Необходимость постоянной оценки биологических рисков и угроз

Термин «биологическая безопасность» охватывает всю сферу санитарно-эпидемиологического состояния, смежные с ней области ветеринарно-санитарного, фитосанитарного контроля, экологической безопасности, среды обитания и используется при мероприятиях по предупреждению и ликвидации чрезвычайных ситуаций (ЧС) биологического характера. Признаком ЧС является высокая степень негативного влияния на жизнедеятельность человека, сопоставимая с угрозой национальной и международной безопасности [1, 2]. Здесь уместно дать определение двум основным понятиям, используемым в настоящем обзоре: «биологический (биогенный) риск» — это вероятность причинения вреда (с учетом его тяжести) здоровью человека и/или нанесения ущерба (с учетом его размера) окружающей среде опасными биологическими факторами; «биологическая угроза» определяется как неприемлемый биологический риск [1]. Таким образом, сама по себе биологическая угроза является ЧС.

Биогенные риски, создающие угрозу безопасности в каждой стране и мире в целом, очень разнообразны. Их первопричиной является фундаментальное свойство патогенных биологических агентов (ПБА), т. е. бактерий, вирусов, токсинов, прионов, простейших, проявлять вирулентные свойства по отношению к организму человека, а также к животным и растениям, используемым в сельском хозяйстве. Несмотря на успехи отечественного и мирового здравоохранения, инфекционные заболевания по-прежнему остаются одной из основных причин потери трудоспособности и смертности среди населения. По оценкам экспертов, в 2017 г. экономический ущерб для России только от 32 наиболее актуальных нозологических форм инфекций превысил 627 млрд. руб. [3]. Стоит отметить, что наибольший вклад как в заболеваемость, так и в показатель экономического урона вносят отнюдь не экстраординарные случаи заболеваний особо опасными, «вспышечными», вновь возникающими или завезенными инфекциями, а традиционные сезонные, эндемичные для России ОРВИ, грипп, туберкулез, острые кишечные инфекции, ветряная оспа, ВИЧ-инфекция и вирусные гепатиты [3].

Способы контроля за инфекционными заболеваниями хорошо известны и широко применяются: вакцинопрофилактика, внедрение средств своевременной этиологической диагностики, применение специфических противовирусных и антибактериальных препаратов, повышение уровня общей гигиены и медицинской асептики, противодействие основным негативным эпидемиологическим факторам, в конце концов — повышение социально- экономического благополучия общества в целом [4]. Однако из-за самой биологической природы инфекций эффективность перечисленных способов быстро снижается со временем в результате эволюции возбудителей, избегающих этих новых факторов естественного отбора [5]. Следствием снижения этой эффективности являются такие общеизвестные процессы, как регулярная смена штаммов (серотипов, генотипов) возбудителей сезонных и/или эпидемических респираторных и алиментарных заболеваний; схожесть нозологических и эпидемиологических процессов, вызываемых возбудителями различных таксонов (и, соответственно, по разному восприимчивых к средствам профилактики, диагностики и терапии); появление и распространение мутантных штаммов возбудителей, способных преодолевать барьеры иммунизации и диагностический контроль; появление мутантных штаммов, устойчивых к действию специфических терапевтических препаратов, появление новых ПБА, ранее не циркулировавших в человеческой популяции, проникающих из природных резервуаров инфекции. Динамичные изменения в структуре циркулирующих ПБА накладываются на нередко резко выраженную неоднородность эффективности вакцинации и доступности диагностических и терапевтических средств в различных географических, возрастных и социальных группах населения. Все эти факторы инфекционных процессов необходимо всесторонне и своевременно отслеживать для предотвращения эпидемического характера распространения ПБА (т. е. трансформации биологического риска в реальную угрозу) [6]. Для этого органам государственного здравоохранения и надзора безусловно необходимо иметь в своем распоряжении максимально эффективный организационный инструмент для изучения существующей инфекционной ситуации в стране и прогнозирования направлений ее развития.

Необходимость организации единой системы мониторинга биологических рисков в целях предотвращения биологических угроз прямо определена в программных документах Правительства РФ и действующих нормативно-правовых актах на уровне Федерального законодательства [1, 7–9]. В частности, «Основы государственной политики в области обеспечения химической и биологической безопасности Российской Федерации на период до 2025 года и дальнейшую перспективу» [8] определяют в качестве приоритетных направлений и задач государственной политики мониторинг биологических рисков, а также развитие ресурсного обеспечения соответствующих функциональных элементов национальной системы биологической безопасности РФ. В «Стратегии национальной безопасности Российской Федерации», опубликованной в конце 2015 г. [9], органам государственной власти и органам местного самоуправления во взаимодействии с институтами гражданского общества, предписывается развитие системы мониторинга биологической обстановки на территории Российской Федерации.
Авторы настоящей статьи считают необходимым дать рекомендации, касающиеся организации единого координирующего центра межведомственного взаимодействия [10], с тем чтобы не допустить дублирования существующих сегодня систем отчечественного эпидемиологического надзора, поскольку, как отмечалось выше, уязвимости в системе биологической безопасности могут быть прямо приравнены к уязвимостям всего государства и общества.

Отсутствие единой системы мониторинга биологических угроз

На сегодняшний день в Российской Федерации на уровне государства используются четыре основных способа сбора эпидемической и эпидемиологической информации. Они применяются для решения частного круга задач по общему инфекционному мониторингу:

– анализа заболеваемости населения наиболее распространенными нозологическими формами инфекций;
– расследования вспышек заболеваний;
– контроля инфекционной опасности объектов окружающей среды и товаров народного потребления;
– изучения локальной встречаемости социально- значимых инфекций и действия эпидемиологических факторов в группах риска;
– изучения и прогнозирования смены сезонных и периодических штаммов некоторых эпидемических инфекций.

Рассмотрим эти способы по отдельности.

1. Анализ заболеваемости распространенными формами инфекций осуществляется Роспотребнадзором [11]. Информация собирается на уровне региональных и муниципальных лечебно-профилактических учреждений (ЛПУ). Ставя диагноз инфекционного заболевания, врач информирует об этом региональный центр Роспотребнадзора путем заполнения форм государственной статистической отчетности [12]. Сбор, обработка и публикация статистических данных осуществляется Роспотребнадзором ежегодно.
Несомненными достоинствами такого способа сбора информации являются: широкий охват населения во всех регионах — фактически учитывается встречаемость ПБА у всех обратившихся к врачам пациентов; устойчивость такой системы мониторинга, обеспечивающая распределенность и непрерывность исследований и связанная с большим количеством задействованных ЛПУ; однородность предоставляемых данных, обеспечиваемая единообразием форм документации.

В то же время, особенность данного вида учета связана с самим определением показателя заболеваемости, рассчитываемого как отношение числа больных с впервые установленным диагнозом к среднегодовой численности населения [13], т. е. регистрируется количество только официально выявленных случаев инфицирования среди самостоятельно обратившихся пациентов. Остаются неучтенными люди, страдающие неманифестными хроническими формами заболевания, не пожелавшие обратиться к врачу, или с неправильно установленным диагнозом, но при этом являющиеся распространителями инфекции. Это приводит к нерелевантности обследуемой группы, не позволяющей достоверно оценить распространенность инфекции в общей популяции. Также отметим, что в большинстве случаев сотрудники ЛПУ не располагают технологической базой для тонкой расшифровки этиологии ПБА, особенно в отношении респираторных и острых кишечных заболеваний. Совершенно разные в этиологическом, эпидемиологическом и биологическом отношении инфекции, требующие специальных средств профилактики и лечения, учитываются одинаковым образом, т. е. недостоверно.

Сбор и анализ статистических данных, поступающих из ЛПУ, позволяет постфактум оценивать многолетнюю динамику заболеваемости, и строить тренды для этого показателя. Однако такой метод является косвенным (не дает достоверной информации о реальной встречаемости инфекций в популяции, т. е. величине инфекционного резервуара и уязвимости общества перед ним), имеет низкое разрешение в отношении этиологии возбудителей, и не обладает предиктивной силой, особенно в отношении редких и вновь возникающих инфекций.

Анализ документальной прививаемости населения также осуществляется Роспотребнадзором на основе статистических форм, предоставляемых региональными ЛПУ. Прививаемость не является прямым показателем эпидемических процессов, но используется как один из важнейших параметров в моделировании развития инфекционной ситуации. Показано, что документальная прививаемость не может служить этим целям, и что для надежного прогнозирования эпидемических процессов этот показатель должен быть уточнен путем прямого сероэпидемиологического измерения уровня популяционного иммунитета к вакциноуправляемым и ряду других инфекций [6].

2. Государственный санитарно-эпидемиологический надзор [14] осуществляется региональными и федеральным Центрами гигиены и эпидемиологии (ЦГиЭ) Роспотребнадзора [11, 15]. В основную сферу их деятельности в отношении инфекций входят плановые и внеплановые проверки объектов окружающей среды (воды, товарной продукции, земельного фонда и т. д.) на наличие ПБА из утвержденного списка, большая часть которых относится к возбудителям природно-очаговых инфекций, острых кишечных инфекций и гельминтозам [16–18], а также расследования в отношении вспышек инфекций [13].

Аналогичные функции, но в отношении ветеринарных инфекций, в том числе опасных для человека, возложены на межобластные и региональные ветеринарные лаборатории Россельхознадзора, также осуществляющие задачи инфекционного мониторинга. Однако имеющаяся в Россельхознадзоре информация не поступает в органы здравоохранения и не учитывается ими.
Надзорные функции в отношении ПБА выполняются системой ЦГиЭ в значительной мере эффективно, что обусловлено развитой региональной лабораторной сетью и оснащением ее современным высокотехнологичным оборудованием и тест-системами. Это обеспечивает непрерывность проведения планового мониторинга инфекций, возможность установления точной этиологии ПБА, а также способность оперативно фиксировать появление неэндемичных ПБА и возбудителей эпидемических, особенно опасных и/или природно- очаговых инфекций и расследовать их распространение при вспышках.

В то же время, регламентированные рутинные функции Роспотребнадзора в отношении мониторинга инфекций ограничены достаточно узким перечнем ПБА [16, 17], методов их идентификации [18] и спектром типовых объектов исследования, что не позволяет определить реальную встречаемость инфекций (даже профильных) среди населения страны, а соответственно уязвимость перед ними в масштабе государства.
Исполнительные органы Роспотребнадзора располагают значительным опытом и инструментарием для детекции возбудителей алиментарных, зоонозных и природно-очаговых инфекций и расследования вызываемых ими вспышек заболеваний, но практически не участвуют в контроле парентеральных и эпидемических респираторных инфекций, хотя экономический и социальный ущерб от последних кратно выше, чем ущерб от относительно редких для России вспышечных инфекций [3].
В целом, можно заключить, что существующая система государственного санитарно-эпидемиологического надзора успешно решает важные, но узкоспециализированные практические задачи, только отчасти релевантные инфекционному мониторингу населения страны в широком смысле.

3. Научно-исследовательский эпидемиологический мониторинг в отношении ограниченного спектра ПБА в отдельных группах населения или географических областях периодически осуществляется государственными научными учреждениями Роспотребнадзора, Минздрава и Минобрнауки РФ. Такие исследования проводятся в рамках выполнения государственных заданий (ранее — федеральных целевых программ), или в инициативном порядке в соответствии с собственными научными планами и финансовыми возможностями. Как правило, научные учреждения не имеют прямо поставленной ведомственной задачи осуществлять постоянный мониторинг инфекций в статистических целях, но некоторые из них приобрели статус центров по контролю за определенными видами ПБА (например, Федеральный научно-методический центр СПИД на базе ЦНИИ Эпидемиологии, сотрудничающий центр ВОЗ по гриппу на базе ГНЦ ВБ «Вектор», или Национальный научно-методический центр по надзору за корью в МНИИЭМ им. Г.Н. Габричевского) и располагают соответствующими референтными лабораториями для диагностических исследований. Именно от таких научных центров поступает, например, информация о сезонных циркулирующих штаммах и серотипах некоторых ПБА (в частности, вируса гриппа), что имеет важное значение для профилактики.

Работы в таких центрах, как правило, выполняются на высоком научно-технологическом уровне, что обеспечивает значительную чувствительность и специфичность в отношении диагностики и установления этиологии различных ПБА, а также соответствуют надлежащим правилам эпидемиологической науки. В результате определяется реальная встречаемость ПБА в той или иной группе риска среди условно здорового населения или в выбранной референтной группе, что обеспечивает высокую степень достоверности такой информации.
Однако нельзя не отметить, что научные учреждения в основном выполняют подобные исследования локально, с нерегулируемой периодичностью (что связано с особенностями их финансирования) и в отношении только «профильных» для них ПБА. Таким образом, в данном случае тоже нельзя говорить о непрерывности или широком охвате этих эпидемиологических исследований. Кроме того, здесь сложно судить о единой системе мониторинга, так как результаты исследований предоставляются в свободном виде (как правило, в форме научных статей в разных источниках и/или отчетов), что не позволяет интегрировать их с имеющейся медицинской статистикой, особенно с учетом ведомственной разобщенности задействованных научных учреждений.

4. Медико-санитарные ведомственные службы также собирают данные о заболеваемости в той или иной группе населения (и о заражении отдельных объектов окружающей среды). К ним относятся специализированные части Федеральной службы безопасности, Министерства обороны, Федеральной таможенной службы, Федеральное медико-биологическое агентство (ФМБА), Министерство чрезвычайных ситуаций (МЧС), Министерства транспорта и пр. Однако собираемая ими информация предназначена исключительно для внутреннего использования и, по данным авторов настоящей статьи, никак не учитывается в деятельности гражданского здравоохранения. Таким образом, перечисленные структуры (по крайней мере, в мирное время), никак не участвуют в общегосударственном мониторинге инфекционных процессов.

Обобщая, можно заключить, что существующие в современной России элементы системы мониторинга инфекционных заболеваний достаточно хорошо развиты (рис. 1), однако, во-первых, не позволяют объединить усилия в этой области из-за различной ведомственной принадлежности исполнителей, а во-вторых, ни одна из них по отдельности не соответствует всем критериям количества и качества предоставляемой информации (релевантности по отношению ко всему населению, этиологической детализации и оперативности информации). Самая же большая проблема заключается в том, что все описанные способы не являются взаимодополняющими из-за отсутствия единого аналитического центра с доступом ко всем данным.

В этой связи создание единого центра мониторинга позволит преодолеть указанные недостатки при соблюдении нужных принципов осуществления мониторинга [10]. Центр не должен дублировать функции перечисленных ведомств (такие как анализ заболеваемости, расследование вспышек и анализ безопасности продукции, научные эпидемиологические исследования в группах риска). Создаваемая система должна напрямую измерять параметры распространенности ПБА у населения, их типов и серологических маркеров к ним в целях решения поставленных задач по снижению уязвимости общества, экономики и государства перед биогенными угрозами.

Работа мониторингового центра должна организационно и функционально дополнять действующую систему реагирования на чрезвычайные ситуации медико-биологического характера и повышать ее эффективность за счет значительного сокращения времени реагирования на чрезвычайные ситуации. Схема мониторинга биологических рисков в представлении авторов предложена на рис. 2.

В то же время, эффективная работа по обеспечению национальной биологической безопасности должна учитывать не только организационные моменты по взаимодействию между различными надзорными органами и интеграцию данных различных систем сбора информации. Уязвимость общества перед биологическими угрозами во многом определяется и иными, фундаментальными свойствами как самих ПБА, так и способов их индикации.

Влияние человеческого фактора на проведение анализов.
Медленная скорость проведения индикации патогенных биологических агентов 

Интеграция существующих источников информации об имеющихся биологических рисках в динамическом режиме в рамках единого центра позволит существенно ускорить время реакции на появление биологических угроз. Между тем, самостоятельной угрозой является то, что существующих источников информации для оперативного мониторинга недостаточно, либо они не в полной мере отвечают требованиям специфичности, чувствительности, оперативности, автономности, автоматической работы. В частности, время реакции на информацию о потенциально угрожающем биологическом событии, получаемой от обычной клинико-диагностической лаборатории ЛПУ или Центра гигиены и эпидемиологии (даже хорошо оснащенной) оказывается недопустимо большим — если учесть, что в него включено не только время, затрачиваемое на само проведение исследования, передачу данных и принятие решения, но и время, которое требуется носителю инфекции, чтобы осознать наличие заболевания (т. е. весь инкубационный период), обратиться к врачу, сдать анализ и т. д.

Поэтому перспективная система мониторинга биогенных рисков должна быть основана не только на агрегации лабораторных данных, получаемых от КДЛ, но и на основе создания собственной сети источников информации о биологических рисках, включающей автоматизированные средства индикации ПБА в режиме «реального времени» [19].
Прогресс в области лабораторной диагностики биопатогенов дает возможность создавать наряду с традиционными методами, требующими участия квалифицированного персонала, экспресс-методики с минимальной долей ручного труда оператора и автоматизированные комплексы, работающие без участия человека [19]. При сохранении чувствительности и специфичности, новые подходы сокращают время проведения анализа от суток до часов и минут. Автоматизированные комплексы в автономном исполнении могут анализировать образцы окружающей среды на наличие патогенов практически непрерывно.

Прямой анализ воздушного аэрозоля позволяет выявить возбудителей инфекционных заболеваний до момента заражения индивидуумов, что с учетом латентного периода может сократить время ранней диагностики на несколько суток, а в случае своевременного принятия мер решительно сократить число людей, подвергшихся заражению. Сэкономленное время можно использовать для развертывания массовой вакцинации или превентивной терапии (введение иммуноглобулинов) среди населения.
На сегодняшний день очевидно, что для автоматической детекции широкого спектра биопатогенов в окружающей среде — бактерий, вирусов, токсинов — наиболее надежным видится применение иммунологического анализа и анализа нуклеиновых кислот [19]. Первый обеспечивает обнаружение не только клеточных и внеклеточных форм ПБА, но и продуктов их жизнедеятельности. Второй более чувствителен при анализе малого количества исходного материала [19]. Одновременная детекция двумя методами существенно снижает риск ложноположительных результатов [19, 20], а возможность количественного определения аналита повышает информативность индикаторного теста. 

В то же время требование автономности работы приборов в полностью автоматическом режиме в течение длительного времени накладывает ограничения на применяемые методики. Они должны содержать минимальное количество стадий, сохранять приемлемую чувствительность (не менее 1000 инфекционных частиц патогена/мл аэрозольного концентрата) и специфичность в сочетании с экспресс-пробоподготовкой, обеспечивать максимально короткое время анализа. Сфера применения автоматических комплексов детекции биопатогенов в воздухе и требование мобильности налагает ограничения на их внешние размеры. Используемые системы автоматизации методов детекции должны иметь минимальные размеры, выдерживать транспортировку без необходимости дополнительного технического тестирования, обеспечивать длительную бесперебойную работу в неблагоприятных внешних условиях, поддерживать герметичность соединений для исключения кросс-контаминации и загрязнения внутреннего объема прибора. Обслуживание прибора, удаление отработанных материалов должны обеспечивать безопасность персонала.
Несмотря на очевидную необходимость контроля аэрозоля на наличие возбудителей инфекционных заболеваний или токсинов, реальное применение автоматического прибора анализа биоаэрозоля будет сильно зависеть от возможностей самого устройства: скорости анализа, чувствительности и специфичности, возможности количественного определения концентрации патогена в воздухе, стоимости устройства, расходных материалов и обслуживания, количества одновременно определяемых патогенов, а также спектра разработанных тест-систем [6, 21, 22]. Все перечисленное должно быть учтено при развертывании сети автоматических средств индикации создаваемого единого центра мониторинга биологических угроз.

Проблема идентификации ранее неизвестных патогенов и патогенов с новыми свойствами

Как уже отмечалось выше, в последние годы быстро растет количество бактерий с лекарственной устойчивостью, в разных регионах мира регулярно детектируются возбудители новых инфекционных заболеваний, а риск применения биологического оружия, в том числе в рамках биотеррористических акций остается достаточно высоким. В связи с этим возрастает актуальность разработки и использования новых технологий идентификации неизвестных патогенов, в том числе с новыми не описанными свойствами.

Использование микробиологами и врачами-инфекционистами платформ высокопроизводительного секвенирования обеспечило значительный прогресс в медицинской сфере. Благодаря широкому распространению коммерчески доступных платформ секвенирования нового поколения (NGS), таких как Miseq and Hiseq (Illumina), GS (Roche-454), Ion Torrent (Life Technologies), Minion (Oxford Nanopore Technologies) и PacBio (Pacific Biosciences), определение последовательностей геномов ПБА (или их регионов) внесло значительный вклад в клиническую микробиологию и вирусологию, позволяя создавать различные диагностические инструменты на их основе [23]. Помимо этого, обеспечивая доступ к полному набору генов различных штаммов, NGS дает уникальную возможность определения потенциала вирулентности и предсказания антибиотикорезистентности обнаруженных изолятов. Идентификация и характеристика факторов вирулентности, особенно токсинов и маркеров антибиотикорезистентности патогенов необходимы для понимания патогенеза заболеваний, вызываемых бактериями, и их взаимодействия с организмом- хозяином, а также для разработки новых лекарственных средств, вакцин и тестов для молекулярной диагностики [10, 24].
Возможность использования метода секвенирования следующего поколения в микробиологии и эпидемиологии открывает совершенно новые горизонты для определения новых патогенов и глубокого изучения их свойств (рис. 3).

Методы NGS на данный момент уже применяются в некоторых медицинских микробиологических лабораториях, включая, например, лабораторию в University Medical Center Groningen (UMCG), где они используются для контроля над развитием вспышек инфекций, молекулярно- эпидемиологических исследований, характеристики патогенов и наблюдения за ними, быстрой идентификации бактерий с использованием области рРНК 16S–23S, таксономии, для метагеномных подходов к клиническим образцам и для определения передачи зоонозных инфекций от животных к людям.
Преимущество использования полногеномного секвенирования (whole genome sequencing, WGS) в том, что оно обеспечивает внедрение NGS в эпидемиологические исследования и исследования общественного здоровья [25–26]. Помимо отслеживания вспышек и их характеристики, использование WGS позволяет также предпринимать контрольные меры против распространения резистентных бактериальных клонов. Например, вспышка заболевания, вызванная колистин-резистентными продуцирующими карбапенемазы бактериями K. pneumonia, распространившаяся между несколькими клиниками в Нидерландах, контролировалась путем направления всех носителей резистентного штамма в отдельное медицинское учреждение, где специализированная команда лечила этих пациентов [27].
Помимо детекции бактерий с множественной лекарственной устойчивостью, методика WGS также эффективна для характеристики высоковирулентных бактерий, таких как шигатоксин-продуцирующая Escherichia coli (shigatoxin-producing Escherichia coli, STEC) O104:H4, вызвавшая вспышку заболевания в Германии в 2011 г. [28].

Молекулярная идентификация возбудителей часто используется в исследовании вспышек инфекций. Базы данных NGS и WGS могут быть ретроспективно проанализированы в случае вспышек, вызванных несколькими возбудителями. Результатом этого может быть определение возбудителей, которые не были идентифицированы в ходе эпидемиологических исследований, основанных на использовании ПЦР или серологических методов [29–30].
Текущая рутинная процедура характеристики патогенов основывается на большом спектре бактериологических, биохимических и молекулярных методов, что делает ее трудоемкой, требующей временных затрат и дорогостоящей. NGS может служить надежным односложным инструментом для исследования широкого спектра свойств патогенов, применимым к большому диапазону патогенов [31–33]. Знание профиля вирулентности патогена имеет решающее значение для прогнозирования тяжести заболевания, результатов лечения и для оценки риска в случае раннего начала заболевания. WGS может внести существенный вклад в определение наличия факторов вирулентности с использованием нескольких онлайн-инструментов, поскольку он не ограничивается специфическим геном [34, 35].
В одном из больших когортных исследований метод WGS использовали для молекулярной характеристики STEC, что давало четкое представление о структуре популяции и геномной пластичности этого штамма в городах Гронинген и Роттердам (Нидерланды) [36]. Вся релевантная информация может быть извлечена in silico из баз данных по сиквенсам, включая генотип, серотип, данные мультилокусного секвенирования, профили вирулентности и антибиотикорезистентности и филогенетические данные для получения общих молекулярных признаков с высокой степенью селективности среди близкородственных штаммов. Метод NGS позволил подробно описать и сравнить многие штаммы в течение относительно короткого промежутка времени. Таким образом, для быстрого и оптимального молекулярно-эпидемиологического надзора за патогенами в региональном и национальном масштабах роль WGS неоспорима. Метод NGS эффективен также для выявления новых генов резистентности как у ныне существующих бактерий, так и у исторических штаммов. Новые варианты генов антибиотикорезистентности можно идентифицировать с использованием NGS, а дальнейшие эксперименты помогут определить, действительно ли эти гены отвечают за наблюдаемый паттерн антибиотикорезистентности [37].

NGS позволяет осуществить детекцию теоретически неисчислимого количества патогенов без использования культур и вследствие этого способствует пониманию полного микробиома. Метагеномика, по мнению некоторых авторов, будет итоговым подходом к детекции всех микроорганизмов [38]. Однако для анализа больших объемов данных требуется сочетание биоинформационных и вычислительных ресурсов, которые в настоящее время по большей части отсутствуют в диагностических медицинских микробиологических лабораториях. Кроме того, метагеномные подходы требуют много времени, так как время выполнения анализа составляет около 4–5 дней.
Чтобы заполнить пробел между общепринятыми методами по обнаружению и идентификации видов микроорганизмов (культуральными микробиологическими и ПЦР) и метагеномикой, представляется перспективным подход, основанный на таргетном NGS без высева культуры (рис. 3). По сравнению с метагеномикой он быстрее, дешевле и проще методологически, в связи с чем, вероятно, в обозримом будущем займет достойное место в арсенале рутинных диагностических лабораторий. Было доказано, что последовательность гена 16S рРНК является надежным генетическим маркером идентификации бактерий на уровне рода (в ряде случаев вида и даже штамма), поскольку он присутствует у всех бактерий и его функция неизменна [39]. Секвенирование последовательности гена может быть выполнено непосредственно из клинического материала (без наращивания чистой культуры) и, вследствие этого, идентификация спектра бактерий по последовательности 16S рРНК уже сейчас является ценным дополнительным тестом в повседневной клинической практике [40, 41]. Однако выраженное сходство в последовательностях гена между определенными видами бактерий может приводить к неоднозначной идентификации [42].

Недавно был разработан инновационный подход NGS 16S–23S рРНК без использования культур для детекции бактерий в клинических образцах. Метод показал ряд преимуществ по сравнению с аналогичными способами анализа. Он корректно идентифицирует патогены, определенные как причина инфекции, культуральным методом в образцах мочи [43]. Более того, метод позволяет осуществить одновременную идентификацию нескольких патогенов в биологическом материале, в котором ранее ни культуральным методом, ни методом ПЦР возбудитель не выявлялся. Несомненно, такой новый подход внесет значимый клинический вклад в развитие микробиологии, а также повлияет на тактику лечения пациентов, оптимизируя антибиотикотерапию. Наконец, этот метод позволит клиническим микробиологическим лабораториям внедрить NGS в рутинную практику и будет способствовать развитию технологического и биоинформационного обеспечения, необходимого для внедрения метагеномики в диагностику заболеваний в будущем.
В самом деле, использование WGS в таксономических целях позволяет включить больше генов для разграничения видов, чем классическая ДНК–ДНК-гибридизация или методы секвенирования 16S рРНК, тем самым повышая разрешающую способность. Более того, поскольку WGS можно использоваться для филогенетической реконструкции на основе последовательностей всех генов, присутствующих в геноме, соответствующая генетическая дендрограмма может быть воспроизведена более отчетливо [44]. Высказывались предположения о том, что описания новых таксонов должны также включать геномные последовательности по меньшей мере с двадцатикратным повторным прочтением [45].

NGS в будущем позволит получить также больше информации о зоонозной передаче ПБА. Первые исследования по этой теме были основаны на методах с низкой селективностью, таких как серотипирование [46]. Совсем недавно опубликованы работы, в которых более селективные методы, такие как электрофорез в импульсном поле или мультилокусный анализ областей генома с вариабельным числом тандемных повторов, были использованы для обнаружения специфических бактериальных клонов у животных и людей [47]. Многие аспекты биологических механизмов зоонозного распространения инфекций еще нуждаются в уточнении, особенно когда речь идет о частоте передачи (например, единичный или повторный контакт с животными или продуктами животного происхождения), факторах риска, ассоциированных с заражением зоонозным микроорганизмом (например, потенциально опасные действия, такие как близкое взаимодействие с животными или обработка стула сельскохозяйственных животных) и о том, как использование антибиотиков у животных влияет на передачу патогенных бактерий людям. NGS открывает новые перспективы для изучения этих аспектов. Высокая селективность метода позволит дифференцировать ранее не различимые бактериальные штаммы, поражающие животных и человека. Это, вкупе с эпидемиологической информацией, позволит детализировать источники потенциальных зоонозных инфекций [47–48].

Таким образом, можно отметить, что использование метагеномного подхода и NGS позволяет провести комплексный анализ патогена, включая изучение профиля антибиотикорезистентности, продукции токсинов, а также других факторов патогенеза, способности к межвидовой передачи данных факторов. Между тем, несмотря на высокий потенциал применения метагеномного анализа и NGS в составе систем идентификации ранее неизвестных патогенов и патогенов с новыми свойствами, использование этих методов в клинической практике ограничено единичными случаями.

Появление новых патогенных биологических агентов или новых патогенных свойств

Вспышки инфекционных заболеваний создают постоянную угрозу для населения. Большое внимание уделяется появлению относительно новых или неизвестных патогенов, например, ближневосточного респираторного коронавирусного синдрома и вируса Эболы в Заире. Однако значительно чаще эпидемии вызывают известные патогены, такие как вирус гриппа, денге, возбудитель туберкулеза или холерный вибрион. Большинство эпидемий возникает из-за внешних, климатических или географических факторов. Однако иногда их причиной становится антропогенное воздействие. Фактически каждые несколько лет возникает новая опасность, вызванная появлением и распространением новых патогенных организмов. В литературе описаны факты появления новых инфекционных агентов в 21 веке [49]. Яркими примерами анропогенного влияния человека на появление новых ПБА (или приобретение ими новых свойств) являются распространение антибиотикорезистентных штаммов и модификация ПБА в целях биотерроризма.

Антибиотикорезистентность возбудителей инфекционных заболеваний человека

Резистентность патогенных микроорганизмов к антимикробным препаратам, в том числе множественная, широко распространена и является важнейшим фактором снижения эффективности лечения инфекционных заболеваний почти во всех регионах мира. ВОЗ определяет эту проблему как «угрозу национальной безопасности мно