當(dāng)醫(yī)療人員進入美國國立衛(wèi)生研究院臨床中心(全國首屈一指的243床研究醫(yī)院)時，他們知道這名病重的婦女?dāng)y帶了一種抗藥性細菌。

2011年6月，一家紐約市醫(yī)院轉(zhuǎn)移她，成為NIH臨床研究的一部分。在43歲時，她已經(jīng)經(jīng)歷了很多，包括肺移植，她的免疫系統(tǒng)必須被抑制。在早期住院期間，她可能感染了肺炎克雷伯氏菌; 畢竟，這種細菌導(dǎo)致大約6%的感染在全國醫(yī)院傳播PDF文件。更糟糕的是，她的肺炎克雷伯菌攜帶的基因使得它幾乎不受藥箱中所有抗生素的影響。

美國國立衛(wèi)生研究院臨床中心從未爆發(fā)過K.肺炎 - 它現(xiàn)在也不想要。

為了應(yīng)對威脅，醫(yī)院將她隔離，員工聯(lián)系有限，對游客實施嚴(yán)格的規(guī)定，并要求使用手套和長袍。在她逗留期間，患者在重癥監(jiān)護室度過了兩個24小時的時間段，醫(yī)生用慶大霉素，替加環(huán)素和粘菌素治療她，這是一種20世紀(jì)40年代的老藥和潛在有毒的藥物，被認為是最后的藥物。然而，這種組合起作用，并且她在2011年7月離開醫(yī)院后康復(fù).NIH工作人員認為，爆發(fā)的危險已經(jīng)過去了。

他們錯了。

兩個月后，2011年8月初，一名患有癌癥的34歲男子患上了肺炎克雷伯菌感染。痰培養(yǎng)物鑒定出細菌，但不能確定他是否與紐約人有相同的菌株。畢竟，這兩名病人從未同時在同一個病房，因此在他到達美國國立衛(wèi)生研究院之前，他的感染可能來自一個單獨的來源。盡管如此，負責(zé)控制醫(yī)院獲得性感染的臨床中心小組開始調(diào)查這兩起病例。

像所有優(yōu)秀的偵探一樣，團隊首先尋找指紋。“幾十年來，我們使用脈沖場凝膠電泳來區(qū)分菌株，”臨床中心副醫(yī)院流行病學(xué)家Tara N. Palmore說。該測試從細菌DNA產(chǎn)生類似條形碼的圖案，顯示菌株是否在遺傳上相似; 如果測試顯示相同的條形圖案，那么這兩個案例可能具有相同的來源。然而，在肺炎克雷伯氏菌中，美國70%的菌株屬于具有一種脈沖場模式的一種菌株。“這項測試對這種生物體沒有多大幫助，”她說。

此外，即使在調(diào)查開始時，新病例開始以每周一次的驚人速度出現(xiàn)在臨床中心，讓醫(yī)院的領(lǐng)導(dǎo)層感到不寒而栗，并且感染控制團隊的緊迫感越來越強烈。對于一個病情最嚴(yán)重的病人來說，爆發(fā)多重耐藥的肺炎克雷伯菌可能是災(zāi)難性的。微生物通常在重癥監(jiān)護室或ICU中傳播 - 特別是在免疫系統(tǒng)受抑制的患者中 - 產(chǎn)生40%的死亡率。該小組迅速應(yīng)用了一套流行病學(xué)工具來控制傳播，但許多問題仍然無法與現(xiàn)有技術(shù)相提并論 - 而且疫情繼續(xù)蔓延。

盡管英勇努力隔離和分離受影響的患者，強制手部衛(wèi)生和感染控制預(yù)防措施，并對臨床中心的大部分進行消毒 - 包括使用過氧化氫蒸汽凈化房間并撕掉受污染的水槽排水管 - 細菌最終在17名患者中定居接下來的五個月。六人會感染并死于感染。其他五人在積極感染的同時死于其潛在疾病。剩下的八個幸存下來，因為肺炎克雷伯菌可以進入體內(nèi)，定居胃腸道但不會引起疾病。然而，定居的患者可能無意中充當(dāng)能夠向弱勢患者傳播感染的細菌儲庫，或者甚至在細菌移動到脆弱的身體部位時感染自己。

“一旦將這類生物體引入醫(yī)院環(huán)境，就很難控制流行病，”NIH臨床中心臨床護理副主任，質(zhì)量保證和醫(yī)院流行病學(xué)副主任David Henderson博士說。“他們成為地方病，并成為醫(yī)院植物群的一部分。”

鑒于肺炎克雷伯氏菌的毒力令人沮喪。

在疫情爆發(fā)初期，臨床中心位于美國國立衛(wèi)生研究院400英畝校園內(nèi)的獨特位置得到了回報。在醫(yī)院后面，在一個基礎(chǔ)研究大樓里，由國家人類基因組研究所(NHGRI)的高級研究員Julie Segre博士領(lǐng)導(dǎo)的團隊提出了幫助。在內(nèi)部遺傳和分子生??物學(xué)分部的上皮生物學(xué)部門負責(zé)人，Segre博士一直與臨床中心的臨床微生物學(xué)部門合作，在她聽到爆發(fā)時研究細菌抗生素耐藥性的演變。

“我們已經(jīng)在嘗試開發(fā)臨床分子診斷工具，”Segre博士說，“我們認為我們可以使用基因組測序來判斷第一位患者的肺炎克雷伯菌是否與感染第二位患者的菌株相同。 “

基因組測序產(chǎn)生As，Ts，Cs和Gs的有序列表，其代表DNA的化學(xué)亞基(核苷酸)，DNA是在細胞中存儲遺傳信息的長線程。對細菌基因組進行測序可提供比脈沖場凝膠方法更精確的數(shù)據(jù)。在較舊的脈沖場凝膠產(chǎn)生條形碼的情況下，測序提供了遺傳字母的確切順序，使研究人員能夠發(fā)現(xiàn)和跟蹤甚至單核苷酸變化。

實質(zhì)上，基因組測序?qū)崟r測量細菌進化。細菌迅速繁殖，一些物種只需20分鐘即可生產(chǎn)新一代。然而，盡管DNA復(fù)制的準(zhǔn)確性很高，但每個后代都有很小的機會攜帶一個新的錯誤 - 在構(gòu)成肺炎克雷伯氏菌基因組的600萬個核苷酸中，一個核苷酸的替換，比如A被一個G替代。。遺傳學(xué)家將這些變化稱為變異，或者當(dāng)它們引起故障時，就會發(fā)生突變?；蚪M變異經(jīng)常發(fā)生，積累的變化越多，當(dāng)前一代細菌從親本菌株中進化出來的越多。“基因組測序可用作細菌的進化時間戳，”Segre說。

Segre博士推斷，測序應(yīng)該提供一種強有力的方法來顯示許多受影響患者的細菌相關(guān)性。如果患者攜帶具有基本相同基因組的肺炎克雷伯菌，那么細菌在臨床中心內(nèi)從患者傳遞給患者。顯著不同的基因組可能意味著細菌來自不相關(guān)的來源。

該策略才變得可行，因為近年來測序成本和周轉(zhuǎn)時間急劇下降，達到了由NHGRI運營的位于馬里蘭州羅克維爾的NIH校內(nèi)測序中心(NISC)能夠?qū)嶋H分析大量的來自患者和環(huán)境樣本的樣本，并在臨床相關(guān)的周轉(zhuǎn)時間內(nèi)提供結(jié)果。

“這太酷了，”NISC主任James Mullikin博士說。這一經(jīng)驗表明，測序“可以幫助解決臨床環(huán)境中的醫(yī)學(xué)問題”。

臨床中心很快接受了NHGRI的提議。

與此同時，緊迫感也在增加。所有早期患者都在重癥監(jiān)護病房(ICU)。到9月份，抗生素耐藥性肺炎克雷伯菌已在臨床中心的常規(guī)病房傳播給患者。自8月以來，擔(dān)心感染控制小組一直在隔離醫(yī)務(wù)人員和設(shè)備，因此那些照顧受感染病人的人只能與那些病人一起，防止任何可能的交叉污染。這種稱為群組的策略極具破壞性且價格昂貴。感染控制小組開始收集醫(yī)院每位患者的直腸拭子，以尋找無癥狀肺炎克雷伯菌定植的跡象。

任務(wù)是巨大的。超過1,100名患者在爆發(fā)高峰時通過臨床中心; 他們都需要定期測試。

NHGRI和NISC團隊回到爆發(fā)的開始，并對感染第一名患者的肺炎克雷伯菌的基因組進行了測序。她的醫(yī)療記錄表明，紐約人已經(jīng)感染了好幾個月。在美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)逗留四周期間，醫(yī)生從她的喉嚨，肺部，腹股溝和尿液中分離出細菌。第一步是對細菌的基因組進行測序，以便它可以用來確定爆發(fā)是否始于她。

為了對細菌基因組進行測序，必須首先從患者中分離微生物，并在實驗室中過夜生長以產(chǎn)生足夠的細胞。NIH校內(nèi)測序中心的工作人員然后將DNA純化并通過測序儀運行。這個過程需要幾天時間。

“我們可以提供解決病例和挽救生命所需的測序周轉(zhuǎn)時間，”Mullikin說。“你想把這些信息帶回臨床中心，這樣他們就知道如何更快地阻止這次爆發(fā)。”

利用計算機中的序列數(shù)據(jù)，Segre實驗室的NHGRI博士后研究員Evan Snitkin博士開始研究不同細菌樣本之間的差異。

來自紐約人不同身體部位的SNP樣本顯示她已被定植足夠長的細菌進化。來自尿液中細菌的SNP模式顯示與肺炎克雷伯氏菌的祖先基因型一致。但是來自她的肺和腹股溝的樣本不同：每個共享3個SNPS與祖先形式相比。喉部樣品在600萬個核苷酸基因組中顯示出三個其他SNPS。所有這些分離株都明顯來自同一原始菌株，但在測序水平上，即使是這些少量變異體也使尿液，肺，腹股溝和咽喉分離株彼此不同。

這些區(qū)別將提供強有力的線索。在脈沖場凝膠法使所有樣本看起來相同的情況下，基因組測序可以精確地區(qū)分它們，直到單個遺傳字母。現(xiàn)在NIH團隊可以追蹤細菌如何傳播。

傳統(tǒng)上，流行病學(xué)偵探跟蹤患者生病的順序，并嘗試在特定日期將特定病房中可能重疊的點連接起來。醫(yī)生通常期望患者1將感染給予患者2和患者2以將其給予患者3，依此類推。如果患者按照他們被殖民的順序生病，這種方法很有效。

基因組數(shù)據(jù)最初使事情進一步復(fù)雜化?；颊?的基因組是與患者1不同的2個SNP，表明它不直接來自患者1.隨著序列數(shù)據(jù)的涌入，圖片變得更加清晰，醫(yī)院感染控制人員和Drs。Palmore和Segre的團隊創(chuàng)建了一個傳輸?shù)貓D。結(jié)果令人驚訝：患者1在兩個不同的場合將細菌傳染給其他患者，從她身體不同部位的感染，產(chǎn)生兩個主要的感染患者群。

第一次傳播從患者1轉(zhuǎn)移到患者3，第二次傳播顯示疾病跡象; 患者3將其送給患者2，這是第一個患病的新患者。流行病學(xué)跟蹤顯示患者3確實與ICU中的患者1重疊，其中可能發(fā)生傳播。這些個體感染了與患者1的腹股溝和肺部樣本共享SNP模式的細菌。

第二個完全獨立的傳播事件，與患者1的喉嚨分離物相關(guān)聯(lián) - 僅通過基因組數(shù)據(jù)識別 - 與患者4相關(guān)，對于患者1，未發(fā)現(xiàn)與患者1無關(guān)。病人4繼續(xù)感染患者10，他們將肺炎克雷伯菌分離物傳染給此次爆發(fā)中受影響的最大一組患者。

基因組數(shù)據(jù)還確定了從患者1到患者8的最終傳播，對于他們沒有發(fā)現(xiàn)流行病學(xué)聯(lián)系。

密集的調(diào)查導(dǎo)致了幾個驚人的發(fā)現(xiàn)：肺炎克雷伯氏菌比先前在醫(yī)院環(huán)境中顯示的更強，這可能會傳播細菌。爆發(fā)后的菌株被發(fā)現(xiàn)在6個水槽中，然后被扯掉并更換，并且在患者6使用后徹底清潔的呼吸機上。患者8的房間內(nèi)也發(fā)現(xiàn)了爆發(fā)的細菌。清洗。

“他們不知道細菌是如何傳播的，”NISC的Mullikin說。“他們認為這是從患者到患者，但是它正在通過水槽。他們永遠不會想象沒有序列數(shù)據(jù)證明它的可能性。”

細菌甚至在標(biāo)準(zhǔn)去污程序中幸存下來。“如果患者A在病房，并且您徹底清潔房間，并且下一位患者患有相同的隔離物，那么您就知道您的清潔方法是不夠的，”Segre博士說。基因組結(jié)果開始改變醫(yī)院程序。

序列分析顯示所有感染均來自患者1，而不是來自不同來源，這一結(jié)論難以用其他技術(shù)證明。然而，感染控制研究從未真正確定細菌從一名患者傳遞到下一名患者的確切機制; 可能有一些個體或患者被靜默定植并將細菌傳染給易感患者。它也可能已經(jīng)由醫(yī)院人員和設(shè)備通過。

感染控制干預(yù)措施證明是成功的，到今年年底，臨床中心沒有新病例出現(xiàn)，導(dǎo)致疫情爆發(fā)。

“這項研究清楚地表明，隨著基因組測序變得越來越便宜和快速，它將成為未來醫(yī)療保健流行病學(xué)的重要工具，”臨床中心的Henderson博士說。他的團隊正在編寫一篇論文，概述基因組測序在感染控制方法中對類似疾病暴發(fā)的應(yīng)用。“現(xiàn)在我們知道基因組測序能做什么，”他說，“我預(yù)計這種方法將被醫(yī)院流行病學(xué)界迅速采用。”

每年有超過一百萬的醫(yī)療相關(guān)感染發(fā)生在醫(yī)療保健領(lǐng)域; 僅在醫(yī)院，疾病控制和預(yù)防中心估計，每20名住院患者中就有一名患有與醫(yī)療相關(guān)的感染。這些感染可能危及生命，也會增加我們不斷增長的醫(yī)療保健成本，每年造成數(shù)十億美元的超額醫(yī)療支出。多重耐藥肺炎克雷伯菌是更可怕的感染之一，因為幾乎沒有有效的治療方法，其死亡率為40%。