0*1**static.freereferats.ru/_avtoreferats/01004246934.pdfштаммов М. tuberculosis в...
Transcript of 0*1**static.freereferats.ru/_avtoreferats/01004246934.pdfштаммов М. tuberculosis в...
На правах рукописи
0 0 3 4 5 В 0 17
Сивков Антон Юрьевич
Исследование распространенности штаммов Mycobacterium tuberculosis с
множественной лекарственной устойчивостью в Новосибирской области
03.00.03 — «молекулярная биология»
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
0 * 1 * * ф
Кольцово 2008
Работа выполнена в ФГУН Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «Вектор» Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека Минздравсоцразвития России.
Научный руководитель
доктор биологических наук Татьков Сергей Иванович
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук, доцент Тикунова Нина Викторовна, ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора кандидат биологических наук, Катохин Алексей Вадимович, ИЦиГ СО РАН
Ведущая организация
г. Новосибирск, Институт химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.
Защита состоится «19» декабря 2008 года в 0900 часов на заседании диссертационного совета Д.208.020.01 при Государственном научном центре вирусологии и биотехнологии «Вектор» по адресу: ФГУН ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора, Кольцово Новосибирской области, 630559, тел. (383)3367428.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ ВБ «Вектор». Автореферат разослан «/7 » ноября 2008 года
Ученый секретарь ^ s Z1
диссертационного совета Д^А ~~ д.б.н. Л.И.Карпенко
Общая характеристика работы
Актуальность темы
На сегодняшний день около трети населения инфицировано микобактериями
туберкулеза. Особенно опасными являются микобактерии с множественной
лекарственной устойчивостью (МЛУ). МЛУ штаммы, устойчивы как минимум к
изониазиду и рифампицину. Каждый год во всем мире МЛУ формами туберкулеза
заболевают около 400 тыс. лиц.
При неправильном лечении больных МЛУформами противотуберкулезными
препаратами второй линии у пациентов могут быть отселектированы штаммы М.
tuberculosis с широкой лекарственной устойчивостью (ШЛУ). Такие штаммы
устойчивы не только к рифампицину и изониазиду, но и ко всем фторхинолонам и,
как минимум, к одному из трех инъекционных препаратов второй линии
(капреомицину, канамицину или амикацину). В развитых странах с наилучшими на
сегодня системами диагностики и лечения туберкулеза удалось добиться излечения
больных ШЛУтуберкулезом лишь в 30% случаев.
По данным ВОЗ, на конец 2007 года уже в 41 стране были обнаружены ШЛУ
штаммы М. tuberculosis. В России эти штаммы также получили распространение.
Только в Томской области в течение 20022005 гг. было выявлено 30 ШЛУ штаммов
среди исследованных 458 МЛУ изолятов (6,6%). Дальнейшее распространение ШЛУ
и МЛУ штаммов угрожает возникновением эпидемии туберкулеза, для лечения
которого доступных на сегодняшний день лекарственных средств будет
недостаточно.
В 2007 г ВОЗ приняла программу борьбы с распространением МЛУ и ШЛУ
туберкулеза в мире. Среди важнейших целей программы усиление и расширение
надзора за МЛУ и ШЛУ туберкулезом, и поддержка исследований, направленных на
создание новых тестсистем для быстрого выявления лекарственноустойчивого
туберкулеза.
Цели и задачи исследования
Целью данной работы являлось исследование распространенности МЛУ
штаммов М. tuberculosis в Новосибирской области.
3
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи.
1. Оценить возможность определения устойчивости микобактерий туберкулеза к
рифампициігу с помощью биочипа.
2. Определить доминирующие механизмы возникновения и распространения
МЛУштаммов.
3. Выявить очаги заболеваемости лекарственноустойчивыми формами
туберкулеза на территории Новосибирской области.
Научная новизна
• Впервые в Новосибирской области при параллельном исследовании
лекарственной устойчивости к рифампицину чистых культур микобактерий
туберкулеза бактериологическим методом и с помощью биочипа было
установлено, что результаты совпадают в 86% случаев.
• На примере штаммов, циркулирующих в Новосибирской области, впервые
продемонстрирована возможность использования биочипа, определяющего
только устойчивость к рифампицину, для выявления МЛУизолятов М.
tuberculosis.
• Показано, что в Новосибирской области доминируют Пекинские штаммы, доля
которых составляет не менее 48%.
• Впервые комбинацией двух методов генотипирования IS6110 и MIRU среди
Пекинских штаммов в Новосибирской области выявлены две генетических
группы, в которых доминировали МЛУ изоляты (89 и 100% соответственно).
• В ходе изучения механизмов возникновения и распространения МЛУ штаммов
М. tuberculosis молекулярногенетическими методами установлено, что
устойчивые изоляты селектировались в ходе лечения и к 20012003 гг
получили значительное распространение среди населения Новосибирской
области, где сформировали очаги заболеваемости МЛУ формами туберкулеза.
Практическая значимость
Разработан и запатентован способ регенерации биочипов, позволяющий
использовать один биочип до семи раз.
4
Путем совмещения двух стадий ПЦР в одной пробирке разработан метод
определения устойчивости к рифампицину, позволяющий снизить вероятность кросс
контаминации при проведении исследований, значительно удешевить стоимость и
резко повысить производительность анализа.
Показано, что положительный результат определения лекарственной
устойчивости биочипом может быть использован при принятии решения о выборе
противотуберкулезных препаратов, а отрицательный нет. Если биочипом изолят
определяется, как чувствительный, необходимы дополнительные исследования его
лекарственной устойчивости.
Апробация работы и публикации
Полученные результаты исследований были представлены: на
«Межрегиональной научной конференции, посвященной 100летию со дня рождения
академика АМН СССР СП. Карпова» (Томск, Россия, 2003), XIV научной
конференцииконкурсе молодых ученых ГНЦ ВБ «Вектор» (Новосибирск, Россия,
2003), симпозиуме «Интегративная медицина в XXI веке» (Судак, Украина, 2004),
международной конференции «Развитие международного сотрудничества в области
изучения инфекционных заболеваний» (Новосибирск, Россия, 2004), Российской
научнопрактической конференции «Генодиагностика инфекционных болезней»,
(Новосибирск, Россия, 2005), «26th Annual Congress of the European Society of
Mycobacteriology», (Istanbul, Turkey, 2005), Российской школеконференции молодых
ученых «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и
технологии» (Пущино, Россия, 2006), III Российской конференции с международным
участием «Проблемы инфекционной патологии в регионах Сибири, Дальнего Востока
и Крайнего Севера» (Новосибирск, Россия, 2006), конгрессе «Биотехнология:
состояние и перспективы развития» (Москва, Россия, 2007), II РоссийскоГерманской
конференции форума КохаМечникова (Томск, Россия, 2007).
По материалам диссертации был получен патент № 2270870 от 25.12.2003 «Способ
регенерации нуклеотидных биочипов» Болдырев А.Н. Сивков А.Ю. Татьков СИ.
5
Личный вклад соискателя
Диссертационная работа была выполнена соискателем в 20022006 гг. в
лаборатории разработки новых методов диагностики заболеваний человека ФГУН
ГНЦ ВБ «Вектор» Роспотребнадзора в рамках выполнения проектов МНТЦ №2019 и
№1980, а также госпрограммы РФ (договор № 03/2512/1).
На разных этапах в работе принимали участие Татьков СИ., Болдырев А.Н.,
Боднев С.А., Туманов Ю.В., Кузьмичева Г.А., Азаев М.Ш., Смирнова О.Ю., Ивлев
Дунтау А.П., Филипенко М.Л., Рот М.А., Цильковская И., Ильичев А.А. Всем им
автор приносит искреннюю благодарность.
Структура и объем диссертации
Диссертация изложена на 152 страницах машинописного текста и состоит из
введения, обзора литературы, главы «Материалы и методы», главы «Результаты и
обсуждение», заключения, выводов и списка литературы. Библиография включает
160 работ: 18 отечественных авторов и 142 зарубежных. Работа иллюстрирована
55 рисунками и включает 6 таблиц.
Основное содержание работы
Для решения поставленных задач были сформированы две выборки
клинических изолятов.
1. Коллекция из 272 штаммов была создана из устойчивых к рифампицину
изолятов, выделенных от впервые выявленных или ранее лечившихся больных
туберкулезом из г. Новосибирска с 2000 по 2005 гг.
Устойчивость к рифампицину определяли биочипом, для подтверждения
точности детекции мутаций в гене биочипом у 60 изолятов была определена
нуклеотидная последовательность высоковариабельной области гена гроВ. На данной
выборке были опробованы модификации анализа мутаций биочипом.
170 изолятов из 272, выбранные методом случайных чисел, были
генотипированы методом IS6110 ПЦР. Также 170 изолятов были использованы для
анализа механизмов распространения лекарственноустойчивых изолятов в
г. Новосибирске.
6
2. Репрезентативная коллекция была образована из штаммов, выделенных от
впервые выявленных больных туберкулезом из 30 районов Новосибирской области и
городов Новосибирск, Бердск, Обь за период с 1 января 2003 по 1 января 2004 гг.
Сбор мокроты, исследование мазков, бактериологические посевы,
производились в противотуберкулезном диспансере города Новосибирска и
Новосибирском НИИ туберкулеза Росздрава. На каждый изолят М. tuberculosis, были
составлены паспорта, включающие бактериологические характеристики, социально
демографические и основные клинические параметры больных.
Всего за 2003 год было выявлено 1699 первичных больных, от 762 пациентов
удалось выделить чистую культуру М. tuberculosis, у всех выделенных культур
определялась устойчивость к противотуберкулезным препаратам
микробиологическим методом. Результаты определения лекарственной устойчивости
удалось получить лишь для 607 культур.
Данные обо всех 1699 первичных случаях использовались для анализа
географического распределения лекарственноустойчивых форм туберкулеза по
районам области.
Для оценки генетического разнообразия штаммов М. tuberculosis в
Новосибирской области из 607 изолятов были выбраны методом случайных чисел 230
изолятов, которые анализировались методами IS6110 ПДРФ и MIRU VNTR.
Обе коллекции штаммов исследовались в рамках проекта МНТЦ №1980
«Эпидемиология лекарственноустойчивого туберкулеза в Западной Сибири:
генетическая характеристика лекарственноустойчивых изолятов М. tuberculosis и
анализ их распределения в Новосибирской области», руководитель проекта Ильичев
А.А. Проведение проекта №1980 было одобрено этическим комитетом ГНЦ ВБ
«Вектор» 28 мая 2001 г (протокол №2 от 28 мая 2001 г.).
7
Географическое распределение заболеваемости лекарственноустойчивыми
формами туберкулеза по территории Новосибирской области
В среднем, заболеваемость в сельских районах Новосибирской области 132
случая на сто тыс. населения в 1,6 раза выше, чем средняя заболеваемость по городу
Новосибирску (82 случая на сто тыс. населения).
Мы исследовали данные, предоставленные НИИ туберкулеза, и проводили
распределение заболеваемости и множественной лекарственной устойчивости по
районам Новосибирской области (рис. 1).
Рисунок 1. Заболеваемость туберкулезом по районам Новосибирской области в 2003 году на 100000 населения. Цветом показан уровень заболеваемости по районам области.
Распределение заболеваемости по районам варьирует от 46 в Кочковском до 235
(рис. 1) случаев заболевания на сто тысяч населения в Тогучинском районах. При
переходе на районный уровень анализа отчетливо выявляется очаги заболеваемости: в
четырех районах (Венгеровском, Колыванском, Коченевском и Тогучинском)
заболеваемость выше 200 случаев на сто тысяч населения, причем три из четырех
районов примыкают к областному центру.
8
Характеристика спектра лекарственной устойчивости среди впервые
заболевших туберкулезом
При исследовании устойчивости циркулирующих штаммов микобактерий
туберкулеза у 607 изолятов, (35% случаев), были определены профили
резистентности выделенных штаммов.
В 2003 г. в Новосибирской области было выявлено 89 МЛУштаммов, что
составило 14,7% от всей проанализированной выборки. Выявляемость МЛУ
значительно варьировала в зависимости района области (рис. 2).
Рисунок 2. Заболеваемость в процентах МЛУ туберкулезом по районам Новосибирской области за 2003 г. Цветом отмечено распределение заболеваемости по районам области.
Было показано, что в Сузунском и Северном районах сложилась критическая
ситуация и уровень МЛУштаммов у впервые выявленных пациентов, превысил 25%.
Устойчивые к рифампицину изоляты в 91% были устойчивы и к изониазиду, т.е.
являлись изолятами с МЛУ. Следовательно, в нашем регионе выявление
устойчивости к рифампицину любым методом с вероятностью около 90% поможет
быстро определить МЛУштаммы М. tuberculosis.
9
Применение биочипа, определяющего устойчивость к рифампицинѵ . для
массового скрининга МЛУизолятов микобактерий туберкулеза
Замена двухпробирочного метода наработки меченого фрагмента для
гибридизации на биочипе на однопробирочный
Ранее в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта был
разработан чип «ТБбиочип (RIF)», позволяющий определять 30 типов мутаций в гене
гроВ, который может быть использован для скрининга рифампицин и МЛУ
устойчивых штаммов М. tuberculosis.
В инструкции к биочипу, предложенной разработчиками предлагалось проводить
синтез меченого фрагмента гена гроВ, используя две реакции ПЦР. Продукт первой из них
переносился в новую пробирку, и проводилась вторая стадия ПЦР, в результате которой
синтезировался анализируемый фрагмент вариабельной области гена гроВ.
Стадия переноса ПЦРпродукта из одной пробирки в другую является
потенциальным источником кроссконтаминаций и получения ложных результатов
при проведении ПЦРанализа.
Риск контаминации можно уменьшить, если исключить стадию переноса ПЦР
продукта, совместив обе реакции в одной микропробирке.
Мы разработали способ совмещения двух последовательных ПЦР в одной. Были
подобраны соотношения праймеров и температурновременной профиль
совмещенной ПЦР, позволяющие получать совпадение флуоресцентных изображений
чипов, полученных как по протоколу, рекомендованному разработчиками, так и по
протоколу, разработанному нами (рис. 3).
• • *
• • • •
• • * • • «
• * • * • *
• • • • •
•
•
§>
• •
• • ' • • • • • • • • •
1 2
Рисунок 3. Сравнение изображений биочипов, полученных по протоколу «ТБбиочип (RIF)». 1 в две стадии, 2 в одну стадию.
10
Для проверки разработанного протокола, мы определили мутации во всех
образцах ДНК, выделенных из 272 изолятов М. tuberculosis, с помощью биочипа
параллельно по обоим протоколам и установили, что во всех случаях оба метода
приводили к получению одинаковых результатов. Совмещение обоих раундов ПЦР в
одной микропробирке позволило снизить риск возникновения контаминации при
проведении ГТЦР, снизить расход пластиковых пробирок, носиков, значительно
уменьшить трудозатраты при анализе. Применение разработанного нами протокола
представляется более предпочтительным, чем использование методики,
предложенной создателями набора «ТБбиочип (RIF)», особенно при массовых
анализах в ПЦРлабораториях.
Многократное использование биочипов путем их регенерации
Для снижения стоимости исследования лекарственной устойчивости М.
tuberculosis мы разработали способ многократного использования биочипов.
Для проверки методики регенерации был использован ТБбиочип. Мы
проверили на нем ДНК №150 из банка изолятов М. tuberculosis лаборатории. Изолят
имел мутацию Ser531Leu, которая проявлялась четким сигналом в соответствующей
ячейке биочипа (рис. 4А). После регенерации сигналы в ячейках биочипа не
проявились даже при экспозиции 5000 мс (рис. 4Б).
Рисунок 4. Фотография изображения прогибридизованного биочипа. А до регенерации. экспозиция 150 мс; Б после проведения регенерации, экспозиция 5000 мс.
Применение регенерации позволило 7 раз использовать 1 биочип без потери
качества результатов (рис.5.). При проведении регенерации больше семи раз ячейки
биочипа деградируют.
11
Методика регенерации была проверена на МЛУбиочипах, также разработанных
в Институте молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта. В результате было
показано, что регенерация работает и на МЛУбиочипах.
На выборке из 50 изолятов мы сравнивали результаты анализа мутаций с
помощью ТБбиочипов до, и после проведения регенерации. Мутации, выявленные
биочипами после регенерации, совпали с мутациями, выявленными по протоколу
производителей биочипов.
Г Д Е
Рисунок 5. Фотографии изображений многократного применения биочипа после регенерации и повторной гибридизации. А двукратное применения биочипа; Б трехкратное применения биочипа; В четырехкратное применения биочипа; Г пятикратное применения биочипа; Д шестикратное применения биочипа; Е семикратное применения биочипа.
Таким образом, разработанная технология регенерации применима для
нуклеотидных биочипов и позволит резко снизит затраты на проведение
исследований лекарственной устойчивости М. tuberculosis.
Сравнение результатов определения лекарственной устойчивости при массовом
скрининге биочипами и микробиологическим методом
Чтобы определить возможность определения устойчивости микобактерий
туберкулеза к рифампицину с помощью биочипа мы исследовали резистентность
изолятов, выделенных от больных в Новосибирской области двумя методами.
Лекарственная устойчивость была выявлена у всех изолятов методом абсолютных 12
концентраций на твердой питательной среде Левенштейна Йенсена. Параллельно
выделялась ДНК всех изолятов, и анализировалась ТБбиочипами. Оказалось (Рис.6),
что в 86% случаев мутация в гене гроВ маркировала случаи наличия у микобактерии
устойчивости к рифампицину.Наиболее часто встречающейся мутацией, оказалась
Ser531Leu. Также были выявлены мутации L51 IP, D516V, H526Y и L533P (рис.6.).
4°о
15°°
• SER531>LEU
• LEU511>PRO
D HIS526>TYR
DASP516>VAL
57°o
• Остальные мутации
• нет мутаций но есть устойчивость
Рисунок 6. Выявленные с помощью биочипа мутации в гене гроВ.
На основании распространенности мутаций среди рифампицинустойчивых
изолятов можно заключить, что подавляющее большинство (83,2%) штаммов
обладает настолько высокой лекарственной устойчивостью к рифампицину, что
включение этого антибиотика в различные схемы лечения туберкулеза становится
бесполезным.
Для проверки надежности определения мутаций с помощью биочипа, из 272
образцов ДНК были случайным образом отобраны 60, у которых была определена
последовательность ДНК вариабельной области гена гроВ. Полученные данные
показали, что все мутации, присутствующие в гроВ генах исследованных изолятов,
были определены биочипом без ошибок.
Ранее различными исследователями было показано, что у 95% устойчивых
штаммов присутствует мутация в гене гроВ. Мы показали, что у 15% устойчивых к
рифампицину изолятов не обнаруживались мутации в гене. Это на 10% больше, чем
можно было бы ожидать.
13
У культур М. tuberculosis, для которых обоими методами были получены
противоречивые результаты по резистентности, была повторно определена
устойчивость к рифампицину. Полученные результаты совпали с первоначальными. В
результате анализа изображений биочипов «сомнительных культур» было выявлено,
что в них присутствуют как сильные сигналы в мутантных кодонах, так и, сравнимые
с ними по интенсивности сигналы в немутантных кодонах (Рис. 7.).
Такие образы биочипов можно объяснить присутствием в культуре смеси двух
штаммов: чувствительного и резистентного типа (смешанной культурой) и
соответствующей геномной ДНК в анализируемом с помощью биочипа образце.
Смешанные культуры могли возникнуть либо в результате кроссконтаминации
в лаборатории, либо изначально присутствовать в образце мокроты, полученной от
больного. В настоящее время для выявления смешанных культур применяются
генотипирование по IS6110 локусам, сполиготипирование или VNTR. Доля кросс
коитаминаций в лабораториях изменяется в широких пределах до 65%. Однако для
лабораторий развитых стран она значительно ниже: в Лондоне 0,93%, в Дэнвере
(США) 1214%. В Российских лабораториях, доля кроссконтаминаций может быть
еще выше, достигать 33%.
Другим источником появления устойчивых штаммов в организме больного
может служить спонтанный мутагенез. Резистентность к рифампицину может
появляться с частотой 10"s на одно клеточное делении, причем частота мутирования
различных кодонов гена гроВ одинакова и не зависит от генотипа микобактерий.
Рисунок 7. Пример фотографии биочипа с одинаковыми сигналами дикого типа и мутации. Красным отмечены сигналы, маркирующие дикий тип и мутацию SerLeu в 531 кодоне гена гроВ.
14
Возникновение мутаций в гене гроВ влияет на фитнес микобактерии, т.е. на ее
способность к росту и распространению в популяции. Так, например, мутации
His526—>Tyr и His526—>Arg уменьшают скорость деления, a Ser531 Leu пет. Причем,
влияние мутаций на фитнес не зависит от генотипа М. tuberculosis.
Микробиологические методы «настроены» на выявление даже 1% устойчивых
микобактерии в анализируемом образце, а биочип, видимо, её не обнаруживает. В
результате возникает разночтение данных по резистентности культур клинических
изолятов. В.А. Фирсовой было показано, что при определении устойчивости М.
tuberculosis напрямую из мокроты биочипом результаты совпадают с методом
абсолютных концентраций только в 50% случаев.
Таким образом, если биочипом показано отсутствие устойчивости, то изолят
необходимо подвергать дополнительному исследованию с помощью ПЦР реального
времени или иным методом для детектирования небольшой примеси устойчивого
штамма в образце.
Анализ генотипов микобактерии туберкулеза методом IS6110 ПЦР типирования
в г. Новосибирске
Для определения генотипов устойчивых изолятов из 272 изолятов методом
случайных чисел были отобраны 170 изолятов. Они были прогенотипированы
методом IS6110 ПЦРтипирования. В результате анализа результатов
генотипирования было построено филогенетическое древо. Выборка разделилась на
две части (Рис. 8.). Изоляты, входящие в группу ABCDEFGHI, составляют 68,83% от
всей выборки. Эта группа имеет клональную структуру и генотипы, входящие в нее,
демонстрируют большую гомологию между собой. Генотипы В и G доминируют в
популяции, на их долю приходится 19,4 и 38,24% выборки соответственно. Вторая
группа, состоящая из генотипов, не вошедших в кластер ABCDEFGHI,
продемонстрировала небольшую гомологию между входящими в нее генотипами.
Эти группа скорее всего состоит из недавно появившихся штаммов, либо имевших
распространение в прошлом.
С помощью метода ПДРФ по IS6110, а также в результате соотнесения
профилей IS6110 ПЦР с данными, опубликованными Мокроусовым И.В. было
15
показано, что рифампицинустойчивые изоляты в Новосибирске, входящие в кластера
В, G и М, по ряду генетических признаков относятся к Пекинским штаммам.
1,13%
?5,ДВСЈ ft
Ј3,83%
2.95%
5,93%
1.77%
1.Ш 1/7%
3,STX
4.12%
47%
Іій)
19.4% (1.7 IK 131 IS
?,3?.4I.M.Jo.+5.J7.SJ. Юі.' 103.112.113.123. IS . СТ. ІЭЭ 133, 131,13?, 1С. IJ3. 1+3.1С 157. 13, t i l , К . V35. /
;,аэ% 2,35?
1,Ш 3.5Я
33,83?
40,€%
0,53%
33,2*%
j fP D
О S3?.
і К,», І І , ; І ,К,».З; ,Ж, ess,», ei.«.c<.«:,ffi.67.*ii.::.;5,;4.eo.s:. а,? і ,я,»,еі ,«4і ,«,м,»: , га, т . кг.іи.і іб. і г . і із.па.іг, i:t. I», CS.IS.IS, I», |И,І»,Ш.1И, 11*. 131.1С 155. l#. K». 163.161. I*. .кт.е*. IT;. Z?.s
• # H
+ И.Г7.»,
Cr.3i3J.3C!
1й 'iN
t lT'iD
DM
p
(B.r , I ? ; . I : I ' ) R
a.;o.;;.7'.j.j*,tOT
{JS S. 121 ) W
Рисунок 8. Сводное филогенетическое древо 170 изолятов М. tuberculosis, циркулирующих в г. Новосибирске. Латинскими буквами справа обозначены генотипы изолятов, В процентах на ветвях древа указан процент гомологии между изолятами, находящимися в ветви.
16
Исследование механизмов возникновения и распространения МЛУштаммов
М. tuberculosis
Увеличение доли резистентных изолятов М. tuberculosis среди циркулирующих
штаммов может происходить либо в результате селекции устойчивых мутантов при
лечении, либо при инфицировании устойчивыми штаммами. При преобладании
селекционного механизма следует ожидать равномерного распределения мутаций
Ser531^Leu (ген гроВ) среди кластеров изолятов М. tuberculosis. В случае
преобладания инфицирования устойчивыми мутантами М. tuberculosis, должны
выделяться некоторые кластеры, в которых доля штаммов с данными мутациями
будет статистически достоверно выше.
Для определения механизмов распространения МЛУштаммов М. tuberculosis
нами было проанализировано распределение частоты встречаемости мутаций в генах
гроВ среди генотипов, выявленных при анализе 170 изолятов из Новосибирска.
Достоверность различия частот встречаемости мутаций в различных кластерах
оценивали по критерию хиквадрат.
В результате анализа достоверности различия частот появления мутации
Ser531 >Leu в гене гроВ в популяции больных из Новосибирска, установлено:
частота появления мутации среди кластеризующихся штаммов М. tuberculosis
(66,7%, кластер ABCDEFGHI, рис. 8.) достоверно выше, чем частота у
некластеризующихся изолятов (35,9%, кластер JKLMNOPQRSTUVWXYZ, рис. 8.),
устойчивых к рифампицину (критерий хиквадрат, Р=0,05);
в кластере G встречаемость данной мутации достоверно выше, чем в среднем
по выборке 75% (критерий хиквадрат, Р=0,001);
в кластере В частота мутации Ser53ILeu достоверно не отличается от средних
значений по выборке (хиквадрат, Р=0,45). Аналогично и для остальных
малочисленных кластеров.
Следовательно, мутация Ser531Leu в гене гроВ встречается у изолятов всех
идентифицированных генотипов, однако намного чаще в кластере G. Такой характер
распределения мутации согласуется с предположением о доминировании
распространения, а не селекции, в формировании популяции рифампицин
17
устойчивых изолятов и мы можем предположить, что штаммы М. tuberculosis из этого
кластера ранее приобрели маркерную мутацию резистентности к рифампицину и
теперь активно распространяются в популяции города Новосибирска.
Популяционное исследование лекарственноустойчивого туберкулеза в
Новосибирской области
Генотипирование выборки методом IS6110 ПДРФ
Для оценки генетического разнообразия штаммов М. tuberculosis в
Новосибирской области была создана рандомизированная выборка из 230 изолятов,
из которой в результате генотипирования удалось проанализировать 173 изолята,
По полученным результатам типирования с использованием критерия UPGMA и
метода объединения ближайших соседей было построено древо филогенетического
родства штаммов М. tuberculosis, (рис. 9).
Рисунок 9. Распределение типов лекарственной устойчивости по кластерам ПДРФ древа. Черными квадратами показаны устойчивость штамма к противотуберкулезному препарату. В первой строке устойчивость к изониазиду, во второй к рифампицину, в третьей к стрептомицину, в четвертой к канамицину, в пятой к этамбутолу, в шестой к протиопамиду. Красным цветом отмечено расположение на древе генотипов с МЛУ. Желтым отмечен кластер МЛУштаммов.
Было выявлено 157 генотипов. 24% изолятов кластеризованы. Ветвь № 2,
образована штаммами, имеющими типичный для штаммов Beijing ПДРФ профиль.
В среднем по выборке встречаемость МЛУштаммов равна 21,4%. В составе ветви
№2, был выявлен кластер с содержанием в нем МЛУштаммов 60,7%. Генотип этого
кластера статистически значимо чаще ассоциирован с множественной лекарственной
устойчивостью (р<0,00001, по критерию хиквадрат).
18
Генотипирование выборки методом VNTR
Чтобы проверить, не являются ли обнаруженные нами кластеры на древе
генетически неоднородными, мы воспользовались вторым методом генотипирования
по 12 MIRU и 3 ETR локусов дополнительно. В результате было построено
филогенетическое древо (рис. 10.).
Рисунок 10. Распределение штаммов с множественной лекарственной устойчивостью по ветвям VNTR древа. Черными квадратами показаны устойчивость штамма к противотуберкулезному препарату. В первой строке устойчивость к изониазиду, во второй к рифампицину. в третьей к стрептомицину, в четвертой к канамицину, в пятой к этамбутолу, в шестой к протионамиду. Красным цветом отмечено расположение на древе генотипов с МЛУ. Желтым отмечен кластер МЛУштаммов.
В популяции было выявлено 117 генотипов. 32% изолятов кластеризовано.
Древо содержит 17 кластеров. В результате распределения были выявлены 2 кластера
в древе, в которых встречаемость МЛУштаммов статистически значимо отличалась
от среднего по выборке.
Кластер, в который входят VNTR генотипы 2023325183[524|Іли334524 (индексами
обозначены возможные значения кода в данном локусе) содержит 71,4% штаммов с
множественной лекарственной устойчивостью. Среднее по выборке содержание
МЛУштаммов 21,4%. Частота встречаемости МЛУ в этом кластере значимо
отличается от среднего (р<0,00001, по критерию хиквадрат).
Второй кластер генотип 223325177535424. В этом кластере содержится 75%
штаммов с МЛУ, что более чем в 3 раза превышает среднее значение по всей выборке
(р<0,00001, по критерию хиквадрат).
19
Таким образом, наличие данных генотипов позволяет ожидать с вероятностью
0,71 или 0,75 соответственно у клинических изолятов наличие множественной
лекарственной устойчивости.
Выявление штаммов Beijing сполиготипированием
Для оценки наличия в исследуемой выборке штаммов Beijing, были случайным
образом отобраны 24 изолята и определены их сполиготипы. Было показано, что 18
изолятов относятся к группе Пекинских штаммов, а 6 нет. Изучая расположение
Пекинских и не Пекинских штаммов на ветвях дендрограммы было установлено, что
ветвь №2 в IS6110 ПДРФ древе и ветви №2 и 4 в VNTR древе, скорее всего, состоят
из Пекинских штаммов.
Ранее выявленные нами кластеры с высоким содержанием МЛУ (71 и 75% по
VNTR, или 60,7% по ІБбПОПДРФ) также входят в ветви, сформированные
Пекинскими штаммами.
Мы не обнаружили достоверного различия между частотами встречаемости
МЛУ у Пекинских и остальных штаммов. Тем не менее, Пекинские штаммы
неоднородны и в них есть генотипы, однозначно ассоциированные с высоким
уровнем МЛУизолятов в них.
Анализ выборки двумя методами генотипирования одновременно
В работе были использованы VNTR и IS6110 ПДРФ: эти методы оценивают
вариабельность разных участков генома, а значит, построение филогенетического
древа по результатам обоих методов увеличит дискриминирующую силу анализа.
При построении древа использовался пакет Bionumerics (Applied Math) и
статистические веса результатов обоих методов генотипирования считались
равнозначными. В результате исследуемая выборка разбилась на 5 ветвей (рис. 11.).
Анализ распределения изолятов с установленными сполиготипами по ПДРФ
VNTR древу выявил, что ветвь №2 (рис. П.), которая содержала 83 изолята (48%),
видимо, образована Пекинскими штаммами.
20
Рисунок 11. Распределение лекарственной устойчивости и места жительства по ветвям ПДРФVNTR древа. Черными квадратами показаны устойчивость штамма к противотуберкулезному препарату. В первой строке устойчивость к изониазиду, во второй к рифампицину, в третьей к стрептомицину, в четвертой к канамицину, в пятой к этамбутолу, в шестой к протионамиду. Красным цветом отмечено расположение на древе генотипов с МЛУ. Желтым отмечен кластер МЛУштаммов. Светлосиним цветом помечены изоляты, совпавшие по генотипу, профилю лекарственной устойчивости и району проживания.
Исследование распределения лекарственной устойчивости по ветвям
объединенного дерева позволило выявить две ветви, в которых уровень МЛУ был
статистически выше, чем в среднем по выборке (89% и 100%, критерий хиквадрат,
р<0,00001). В этих ветвях относительная доля МЛУштаммов была выше, чем в
аналогичных ветвях, выявленных IS6110 или VNTRметодами.
Таким образом, для штаммов М. tuberculosis, циркулирующих в Новосибирской
области, недостаточно использовать для исследования эпидемиологических связей
только один метод типирования. Необходимо применять не менее двух методов
генотипирования, использующих разные системы маркеров, и учитывать
дополнительную информацию (место проживание больного, спектр лекарственной
устойчивости и т.п.).
21
Выводы:
1. Установлено, что в 86% образцов чистых культур М. tuberculosis результаты
определения устойчивости «ТБбиочипом» совпадают с результатами
определения микробиологическим методом.
2. Показано, что «ТБбиочип» может быть использован для выявления МЛУ
штаммов, так как 91% изолятов, устойчивых к рифампицину, также
резистентен и к изониазиду.
3. Усовершенствована технология использования биочипа за счет совмещения
двух последовательных стадий ПЦР в одной пробирке, многократной
регенерации, позволяющая значительно удешевить процесс.
4. В ходе изучения механизмов возникновения и распространения МЛУ
штаммов М. tuberculosis молекулярногенетическими методами
установлено, что устойчивые изоляты селектировались в ходе лечения и к
20012003 гг получили значительное распространение среди населения
Новосибирской области, где сформировали очаги заболеваемости МЛУ
формами туберкулеза.
5. Различными методами типирования установлено, что в Новосибирской
области доминируют штаммы Пекинского семейства, и их доля превышает
48%.
6. Выяснено, что Пекинские штаммы, циркулирующие в Новосибирской
области, генетически неоднородны. Впервые комбинацией двух методов
генотипирования IS6110 и VNTR среди Пекинских штаммов выявлены
две генетических группы, в которых частота встречаемости МЛУ (89 и
100% соответственно) была достоверно выше, чем в среднем по выборке.
7. Показано, что для выявления эпидемиологических связей между больными
недостаточно использовать только один из методов генотипирования. В
Новосибирской области комбинация IS6110 и MIRU дает достаточное
разрешение для определения эпидемиологических связей между
конкретными больными.
22
Список статей, опубликованных по теме диссертации:
1. Мокеева А.В., Орешкова С.Ф., Попова А.Г., Сивков А.Ю., Туманов Ю.В.,
Азаев М.Ш., Татьков СИ., Ильичев А.А. // Генетический полиморфизм клинических
штаммов микобактерий туберкулеза, циркулирующих на территории Новосибирской
области, Вестник РАМН, №1, 2005. с.2023.
2. Татьков СИ., Норкина О.В., Филипенко М.Л., Сивков А.Ю., Болдырев А.Н.,
Азаев М.Ш., Киншт В.Н., Курунов Ю.Н., Краснов В.А., Медведева Е.В.,
Баранова О.И., ИвлевДунтау А.П., Боднев С.А., Блинова Л.Н., Пасечников А.Д. //
Молекулярногенетическая характеристика устойчивых к рифампицину и/или
изониазиду изолятов Mycobacterium tuberculosis, выделенных в Новосибирской и
Томской областях, Вестник РАМН, №7,2005, с. 2636.
3. Сивков А.Ю., Болдырев А.Н., Азаев М.Ш., Боднев С.А., Медведева Е.В., Баранова
О.И., ИвлевДунтау А.П., Блинова Л.Н., Пасечников А.Д., Татьков СИ //
Определение причин распространения MDRштаммов на основе анализа популяции
рифампицин и/или изониазидустойчивых изолятов М. tuberculosis. Молекулярная
генетика, микробиология и вирусология, №2,2006, с. 2025.
4. Татьков СИ., Сивков А.Ю., Болдырев А.Н., Смирнова О.Ю., Туманов Ю.В.,
Медведева Е.В., ИвлевДунтау А.П., Стрелис А.К., Новицкий В.В., Уразова О.И.,
Воронкова О.В. // Результаты применения биочипов для определения лекарственной
устойчивости М. tuberculosis в Новосибирской и Томской областях. Молекулярная
генетика, микробиология и вирусология, №4, 2007, с. 915.
5. Воронкова О.В., Новицкий В.В., Уразова О.И., Татьков СИ., Сивков А.Ю.,
Рябова Е.А., Хасанова P.P. // Генетическая гетерогенность штаммов М. tuberculosis,
циркулирующих на территории Томской области. Эпидемиология и
Вакцинопрофилактика, №2,2007, с. 2127.
Список патентов, оформленных по теме диссертации:
Болдырев А.Н. Сивков А.Ю. Татьков СИ. Способ регенерации нуклеотидных
биочипов. Патент № 2270870 от 25.12.2003
23
Доклады и тезисы конференций:
1. Сивков А.Ю., Болдырев А.Н., Татьков СИ. Анализ популяции рифампицин
устойчивых изолятов М. tuberculosis модифицированным методом определения
мутаций в гене гроВ с помощью биочипов. Труды конф. «Межрегиональная
научная конференция посвященная 100летию со дня рождения академика АМН
СССР СП. Карпова», Томск 710 октября 2003 г.
2. Сивков А.Ю., Цильковская И.В., Болдырев А.Н., Татьков СИ. Исследование
филогенетических связей между изолятами М. tuberculosis в г. Новосибирске с
помощью метода обратной IS6110 ПЦР. Труды конф. «Межрегиональная научная
конференция посвященная 100летию со дня рождения академика АМН СССР
СП. Карпова», Томск 710 октября 2003 г.
3. Болдырев А.Н., Сивков А.Ю., Туманов Ю.В., Татьков СИ. Использование
полимеразной цепной реакции для одновременного определения
инфицированное™ пациента туберкулезом и устойчивости к рифампицину. Труды
конф. «Межрегиональная научная конференция посвященная 100летию со дня
рождения академика АМН СССР СП. Карпова», Томск 710 октября 2003 г.
4. Сивков А.Ю., Болдырев А.Н., Азаев М.Ш., Медведева Е.В., Дунтау А.П., Туманов
Ю.В., Татьков СИ. Оценка эффективности применения биочипа для определения
изолятов устойчивых к рифампицину. Труды конф. «Межрегиональная научная
конференция посвященная 100летию со дня рождения академика АМН СССР
СП. Карпова», Томск 710 октября 2003 г.
5. Сивков А.Ю. Анализ популяции рифампицин устойчивых изолятов М.
tuberculosis модифицированным методом определения мутаций в гене гроВ с
помощью биочипов. XIV научная конференцияконкурс молодых ученых ГНЦ ВБ
«Вектор» 2627 июня 2003г.
6. Боднев С.А., Сивков А.Ю. Метод КбПОПЦР: Быстрый и доступный способ
эпидемиологического исследования распространения и циркуляции штаммов М.
tuberculosis. XIV научная конференцияконкурс молодых ученых ГНЦ ВБ
«Вектор» 2627 июня 2003г.
24
7. Сивков А.Ю., Болдырев А.Н., ИвлевДунтау А.П., Блинова Л.Н., Пасечников
А.Д., Татьков СИ. Система для быстрого выявления лекарственноустойчивых
изолятов М. tuberculosis с помощью биочиповой технологии. Симпозиум
«Интегративная медицина в XXI веке», Судак 2004 г.
8. С.И.Татьков, А.Н.Болдырев, А.Ю.Сивков, С.А.Боднев, Г.А.Кузьмичева,
О.Ю.Смирнова, М.Ш.Азаев, Ю.В.Туманов, А.П.Дунтау, Е.В.Медведева,
Г.М.Лисиченко, Ю.Н.Курунов, В.А.Краснов, О.И.Уразова, А.К.Стрелис,
О.В.Сурикова, М.Л.Филиппенко, Л.Н.Блинова, А.Д.Пасечников Генотипический
анализ MDRштаммов М. tuberculosis, распространенных на территории
Новосибирской и Томской областей. Международная конференция «Развитие
международного сотрудничества в области изучения инфекционных заболеваний»,
810 сентября 2004 г. ГНЦ ВБ «Вектор».
9. Sivkov A.Yu., Tatkov S.I, Evaluation oligonucleotide chips for detection rifampin and
isoniazid resistant M. tuberculosis 26lh Annual Congress of the European Society of
Mycobacteriology Istanbul, Turkey in June 2629, 2005.
10. СИ. Татьков, А.Ю. Сивков, Г.А. Кузьмичева, О.Ю. Смирнова, М.Л. Филипенко,
М.А. Рот, А.В. Свистельник, Г.М. Лисиченко, В.А. Краснов, K.D. Eisenach
Изучение разнообразия штаммов М. tuberculosis, распространенных в сельских
районах Новосибирской области, методами RFLP6110, MIRU и
сполиготипирования // Российская научнопрактическая конференция
«Генодиагностика инфекционных болезней», Новосибирская обл., санаторий
«Сосновка», 2527 октября 2005 г.
И.А.Ю. Сивков, А.Н. Болдырев, Е.В. Медведева, А.П. ИвлевДунтау, СИ. Татьков
Применение олигонуклеотидных чипов для определения штаммов М. tuberculosis,
устойчивых к рифампицину и/или изониазиду // Российская научнопрактическая
конференция «Генодиагностика инфекционных болезней», Новосибирская обл.,
санаторий «Сосновка», 2527 октября 2005 г.
12. А.Ю. Сивков, А.Н. Болдырев, Е.В. Медведева, А.П. ИвлевДунтау, Л.Н. Блинова,
СИ. Татьков Определение причин распространения MDRштаммов на основе
анализа популяции рифампицин и/или изониазидустойчивых изолятов М
tuberculosis II Российская научнопрактическая конференция «Генодиагностика 25
инфекционных болезней», Новосибирская обл., санаторий «Сосновка», 2527
октября 2005 г.
13.А.Ю. Сивков, О.Ю. Смирнова, М.Л. Филипенко, М.А. Рот, СИ. Татьков.
Исследование структуры популяции микобактерий туберкулеза в Новосибирской
области // III Российская конференция с международным участием «Проблемы
инфекционной патологии в регионах Сибири, Дальнего Востока и Крайнего
Севера», г.Новосибирск, 2729 сентября 2006 г.
14. СИ. Татьков, А.Ю. Сивков, А.Н. Болдырев, О.Ю. Смирнова, Ю.В. Туманов
Результаты применения биочипов для определения лекарственной устойчивости М.
tuberculosis в Новосибирской и Томской областях// III Российская конференция с
международным участием «Проблемы инфекционной патологии в регионах Сибири,
Дальнего Востока и Крайнего Севера», г.Новосибирск, 2729 сентября 2006 г.
15.Воронкова О.В., Новицкий В.В., Уразова О.И., Стрелис А.К., Татьков СИ.,
Сивков А.Ю., Рябова Е.А., Наследникова И.О., Колоколова О.В. Особенности
молекулярной эпидемиологии туберкулеза в Томской области // Сборник тезисов
II РоссийскоГерманской конференции форума КохаМечникова 9 1 2 сентября
2007, Томск, с.89.
16. Сивков А.Ю., Болдырев А.Н., Смирнова О.Ю., Туманов Ю.В., Татьков СИ.
Результаты применения биочипов для определения лекарственной устойчивости
М. tuberculosis в Новосибирской и Томской областях // Сборник тезисов II
РоссийскоГерманской конференции форума КохаМечникова 9 1 2 сентября
2007, Томск, с.1213.
П.Татьков СИ., Сивков А.Ю. Оценка распространенности генотипа Beijmg
микобактерий туберкулеза в Новосибирской области и его вклад в формирование
пула лекарственноустойчивых изолятов // Сборник тезисов II РоссийскоГерманской
конференции форума КохаМечникова 912 сентября 2007, Томск, с. 1415.
18. Филипенко М.Л., Рот М., Штейгер Н., Татьков СИ., Сивков А.Ю. Сравнительный
анализ различных методов идентификации штаммов Mycobacterium tuberculosis
пекинской семьи // Сборник тезисов II РоссийскоГерманской конференции
форума КохаМечникова 912 сентября 2007, Томск, с.238239.
26
Сивков Антон Юрьевич
Исследование распространенности штаммов Mycobacterium tuberculosis с
множественной лекарственной устойчивостью в Новосибирской области
Автореф. дисс. на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Подписано в печать 10.11.2008.
Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз.
Типография Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН