利用基因组和人类流动数据绘制病原体传播和进化图

一种绘制病原体传播和进化及其对疫苗和抗生素反应的新方法，将为帮助预测和预防未来疫情提供关键见解。该方法将病原体的基因组数据与从匿名手机数据中获取的人类旅行模式结合起来。

来自惠康桑格研究所、威特沃特斯兰德大学和南非国家传染病研究所、剑桥大学的研究人员以及全球肺炎球菌测序项目的合作伙伴，将在南非收集的近7000个肺炎链球菌(肺炎球菌)样本的基因组数据与详细的人类流动性数据整合在一起。这使他们能够看到这些导致肺炎和脑膜炎的细菌是如何在不同地区之间移动并随着时间进化的。

今天(7月3日)发表在《Nature》杂志上的这一发现表明，与2009年肺炎球菌疫苗相关的抗生素耐药性的初步下降可能只是暂时的，因为对青霉素等抗生素具有耐药性的非靶向菌株获得了68%的竞争优势。

这是科学家们第一次能够精确地量化不同肺炎球菌菌株的适应性——它们生存和繁殖的能力。这一发现可以为针对最有害菌株的疫苗开发提供信息，并且可能适用于其他病原体。

许多传染病，如结核病、艾滋病毒和COVID-19，同时存在多种菌株或变体，使其难以研究。肺炎球菌是一种细菌，是全球肺炎、脑膜炎和败血症的主要原因，是一个典型的例子，全球有100多种类型和900多种遗传菌株。仅肺炎每年就导致约74万5岁以下儿童死亡，使其成为儿童死亡的最大单一传染性原因。

肺炎球菌的多样性阻碍了控制工作，因为针对主要菌株的疫苗为其他菌株填补空缺留下了空间。这些细菌如何传播，疫苗如何影响它们的生存，以及它们对抗生素的耐药性仍然知之甚少。

在这项新研究中，研究人员分析了2000年至2014年在南非收集的6910份肺炎球菌样本的基因组序列，以追踪不同菌株随时间的分布。他们将这些数据与Meta收集的人类旅行模式的匿名记录相结合。

该团队开发的计算模型显示，肺炎球菌菌株需要大约50年的时间才能在南非人口中完全混合，这主要是由于局部的人类运动模式。

他们发现，虽然2009年引入的针对某些类型的这些细菌的肺炎球菌疫苗减少了由这些类型引起的病例数量，但它也使这些细菌的其他非靶向菌株获得了68%的竞争优势，其中越来越多的菌株对青霉素等抗生素产生耐药性。这表明疫苗对抗生素耐药性的保护作用是短暂的。

该研究的第一作者、惠康桑格研究所前博士生、西班牙巴塞罗那超级计算中心施密特科学研究员索菲·贝尔曼博士说:“虽然我们发现肺炎球菌细菌通常传播缓慢，但疫苗和抗菌剂的使用可以迅速而显著地改变这些动态。我们的模型可以应用于其他地区和病原体，以便在耐药性和疫苗有效性的背景下更好地了解和预测病原体的传播。”

南非约翰内斯堡国家传染病研究所的研究作者Anne von Gottberg博士说:“尽管努力接种疫苗，肺炎仍然是南非五岁以下儿童死亡的主要原因之一。通过持续的基因组监测和适应性强的疫苗接种策略来对抗这些病原体的显著适应性，我们可能能够更好地进行有针对性的干预，以限制疾病负担。”

Wellcome Sanger研究所这项研究的资深作者Stephen Bentley教授说：“肺炎球菌的多样性模糊了我们对任何特定菌株如何从一个地区传播到另一个地区的看法。这种利用细菌基因组和人类旅行数据的综合方法最终使我们能够突破这种复杂性，首次以高清方式揭示隐藏的迁徙路径。这可以让研究人员预测新出现的高风险菌株接下来可能在哪里出现，使我们在潜在的疫情爆发之前领先一步。”