流行病防治进入基因组测序时代
□ 张田勘
在2011年12月出版的《科学》杂志评出的2012年最值得关注的6项科研领域中，基因组流行病学是其中之一。随着基因组测序技术的发展，研究人员已经能对所有生物的基因组进行测序，并且时间大大缩短。现在，研究人员可以对一名患者身上提取到的细菌或病毒进行全基因测序，从而根据基因组测序的信息防治某种病菌引起的疾病，或防御由微生物引起的生物恐怖袭击。
开端
对细菌的基因组测序首先要追溯到美国2001年发生的邮件寄送炭疽杆菌的生物恐怖袭击事件。2001年，美国政府进行了一项前所未有的努力，召集研究人员对炭疽杆菌进行全基因组测序，因为一系列邮件寄送的炭疽杆菌已导致5人死亡，而且这一系列生物恐怖袭击不仅在美国东海岸，也在美国全境造成了恐慌。
当时，研究人员和美国安全部门认为，要防范生物武器的攻击，就有必要了解作为生物武器的微生物的毒理作用，也因此有必要知道用来作为恐怖攻击武器的炭疽杆菌的全基因组序列。结果，研究人员的测序表明，炭疽杆菌的基因组有520万个碱基对。当时，对炭疽杆菌基因组的测序花费了50万美元。此后，测序费用就下降了两到三个数量级，现在只需要不到500美元就能对炭疽杆菌的全基因组进行测序。
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现在，基因测序机的测序速度变得更快，体积更小，也更便宜，已经可以从大的研究中心进入寻常的诊所和小实验室。随着技术手段的改进，基因组流行病学家认为，现在可以在全球追踪微生物的动向了。这样做有许多好处：通过对细菌样本的常规测序，科学家可以更快地确定新病菌流行的源头，也可以知道一种细菌是否耐受抗菌药物，同时能够调查公共政策或使用特定的药物如何改变微生物进化的过程。
尝试
利用基因组测序在今天防治流行病，尤其是突发性流行病已经有了成功的尝试。
2010年1月，英国威康信托桑格研究所的研究人员证明，通过对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)基因组的测序和比较，研究人员能够追踪到这种危险病原菌的全球蔓延，并证明这种细菌20世纪60年代曾在欧洲出现过，同时也发现它首先是在泰国的一所医院传播的。
对某些微生物的基因组测序还可以提供一些实时信息，以帮助临床医生有效地治疗某种流行病或防范生物恐怖袭击。这方面最成功的实例是2011年5月德国出现由肠出血性大肠杆菌(EHEC)引发的溶血性尿毒综合征(HUS)，这一事件被称为“德国毒黄瓜”事件。德国突然发生大量的HUS病患后，德国明斯特大学的达格·哈姆森(Dag Harmsen)研究小组请求中国深圳华大基因研究院对德国EHEC进行基因组测序，希望中德两国研究人员联手破解病原体的来源和毒力，从而找到有效的防治措施。
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2011年5月30日，深圳华大基因研究院获得病菌样本，采用最先进的第三代测序仪做主要分析，同时用第二代测序仪做补充分析和验证，仅用3天时间，就在网站上公布了基因组分析结果：该菌株属于血清型O104H4，与2002年从中非艾滋病患者腹泻标本中分离的肠出血性大肠杆菌EAEC O104H4 55989菌株的同源性超过93%。另外，通过基因序列比较发现，2011年德国的O104H4菌株与2001年欧洲菌株01-09591和2002年中非菌株55989等菌株具有7个完全相同的核心基因。因此推测，2001年的欧洲分离株很有可能是这次爆发菌株的直接祖先。另一方面，抗生素抗性试验结果表明，经过10年的进化，德国2011年的菌株对至少8种抗生素可能产生耐药性。O104H4型菌株属于耐药菌，但和超级细菌有很大不同，后者对目前几乎所有的抗生素耐药，但O104H4型菌株只是携带了较多的、能抵抗不同抗生素的耐药基因。这些分析结果对治疗药物的筛选起到了很大的帮助。
另一方面，治疗这种疾病的前提是诊断，通过基因组测序，德国和中国研究人员也开展了针对该大肠杆菌的诊断试剂盒的研发。2011年6月7日，华大基因研究院就在其网站上提供了大肠杆菌检测方法的免费链接。这种诊断试剂盒能让医务人员在2~3个小时内就获得样品诊断结果，确定病菌，再结合临床症状，从而确诊HUS。
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探索
2011年8月，25名科学家聚会于比利时首都布鲁塞尔，进行了两天的交流，探讨如何尽最大的努力进行微生物的基因组测序，以及这种测序将会为人类带来多大的益处。与会者认为，世界需要一个全球系统以分享和探明微生物的基因组资料，这个系统大约需要5~10年的时间就可以运行，但是也存在一些巨大的障碍。
首先是，需要建立一个过去历史上所有致病微生物的基因组库，以进行对比。但是，这是一个非常艰巨庞大的工作。英国桑格研究所最近建成了一部分细菌基因组资料库，其中包括历史上造成人类肺炎的300种克雷伯氏菌肺炎细菌菌株的资料。这一基因组资料库对帮助人们战胜克雷伯氏菌肺炎起到了重要作用。
就在德国发生溶血性尿毒综合征之后几周，荷兰鹿特丹一所医院爆发了克雷伯氏菌肺炎。德国明斯特大学的达格·哈姆森实验室正是对荷兰的克雷伯氏菌肺炎进行测序后，再把它与桑格研究所建立的300种克雷伯氏菌肺炎细菌菌株的资料进行对比，才发现了荷兰引发克雷伯氏菌肺炎的细菌菌株是Oxa48，而且它几乎对所有抗生素耐药。不过好在这种细菌还对一种较老的在今天已很少使用的抗生素——黏菌素敏感，但该药对肾有较大的毒性。这个结果有效地指导了荷兰各地的医院对入院患者进行病原菌检测，从而帮助医生确诊和使用有效药物。
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其次，建立全球微生物基因组库和进行微生物的基因组测序还存在技术标准的统一与兼容问题。例如，目前海地正在流行霍乱，研究人员搜集了海地患者的霍乱弧菌，送到美国的几家实验室进行基因组测序，结果证明，传染源来自尼泊尔的联合国维和部队士兵。但是，美国北亚利桑那大学的凯姆也对24种尼泊尔霍乱菌株进行了基因组测序，结果却不能与美国哈佛大学研究组对海地霍乱菌株进行的测序相对比，因为他们使用的是不同的测序机，这也造成了原始资料的不匹配。
微生物基因组测序在防治流行病中的最大优点是快速，因此，需要研发更快的测序技术。德国发生HUS后对病原菌测序时，中国研究人员采用了第三代测序仪Ion Torrent，其特点是产生数据速度快。第二代测试仪得出数据大概需要一周左右，但第三代只需要几个小时。正因为如此，华大基因研究院比德国明斯特大学医院卫生研究所还要早半天就测出了O104H4型菌株的基因组。
基因组流行病学要取得实际效果还必须让临床医护人员参与进来，否则就不可能获得病原体的样本，也不可能对病原体进行基因组测序。例如，尽管研究人员对海地霍乱的菌株进行了基因组测序，但是提取流行菌株却相当耗时，对尼泊尔士兵携带的霍乱弧菌的采样就花费了几个月的时间。这也意味着，对临床医护人员培训生物技术相当重要。
基因组流行病学还需要信息技术作为其有力的技术支持。丹麦政府已拨款600万欧元给丹麦技术大学基因组流行病学中心和其他机构，以建立一个数据分享平台，现在这个数据库已经能提供多种病原体的种类和类型的信息。
只要能解决上述问题并接受这些挑战，基因组流行病学未来的前景将更为广阔。研究人员不仅可以对导致目前疾病的病原菌进行基因组测序，而且可以将其与历史上出现的同类病原菌予以对比，以发现其毒性、致病性、对药物的敏感性，从而帮助医生找到更好更快的治疗方法，造福于患者和全社会。, 百拇医药
在2011年12月出版的《科学》杂志评出的2012年最值得关注的6项科研领域中，基因组流行病学是其中之一。随着基因组测序技术的发展，研究人员已经能对所有生物的基因组进行测序，并且时间大大缩短。现在，研究人员可以对一名患者身上提取到的细菌或病毒进行全基因测序，从而根据基因组测序的信息防治某种病菌引起的疾病，或防御由微生物引起的生物恐怖袭击。
开端
对细菌的基因组测序首先要追溯到美国2001年发生的邮件寄送炭疽杆菌的生物恐怖袭击事件。2001年，美国政府进行了一项前所未有的努力，召集研究人员对炭疽杆菌进行全基因组测序，因为一系列邮件寄送的炭疽杆菌已导致5人死亡，而且这一系列生物恐怖袭击不仅在美国东海岸，也在美国全境造成了恐慌。
当时，研究人员和美国安全部门认为，要防范生物武器的攻击，就有必要了解作为生物武器的微生物的毒理作用，也因此有必要知道用来作为恐怖攻击武器的炭疽杆菌的全基因组序列。结果，研究人员的测序表明，炭疽杆菌的基因组有520万个碱基对。当时，对炭疽杆菌基因组的测序花费了50万美元。此后，测序费用就下降了两到三个数量级，现在只需要不到500美元就能对炭疽杆菌的全基因组进行测序。
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现在，基因测序机的测序速度变得更快，体积更小，也更便宜，已经可以从大的研究中心进入寻常的诊所和小实验室。随着技术手段的改进，基因组流行病学家认为，现在可以在全球追踪微生物的动向了。这样做有许多好处：通过对细菌样本的常规测序，科学家可以更快地确定新病菌流行的源头，也可以知道一种细菌是否耐受抗菌药物，同时能够调查公共政策或使用特定的药物如何改变微生物进化的过程。
尝试
利用基因组测序在今天防治流行病，尤其是突发性流行病已经有了成功的尝试。
2010年1月，英国威康信托桑格研究所的研究人员证明，通过对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)基因组的测序和比较，研究人员能够追踪到这种危险病原菌的全球蔓延，并证明这种细菌20世纪60年代曾在欧洲出现过，同时也发现它首先是在泰国的一所医院传播的。
对某些微生物的基因组测序还可以提供一些实时信息，以帮助临床医生有效地治疗某种流行病或防范生物恐怖袭击。这方面最成功的实例是2011年5月德国出现由肠出血性大肠杆菌(EHEC)引发的溶血性尿毒综合征(HUS)，这一事件被称为“德国毒黄瓜”事件。德国突然发生大量的HUS病患后，德国明斯特大学的达格·哈姆森(Dag Harmsen)研究小组请求中国深圳华大基因研究院对德国EHEC进行基因组测序，希望中德两国研究人员联手破解病原体的来源和毒力，从而找到有效的防治措施。
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2011年5月30日，深圳华大基因研究院获得病菌样本，采用最先进的第三代测序仪做主要分析，同时用第二代测序仪做补充分析和验证，仅用3天时间，就在网站上公布了基因组分析结果：该菌株属于血清型O104H4，与2002年从中非艾滋病患者腹泻标本中分离的肠出血性大肠杆菌EAEC O104H4 55989菌株的同源性超过93%。另外，通过基因序列比较发现，2011年德国的O104H4菌株与2001年欧洲菌株01-09591和2002年中非菌株55989等菌株具有7个完全相同的核心基因。因此推测，2001年的欧洲分离株很有可能是这次爆发菌株的直接祖先。另一方面，抗生素抗性试验结果表明，经过10年的进化，德国2011年的菌株对至少8种抗生素可能产生耐药性。O104H4型菌株属于耐药菌，但和超级细菌有很大不同，后者对目前几乎所有的抗生素耐药，但O104H4型菌株只是携带了较多的、能抵抗不同抗生素的耐药基因。这些分析结果对治疗药物的筛选起到了很大的帮助。
另一方面，治疗这种疾病的前提是诊断，通过基因组测序，德国和中国研究人员也开展了针对该大肠杆菌的诊断试剂盒的研发。2011年6月7日，华大基因研究院就在其网站上提供了大肠杆菌检测方法的免费链接。这种诊断试剂盒能让医务人员在2~3个小时内就获得样品诊断结果，确定病菌，再结合临床症状，从而确诊HUS。
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2011年8月，25名科学家聚会于比利时首都布鲁塞尔，进行了两天的交流，探讨如何尽最大的努力进行微生物的基因组测序，以及这种测序将会为人类带来多大的益处。与会者认为，世界需要一个全球系统以分享和探明微生物的基因组资料，这个系统大约需要5~10年的时间就可以运行，但是也存在一些巨大的障碍。
首先是，需要建立一个过去历史上所有致病微生物的基因组库，以进行对比。但是，这是一个非常艰巨庞大的工作。英国桑格研究所最近建成了一部分细菌基因组资料库，其中包括历史上造成人类肺炎的300种克雷伯氏菌肺炎细菌菌株的资料。这一基因组资料库对帮助人们战胜克雷伯氏菌肺炎起到了重要作用。
就在德国发生溶血性尿毒综合征之后几周，荷兰鹿特丹一所医院爆发了克雷伯氏菌肺炎。德国明斯特大学的达格·哈姆森实验室正是对荷兰的克雷伯氏菌肺炎进行测序后，再把它与桑格研究所建立的300种克雷伯氏菌肺炎细菌菌株的资料进行对比，才发现了荷兰引发克雷伯氏菌肺炎的细菌菌株是Oxa48，而且它几乎对所有抗生素耐药。不过好在这种细菌还对一种较老的在今天已很少使用的抗生素——黏菌素敏感，但该药对肾有较大的毒性。这个结果有效地指导了荷兰各地的医院对入院患者进行病原菌检测，从而帮助医生确诊和使用有效药物。
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其次，建立全球微生物基因组库和进行微生物的基因组测序还存在技术标准的统一与兼容问题。例如，目前海地正在流行霍乱，研究人员搜集了海地患者的霍乱弧菌，送到美国的几家实验室进行基因组测序，结果证明，传染源来自尼泊尔的联合国维和部队士兵。但是，美国北亚利桑那大学的凯姆也对24种尼泊尔霍乱菌株进行了基因组测序，结果却不能与美国哈佛大学研究组对海地霍乱菌株进行的测序相对比，因为他们使用的是不同的测序机，这也造成了原始资料的不匹配。
微生物基因组测序在防治流行病中的最大优点是快速，因此，需要研发更快的测序技术。德国发生HUS后对病原菌测序时，中国研究人员采用了第三代测序仪Ion Torrent，其特点是产生数据速度快。第二代测试仪得出数据大概需要一周左右，但第三代只需要几个小时。正因为如此，华大基因研究院比德国明斯特大学医院卫生研究所还要早半天就测出了O104H4型菌株的基因组。
基因组流行病学要取得实际效果还必须让临床医护人员参与进来，否则就不可能获得病原体的样本，也不可能对病原体进行基因组测序。例如，尽管研究人员对海地霍乱的菌株进行了基因组测序，但是提取流行菌株却相当耗时，对尼泊尔士兵携带的霍乱弧菌的采样就花费了几个月的时间。这也意味着，对临床医护人员培训生物技术相当重要。
基因组流行病学还需要信息技术作为其有力的技术支持。丹麦政府已拨款600万欧元给丹麦技术大学基因组流行病学中心和其他机构，以建立一个数据分享平台，现在这个数据库已经能提供多种病原体的种类和类型的信息。
只要能解决上述问题并接受这些挑战，基因组流行病学未来的前景将更为广阔。研究人员不仅可以对导致目前疾病的病原菌进行基因组测序，而且可以将其与历史上出现的同类病原菌予以对比，以发现其毒性、致病性、对药物的敏感性，从而帮助医生找到更好更快的治疗方法，造福于患者和全社会。, 百拇医药