• Оценить реальную клиническую практику выбора тактики лечения ААД и CD-АД в стационаре.

За 10 месяцев в шести отделениях стационара (пульмонологическое, хирургическое, неврологическое, кардиологическое, гастроэнтерологическое, отделение реанимации и интенсивной терапии) АБТ получали 1992 пациента. За время мониторинга зарегистрировано 130 случаев ААД длительностью от двух суток. Таким образом, ААД развилась у 6,5% пациентов, получавших АБТ. Все пациенты с ААД были включены в исследование (55 мужчин и 75 женщин). Токсигенные штаммы C. difficile верифицированы в половине случаев ААД.

Клиническая картина

Инфекция C. difficile проявляется диареей различной интенсивности.

В тяжелых случаях может формироваться кишечная непроходимость или токсическая дилатация толстой кишки с признаками системной воспалительной реакции [6, 10]. О тяжелом течении C. difficile-ассоциированной инфекции свидетельствует наличие хотя бы одного из следующих признаков: лихорадка выше 38,5°С, нестабильная гемодинамика, симптомы перитонита, острая кишечная непроходимость, лейкоцитоз более 15×109/л со сдвигом лейкоцитарной формулы влево, повышение уровня креатинина крови более чем на 50% от изначального уровня, гиперлактатемия и гипоальбуминемия. Кроме того, с тяжелым течением инфекции сопряжено выявление псевдомембранозного колита, дилатации толстой кишки или асцита. Для лиц старше 65 лет при наличии тяжелых коморбидных состояний и иммунодефицита, длительного пребывания в отделении интенсивной терапии эпизод C. difficile-ассоциированной инфекции может быть расценен как тяжелый и в отсутствие признаков тяже-лого колита [10].

Диагностика

«Золотым» стандартом диагностики инфекции C. difficile считаются методы, основанные на реакции нейтрализации токсина и выявлении токсигенной культуры. Эта методика верификации требует специально оборудованной лаборатории, значительных временных и трудовых затрат. Современная лабораторная диагностика основана главным образом на выявлении C. difficile в стуле. Предпочтительны двух- и трехступенчатые алгоритмы [10]. В качестве скрининга рекомендованы методы выявления в стуле токсинов C. difficile А и В, а также глутаматдегидрогеназы (ГДГ), основанные на использовании иммуноферментного анализа (ИФА). Тесты ИФА на токсины А+В имеют чувствительность 75-95% и специфичность 83-93%. Выявление ГДГ является высокочувствительным методом (чувствительность может превышать 90%), т.к. этот фермент вырабатывается клостридиями в большем количестве, чем токсины. Но в связи с тем что ГДГ вырабатывается как токсигенными, так и нетоксигенными штаммами C. difficile, чувствительность его для диагностики колита не превышает 50%. Клинические рекомендации, разработанные на ближайшие 3 года, предлагают использовать многоступенчатые алгоритмы с ИФА для определения ГДГ или токсинов А+В в качестве скрининга с последующим применением подтверждающего метода − генетического секвенирования или (реже) культурального метода с определением цитотоксичности. Полимеразная цепная реакция (ПЦР) в качестве самостоятельного диагностического метода может использоваться только пациентами с диареей [10]. Эндоскопическое исследование считается достоверным методом диагностики псевдомембранозного колита при наличии типичных изменений в толстой кишке. Псевдо-мембраны обнаруживаются не у каждого больного, но даже в их отсутствие гистологическое исследование слизистой оболочки кишки позволяет выявлять характерные для псевдо-мембранозного колита изменения [6, 9, 10].

Для выявления токсинов C. difficile А и В в стуле пациентов с ААД в нашем исследовании применялся метод ИФА: тест-система «Xpect C. difficile Toxin A/B» (Oxoid/Remel, США). Кроме того, 50 положительных образцов стула дополнительно оценивали методом ПЦР в режиме реального времени с помощью автоматического мультиплексного ПЦР-анализатора GeneXpertDX (Cepheid, США) на наличие генов C. difficile, кодирующих токсин В, делецию в гене СtdB и гена бинарного токсина, характерных для высоковирулентных C. difficile 027. Риботип 027 C. difficile был выбран с учетом информации о распространении его в странах Западной Европы с учетом близости Финляндии и активной рекреационной миграции населения (в т.ч. медицинского персонала) между Россией и европейскими странами [10].

В результате исследования CD-АД выявлена у 65 больных (50% всех случаев ААД). В 50 протестированных образцах стула от пациентов с тяжелым течением CD-АД не выявлено генов штамма C. difficile риботип 027 и C. difficile-продуцентов бинарного токсина. Вероятно, это обусловлено тем, что заражение C. difficile происходит главным образом во время пребывания в стационаре [15], при том что миграция пациентов между стационарами России и Европы ограничена. Другим возможным путем распространения высоковирулентных штаммов может быть обмен медицинским персоналом стационаров (стажировки и т.п.), но эти мероприятия в настоящее время не являются массовыми. Кроме того, состав микробиоты людей в разных странах различен, соответственно, колонизационная резистентность и варианты ее нарушения также различаются [1, 2].

Вспышки заболевания, частота его развития в отделениях

За время наблюдения зарегистрированы 3 вспышки инфекции C. difficile продолжительностью от 7 до 14 дней, а также ее спорадические случаи. Средний возраст пациентов с CD-АД составил 61±14 лет. Максимальное число случаев ААД зафиксировано в отделениях пульмонологического профиля — 39 (у 7,9% пациентов, получавших АБТ), причем в 18 случаях была выявлена CD-АД (47,37% ААД). В отделении интенсивной терапии зафиксирован 31 случай ААД − у 5,5% пациентов, получавших АБТ. При этом CD-АД была верифицирована в 17 случаях (54,8% ААД). В хирургическом отделении зарегистрировано 25 случаев ААД. Среди них также преобладали эпизоды CD-АД (68%). В неврологическом отделении зарегистрировано 17 случаев ААД, у 11,4% пациентов, получавших АБТ. В 7 (42%) случаях выявлена CD-АД, что составило 4,7% от числа пациентов, получавших АБТ (см. рисунок).

Несмотря на то что по количеству случаев инфекции C. difficile отделение интенсивной терапии, хирургическое и пульмонологическое отделения не различаются, для пульмонологического отделения характерно большее число эпизодов неклостридиальной ААД. Обращает на себя внимание, что для отделений пульмонологического профиля характерно широкое использование АБП из группы макролидов (они являются препаратами первой линии для заболеваний нижних дыхательных путей). АБП группы макролидов оказывают мотилиноподобное действие на рецепторы желудочно-кишечного тракта и таким образом провоцируют развитие неинфекционной ААД [6]. Масса случаев ААД и инфекции C. difficile в пульмонологическом отделении также может быть связана с тем, что пациенты пульмонологического профиля часто поступают в стационар после безуспешной АБТ на амбулаторном этапе или в виде самолечения. Кроме того, те 63% пациентов пульмонологического профиля, которым назначена АБТ, обычно получают комбинацию двух антибиотиков широкого спектра действия как минимум семидневным курсом.

В отделениях хирургического профиля и интенсивной терапии ситуация другая: хотя почти все пациенты получают АБТ, для части из них − это только короткая периоперационная профилактика одним АБП широкого спектра действия. Однако, несмотря на разный подход к назначению АБТ, для отделений пульмонологического, хирургического профиля и отделения интенсивной терапии характерно относительно высокое число случаев ААД и инфекции C. difficile. Для 90% пациентов препаратом первой линии эмпирической АБТ в стационаре был генерический вариант цефтриаксона. Выбор цефтриаксона обусловлен экономической доступностью, возможностью назначения «базового» препарата без предварительного согласования с заведующим отделением и клиническим фармакологом, удобством применения в виде однократного режима дозирования. Преимущественное назначение цефтриаксона при разных нозологиях не позволило оценить связь между характеристиками применения других АБП и CD-АД.

При анализе анамнестических и лабораторных данных пациентов выявлены некоторые закономерности. По результатам ROC-анализа уровень гемоглобина 109 г/л может считаться пограничным с точки зрения риска развития инфекции C. difficile (отношение шансов [ОШ] — 0,66; 95% доверительный интервал [ДИ] — 0,569-0,747; р=0,0020. Индекс Юдена=0,3367).

В группе пациентов с CD-АД 36 (53,7%) человек указывали на госпитализацию в предшествовавшие 6 месяцев. В группе пациентов с не-CD-АД предшествовавшая госпитализация имела место у 11 (22%) человек. Антисекреторную терапию получили 65% пациентов с ААД (ингибитор протонной помпы или H2-гистаминовых рецепторов). Из них 52 пациента входили в группу CD-АД, 24 — в группу с не-C. difficile-ассоциированной диареей не-CD-АД.

Корреляция с инфекцией C. difficile оказалась значимой только для пациентов, получавших один или два АБТ: среди них у 68% была выявлена CD-АД, у 32% — не-CD-АД (ОШ — 4,76; 95% ДИ — 1,922-11,801; индекс Юдена — 0,296). Фактором риска развития инфекции C. difficile служил ранний послеоперационный период: из 38 пациентов, находившихся в раннем послеоперационном периоде, у 29 (76,3%) были выявлены токсины C. difficile (ОШ=3,48; 95% ДИ — 1,459-8,285; индекс Юдена — 0,253).

Комбинированные пробиотические лекарственные препараты

Поскольку развитие ААД определяет колонизационная резистентность микробиоты, коррекция ее состава может считаться основным профилактическим мероприятием заболевания. В рутинной практике стационара комбинированные пробиотики (Bifidobacterium infantis+Enterococcum faecium+Lactobacillus acidophilus) получали только 24 пациента, из них 9 из группе C. difficile-отрицательных пациентов и 15 из группе C. difficile-положительных. При анализе имеющихся данных было выявлено, что чем позднее от начала ААД начата терапии пробиотиками, тем выше вероятность колонизации кишечника C. difficile и развития псевдомембранозного колита. В группе пациентов с не-CD-АД 5 пациентов получали пробиотик с первого дня развития ААД, отдельные пациенты — второго, пятого или девятого дня (в среднем через 1,71±1,5 дня от начала ААД). В группе пациентов с CD-АД ни один из пациентов не получал пробиотик с первого или второго дня ААД. Большинство (6 человек) больных этой группы получали пробиотик только с седьмого дня ААД, трое — с восьмого и двое — с пятого дня. Таким образом, в среднем пробиотическая терапия в группе пациентов с CD-АД начиналась через 6,6±1,7 дня с момента развития ААД. По результатам ROC-анализа, начало пробиотической терапии позднее первого дня ААД — значимый фактор риска колонизации C. difficille (ОШ=0,81, 95%ДИ — 0,595-0,938, р=0,0001; индекс Юдена — 0,563).

Эмпирическая терапия ААД и CD-АД в стационаре

При развитии у пациента ААД рекомендуется по возможности отменять АБТ, ставшую причиной заболевания, или заменять ее применением АБП узкого спектра действия в соответствии с чувствительностью возбудителя основного заболевания. В ходе исследования было отмечено, что в случаях, когда была верифицирована неклостридиальная диарея, данная рекомендация часто не выполнялась. Для лечения CD-АД эффективны антибактериальные препараты ванкомицин и метронидазол [14]. Все пациенты получали стандартную терапию метронидазолом и/или ванкомицином. По результатам нашего исследования, различий в длительности ААД на фоне терапии метронидазолом или ванкомицином не выявлено. Были отмечены случаи назначения специфической АБТ, часто ванкомицином, при верифицированной неклостридиальной диарее. В 20,6% случаев при развитии ААД назначение ванкомицина перорально было необоснованным. Данный подход не только нецелесообразен с точки зрения фармакоэкономики, но и опасен с позиции риска формирования штаммов ванкомицин-резистентных энтерококков.

Заключение

ААД развивается у 6,5% пациентов, получающих АБТ в стационаре, что существенно удлиняет продолжительность госпитализации больных и увеличивает расходы на лечение. Токсигенные штаммы C. difficile верифицированы в половине случаев ААД. При назначении различных комбинаций АБП ААД длительностью более четырех суток повышает риск развития CD-АД. К предиктора высокого риска CD-АД относятся анемия любой степени, госпитализация в предшествующие 6 месяцев, антисекреторная терапия пациентов, получающих не более двух антибиотиков, ранний послеоперационный период (до 7 дней). При этом инфекция C. difficile характеризуется вспышечной заболеваемостью. В отличие от европейских и американских вспышек клостридиальной инфекции у российских пациентов не зарегистрировано ни одного случая инфицирования высоковирулентным риботипом C. difficile 027 и C. difficile — продуцентами бинарного токсина.

Таким образом, ААД — это ятрогения, осложнение АБТ, которое следует стремиться предотвращать с учетом выявленных факторов риска, по возможности сокращая длительность госпитализации и оптимизируя АБТ.

Литература

1. Human Microbiome Project Consortium. Structure, function and diversity of the healthy human microbiome. Nature. 2012;486:207-14.

2. Qin J., Li R., Raes J., Arumugam M., Burgdorf K.S., Manichanh C. A human gut microbial gene catalogue established by metagenomic sequencing. Nature. 2010;464:59-65.

3. Ley R.E., Knight R., Gordon J.I. The human microbiome: eliminating the biomedical/environmental dichotomy in microbial ecology. Environ. Microbiol. 2007;9:3-4.

4. Wopereis H., Oozeer R., Knipping K., Belzer C., Knol J. The first thousand days — intestinal microbiology of early life: establishing a symbiosis. Pediatr. Allergy Immunol. 2014;25:428-38.

5. Ferrer M., Martins dos Santos V.A., Ott S.J., Moya A. Gut microbiota disturbance during antibiotic therapy: a multi-omic approach. Gut Microbes. 2014;5(1):64-70.

6. Захарова, Н.В. Антибиотик-ассоциированная диарея: патогенез, лечение. Врач. 2013;1:35-40.

7. Burke K.E., Lamont J. Clostridium difficile Infection: A Worldwide Disease. Gut Liver. 2014;8(1):1-6.

8. Корнеева О.Н, Ивашкин В.Т., Анти-биотикоассоциированный колит: патоморфология, клиника, лечение. Рос. журн. гастроэнтерол., гепатол., колопроктол. 2007;3:65-70.

9. Захарова Н.В., Филь Т.С. Микробиологические и клинические особенности инфекции Clostridium difficile. Инфекционные болезни. 2015;3(3):81-6.

10. Bauer M.P., Debast S.B., Kuijper E.J. European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases. European Society of Clinical Microbiology and Infectious Diseases: update of the treatment guidance document for Clostridium difficile infection. Clin. Microbiol. Infect. 2014;20(Suppl 2):1-26.

11. Ramos-Martínez A., Ortiz-Balbuena J., Curto-García I., Asensio-Vegas Á., Martínez-Ruiz R., Múñez-Rubio E., Cantero-Caballero M., Sánchez-Romero I., González-Partida I., Vera-Mendoza M.I. Risk factors for Clostridium difficile diarrhea in patients with inflammatory bowel disease. Rev. Esp. Enferm. Dig. 2015;107(1):4-8.

12. Lee N.S., Pola S., Groessl E.J., Rivera-Nieves J., Ho S.B. Opportunities for Improvement in the Care of Patients Hospitalized for Inflammatory Bowel Disease-Related Colitis. Dig. Dis. Sci. 2016;61(4):1003-12.

13. Vindigni S.M., Surawicz C.M. C. difficille Infection: Changing Epidemiology and Management Paradigms. Clin. Transl. Gastroenterol. 2015;6:e99.

14. Захарова Н.В., Филь. Т.С. Псевдо-мембранозный колит: патогенез, профилактика, лечение. Экспериментальная и клиническая гастроэнтерология. 2013;12:15-9.