Начало всему положило то, что трехлетняя дочь Кристофера Мейсона облизала столб в метро.
Как и любой родитель, он был в ужасе, но в то же время ему стало любопытно: какие микробы могут прицепиться к металлической трубе, за которую каждый день хватаются бесчисленные пассажиры?
Мейсон, генетик из Weill Cornell Medicine, вскоре стал одержим этим вопросом. Мерзкая интермедия его малыша вдохновила его на путешествие, чтобы открыть мир бактерий, грибков и вирусов, живущих вместе с более чем 8 миллионами людей в городских джунглях Нью-Йорка.
В 2013 году он запустил проект, в рамках которого отправил небольшую армию студентов с рюкзаками, набитыми латексными перчатками, пробирками и стерильными кончиками пальцев. Они обследовали турникеты, скамейки и киоски на каждой открытой остановке метро в городе. Это была экспедиция в практически неизведанную местность, подобную Марсу или глубоководному каньону, кишащую знакомыми и неизвестными формами жизни.
Мазки брали так называемую экологическую ДНК, или эДНК, представляющую собой набор клеток, которые все люди, животные и микроорганизмы естественным образом сбрасывают в процессе своей повседневной жизни, оставляя генетические отпечатки. Постепенно ученые подсчитали и нанесли на карту невиданное биологическое разнообразие - микробиом всего города. В 2015 году они сообщили, что обнаружили более 1600 различных типов микробов, почти половина из которых была известна науке ранее. Большинство из них были безвредными, связанными с кожей и желудочно-кишечным трактом человека. Около 12 процентов были известными патогенами, включая фрагменты геномов, схожие с бубонной чумой и сибирской язвой, хотя не было никаких доказательств того, что эти маленькие кусочки могут вызвать у кого-то болезнь. Никаких новых смертельных вирусов, скрывающихся в нью-йоркской подземке, ученые пока не обнаружили.
Четыре года спустя, в конце 2019 года, Мейсон и его коллеги начали слышать о загадочной болезни, похожей на пневмонию, циркулирующей в Китае. "Мы не сразу забеспокоились, - говорит он, - но к январю стало ясно, что она перебралась через океан и распространяется". Внезапно мазки, взятые в метро, превратились в передовых работников, следящих за присутствием Covid-19 не только в транспортных системах, но и в больницах, и в сточных водах. "У нас появилось новое медицинское направление, - говорит Мейсон, - с протоколами и инструментами, которые можно было применять где угодно".
Сегодня от Covid-19 погибло около 80 000 жителей Нью-Йорка, почти 1,2 миллиона американцев и около 7 миллионов человек по всему миру. Пандемия послужила толчком к разработке новых технологий, позволяющих ученым быстро определять характеристики организмов, оставляющих генетический след в окружающей среде. Подобно тому, как ураганы, разрушающие города, послужили толчком для инноваций в области метеонаблюдения и строительства, пандемия способствовала развитию науки о поиске патогенов.
За последние 15 лет область исследований эДНК стала очень обширной благодаря развитию секвенирования, вычислительных технологий и метагеномики - изучения ДНК множества организмов. Теперь ученые по всему миру могут взять пробу из чашки с грязью, пробирки с водой или даже глотка воздуха и исследовать эДНК тысяч видов микроорганизмов. И хотя в целом эта область сталкивается с проблемами конфиденциальности и техническими ограничениями, многие ученые видят в ней возможность для раннего обнаружения новых патогенов. Наблюдение за сточными водами является самым передовым методом мониторинга вспышек вирусов на уровне популяции, но другие сферы не отстают. В результате работники здравоохранения становятся более подготовленными к обнаружению вспышки заболевания и быстрому принятию мер по ее сдерживанию.
Эксперты говорят, что скоро технология может стать настолько совершенной, что образец окружающей среды, например воздух, отфильтрованный в зоне повышенного риска - на рынке, в больнице, в конференц-отеле, - можно будет автоматически секвенировать в портативном устройстве, которое сообщит, присутствует ли в нем опасный патоген. Исследователи используют геномные базы данных для быстрой идентификации патогенов и других микробов. По словам Эрика Карлсона, вирусолога из Institut Pasteur du Cambodge, некоммерческого исследовательского учреждения в Камбодже, ученые близки к тому, чтобы "иметь возможность отслеживать эти зоны повышенного риска в режиме реального времени".
Нам нравится говорить: "Мы пытаемся избавиться от чиха".
Конечная цель охоты на вирусы - это система раннего предупреждения: найти патоген, который может вызвать вспышку заболевания до того, как у него появится шанс это сделать. Ключевым моментом, по словам ученых, является мониторинг зон повышенного риска, где животные и люди взаимодействуют друг с другом. Обычно такие места находятся на границе между районами проживания людей и тропическими лесами, где люди охотятся и ловят животных для еды, домашних животных и ингредиентов для лекарств, а также на рынках, где животных забивают для употребления в пищу.
"Нам нравится говорить, что мы стараемся не чихать, - говорит Карлсон, который следит за птичьим гриппом и другими патогенами на рынках живой птицы в Камбодже. Это означает, что они пытаются выявить потенциально опасные патогены до того, как они перейдут на людей или до того, как они перейдут на другой вид животных и вызовут вспышку заболевания. "Мы хотим быть в состоянии опередить это", - сказал он.
Согласно исследованиям, более 70 процентов инфекционных заболеваний, появившихся в XXI веке, включая лихорадку Эбола, ВИЧ и оспу (бывшую оспу обезьян), перешли к людям из дикой природы. Более того, за последние 80 лет значительно увеличилось количество случаев перехода зоонозных заболеваний от диких животных к человеку. Такие случаи принято называть "переливами".
Исследования показывают, что распространению болезни предшествует одно основное явление, часто происходящее в отдаленном далеком месте: вырубка леса.
Когда леса вырубаются для заготовки древесины, ведения сельского хозяйства и развития человеческого потенциала, люди, живущие и работающие на прилегающих территориях, охотятся на животных, которых используют в пищу или продают - иногда нелегально - в качестве домашних питомцев или для изготовления лекарственных препаратов. Те, кто работает с животными, могут заразиться новыми патогенами. Перейдет ли один из этих патогенов к человеку и вызовет ли вспышку заболевания, зависит от множества факторов, включая эволюцию вируса и иммунитет человека.
Лесные районы Африки и Юго-Восточной Азии, где вырубаются огромные участки ранее нетронутой дикой природы, являются одними из ведущих горячих точек для возникновения заболеваний, передающихся от животных, или зоонозов. По данным Всемирной организации здравоохранения, за последнее десятилетие число вспышек зоонозов в Африке увеличилось на 63 %. К таким вспышкам относятся Эбола, вирусные геморрагические лихорадки, денге, сибирская язва, чума и мпокс.
Эбола - одна из самых известных и страшных среди этой группы. Впервые обнаруженный в 1976 году, этот вирус убивает, поражая иммунную систему, заставляя ее работать на повышенных оборотах, повреждая стенки кровеносных сосудов настолько сильно, что артерии, вены и капилляры начинают пропускать кровь, вызывая медицинский шок и отказ органов.
Самая масштабная вспышка лихорадки Эбола началась в декабре 2013 года, когда вирус, живущий в летучей мыши, каким-то образом перекинулся на 18-месячного мальчика по имени Эмиль Уамуно в южной Гвинее. Уамуно - "нулевой пациент" - страдал от лихорадки, стула, окрашенного кровью, и рвоты. Он умер через несколько дней, а за ним последовали его мать, младшая сестра и бабушка.
Вскоре болезнь появилась в близлежащем городе Гекеду с населением около 350 000 человек, что дало сигнал мировым чиновникам здравоохранения о вспышке Эболы. В конечном итоге вспышка распространилась на Сьерра-Леоне, Либерию, Нигерию и шесть других стран, в том числе и на Соединенные Штаты, где в Далласе (штат Техас) было зарегистрировано три случая заболевания. К моменту окончания эпидемии в 2016 году от нее погибло более 11 300 человек и заразилось 28 600.
Эева Куисма - ветеринарный врач, работающий в Обществе охраны дикой природы, глобальной некоммерческой природоохранной группе. В Республике Конго она работает над расширением проекта, который может стать первой долгосрочной программой наблюдения за Эболой и другими заболеваниями, основанной на сборе образцов ДНК из лесной среды. Исследование опирается на текущую программу просвещения населения и наблюдения за заболеваниями, в рамках которой ученые посещают сельские общины, чтобы предоставить информацию об опасности вируса Эбола и других болезней, переносимых животными, и о том, как свести к минимуму риск заражения. Охотников и промысловиков призывают сообщать о замеченных в лесу тушах животных на горячую линию. К настоящему времени в программе приняли участие 5800 охотников в более чем 290 деревнях.
В рамках нового исследования, которое запускает Куисма, группы исследователей будут проводить 12 месяцев каждые пять лет, проходя систематическими трансектами по более чем 8 миллионам акров леса. По пути они будут брать образцы эДНК с туш и фекалий животных.
Образцы, представляющие широкий спектр животных, от горилл и шимпанзе до речных свиней и антилоп, проверяются на наличие Эболы и других патогенов. Куисма и ее коллеги используют последние достижения в области анализа ДНК, чтобы сравнить генетический материал с базой данных последовательностей ДНК, выявляя идентичность многих присутствующих микроорганизмов, от бактерий до патогенных микроорганизмов и вирусов.
По словам Куисмы, долгосрочные данные, полученные в ходе проекта, могут оказаться ценными для мониторинга появления Эболы или любых других патогенов на фоне больших изменений ландшафта. Одним из примеров является предлагаемый проект строительства дороги стоимостью 1,7 миллиарда долларов, соединяющей Конго, Чад и Центральноафриканскую Республику - "районы, которые до сих пор были действительно нетронутыми тропическими лесами", - сказала она.
Исследования еще только начинаются, но постоянный отбор проб окружающей среды на наличие вируса Эбола может в один прекрасный день предотвратить его распространение и спасти жизни людей. "Если у нас будут признаки, например, по фекалиям или тушам, что в популяции животных идет активная эпидемия, - говорит Куисма, - мы сможем информировать людей, предупреждать их о том, что это происходит, и обучать их не есть туши, не подбирать их, не прикасаться к ним".
В течение последнего столетия Юго-Восточная Азия была еще одним крупным очагом возникновения зоонозных заболеваний, но в последнее время риск их распространения возрос. Рост населения, вырубка лесов, изменение климата и расширение птицеводства и свиноводства привели к появлению длинного списка заболеваний, включая ближневосточный респираторный синдром, вирус Зика и высокопатогенный птичий грипп, или HPAI.
Карлсон, вирусолог в Камбодже, помогает исследователям в Пномпене собирать образцы окружающей среды в районах, где люди и животные взаимодействуют друг с другом. Если раньше исследователям приходилось вручную собирать фекалии, кровь, мочу и другие биологические образцы, то последние достижения в области быстрого генетического секвенирования позволили им выполнять свою работу быстрее и безопаснее. "Образцы окружающей среды очень, очень хороши для скорости", - говорит Карлсон. "Нам не нужно отлавливать животных. Нам не нужно получать такие же разрешения. Не нужно иметь людей, обученных обращаться с потенциально опасными животными, такими как летучие мыши и тому подобное. Вы можете выйти на природу и очень быстро получить эти образцы".
В последнее время все более доступным становится новый инструмент для поиска вирусов: отбор проб воздуха. Команда Карлссона использует воздушные фильтры, предназначенные для строителей, которые они носят на работе, или для очистки воздуха в холлах гостиниц, чтобы взять пробы на общественных рынках, где продавцы забивают, чистят и общипывают кур - зоны повышенного риска для вспышки птичьего гриппа.
В исследовании, опубликованном в марте 2023 года, ученые попросили продавцов, разбросанных по всему рынку, носить персональные пробоотборники воздуха 30 минут в день в течение недели, пока они занимаются своими делами в периоды, когда циркуляция птичьего гриппа среди домашней птицы предсказуемо высока в феврале и низка в мае. В феврале они обнаружили вирусную РНК в 100 процентах проб воздуха. По словам Карлсона, вирус уменьшался по мере удаления от места забоя кур, что подтверждает, что места забоя - это "потенциально самая опасная зона рынка", и показывает необходимость принятия таких мер, как улучшение вентиляции.
Сейчас команда Карлссона использует ручные устройства для фильтрации воздуха размером не больше кредитной карты, чтобы брать пробы на вирусы в местах, где исследователям сложно, а иногда и опасно брать мазки, например в пещерах летучих мышей. Летучие мыши являются резервуаром для широкого спектра вирусов, которые заражают людей, включая Covid-19. Они используют небольшие пробоотборники в паре с игрушечными дронами и машинами с дистанционным управлением, которые могут легко попасть в пещеру, пока ученые ждут снаружи.
Карлссон часто думает о других типах технологий, которые можно было бы использовать для пассивного, дистанционного отбора проб, и в один прекрасный день создать комплексную машину, которая сможет не только собирать пробы, но и обрабатывать их на месте. "Мы можем подключить ее к Roombaa или чему-то подобному, что будет постоянно мыть полы, а затем всасывать образец", - говорит он. "Вы видите, что вариантов много".
Питер Тилен - молекулярный биолог в Лаборатории прикладной физики Джона Хопкинса, где он руководит проектами по геномному наблюдению за вирусами, в том числе в сотрудничестве с Карлссоном. По его словам, Карлссон занял уникальное положение в зоне повышенного риска распространения заболеваний, чтобы опробовать некоторые из новейших технологий, позволяющих улучшить время реагирования на вспышки. "Возможность перенести лабораторию к образцу - именно то, что нужно", - сказал он.
Хотя некоторые ученые работают над обнаружением патогенов, парящих в воздухе, пандемия Covid-19 действительно открыла шлюзы для концепции поиска вирусов в сточных водах. Поскольку люди выделяют генетический материал вируса с калом и мочой, наблюдение за сточными водами стало одним из лучших способов отследить всплески заболеваемости, в том числе определить, в каком городском многоквартирном доме или университетском общежитии содержатся люди с Covid-19 - еще до того, как у них появятся симптомы.
Это не было новой концепцией. Наблюдение за сточными водами началось еще в середине 1800-х годов, когда британский врач Джон Сноу расследовал загадочную вспышку холеры в Лондоне. Жители называли ее "синей смертью", потому что обезвоживание, вызванное сильной диареей и рвотой, приводило к запавшим глазам, сморщенной коже и синевато-серой бледности, из-за которой пациенты были похожи на живые трупы. Многие считали, что в этом виноваты "миазмы" - зловещие облака ядовитого воздуха.
"Нам не нужно ловить животных. Нам не нужно получать такие же разрешения. Не нужно иметь людей, обученных обращаться с потенциально опасными животными, такими как летучие мыши".
Однако Сноу догадывался, что холера передается через воду. Он кропотливо составил карту случаев заболевания и в конце концов установил их происхождение от загрязненного водяного насоса на Брод-стрит в лондонском Вест-Энде. Когда он убедил местный совет снять ручку насоса, вспышка заболевания прекратилась. Сегодня Сноу считается отцом современной эпидемиологии.
В прошлом веке сточные воды стали важным инструментом мониторинга здоровья населения, в частности для отслеживания тенденций употребления наркотиков в городах и обнаружения и быстрого устранения вспышек полиомиелита. Однако еще десять лет назад в США сточные воды находились на грани широкого применения, когда ученый из Агентства по охране окружающей среды предложил создать общенациональную систему мониторинга здоровья населения. Тогда он не смог никого поддержать эту идею.
В сентябре 2020 года Центры по контролю и профилактике заболеваний наконец запустили первую в стране Национальную систему наблюдения за сточными водами, которая собирает и исследует образцы сточных вод, поступающих на очистные сооружения, и сообщает о результатах в ЦКЗ, чтобы помочь принять меры на местах. Однако к тому времени от Covid-19 умерло более 200 000 американцев. Если бы система наблюдения была запущена, когда вирус только появился в США, его можно было бы обнаружить гораздо раньше, говорит Мейсон, генетик из Weill Cornell Medicine. "Мы бы сразу же, в течение дня или двух, узнали, где появляется вирус".
Сточные воды продолжают давать важную информацию о том, где циркулирует вирус и каков риск заражения населения, особенно сейчас, когда на смену клиническим анализам пришли легкодоступные домашние наборы для тестирования. Это также помогает сотрудникам здравоохранения отслеживать появление и распространение новых вариантов Covid-19 по мере их появления.
"Официально мы вышли из пандемии, но у нас все еще есть циркулирующие вирусы, поэтому интересно то, что мы можем наблюдать их в сточных водах, - сказал Мейсон. Если численность вируса резко возрастет, как это произошло недавно в начале сентября 2023 года - до уровня конца 2020 года, - чиновники здравоохранения смогут предупредить население о необходимости принять меры предосторожности, чтобы минимизировать воздействие вируса, например, носить маски, мыть руки и дистанцироваться от общества. "Хорошо, что большинство людей либо привиты, либо уже инфицированы, либо и то, и другое", - добавил Мейсон.
По словам экспертов, ресурсы, потраченные на создание инфраструктуры для наблюдения за патогенами в сточных водах, позволили стране лучше выявлять и реагировать на другие угрозы здоровью, включая устойчивость к антибиотикам, заболевания, передающиеся через пищевые продукты, оспу и респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), но программа еще молода, и существуют некоторые этические проблемы и проблемы конфиденциальности.
Проверить сточные воды гораздо дешевле и эффективнее по времени, чем брать мазки у сотен людей или делать анализ крови, но сточные воды в значительной степени не регулируются с точки зрения конфиденциальности. Какие права есть у людей на то, что они смывают и что с этим делают, крайне неясно. Национальная академия наук США недавно опубликовала доклад, в котором подробно описаны способы, с помощью которых национальная система наблюдения за сточными водами должна обеспечить достаточный надзор для защиты прав на неприкосновенность частной жизни и одновременно развиваться, чтобы контролировать большее количество сообществ, отслеживать несколько патогенов одновременно и переключать внимание на возникающие угрозы в случае всплеска патогенов.
"Я люблю шутить и говорю, что каждый раз, когда в туалете спускают воду и никто не берет пробу, где-то плачет эпидемиолог", - сказал Мейсон, смеясь. "Количество информации, содержащейся в каждом кусочке сточных вод, необычайно велико. Я думаю, мы только начинаем ее использовать".
По словам экспертов, ресурсы, потраченные на создание инфраструктуры для наблюдения за патогенами в сточных водах, позволили стране лучше выявлять и реагировать на другие угрозы здоровью, включая устойчивость к антибиотикам, заболевания, передающиеся через пищевые продукты, оспу и респираторно-синцитиальный вирус (РСВ), но программа еще молода, и существуют некоторые этические проблемы и проблемы конфиденциальности.
Проверить сточные воды гораздо дешевле и эффективнее по времени, чем брать мазки у сотен людей или делать анализ крови, но сточные воды в значительной степени не регулируются с точки зрения конфиденциальности. Какие права есть у людей на то, что они смывают и что с этим делают, крайне неясно. Национальная академия наук США недавно опубликовала доклад, в котором подробно описаны способы, с помощью которых национальная система наблюдения за сточными водами должна обеспечить достаточный надзор для защиты прав на неприкосновенность частной жизни и одновременно развиваться, чтобы контролировать большее количество сообществ, отслеживать несколько патогенов одновременно и переключать внимание на возникающие угрозы в случае всплеска патогенов.
"Я люблю шутить и говорю, что каждый раз, когда в туалете спускают воду и никто не берет пробу, где-то плачет эпидемиолог", - сказал Мейсон, смеясь. "Количество информации, содержащейся в каждом кусочке сточных вод, необычайно велико. Я думаю, мы только начинаем ее использовать".
Работа Мейсона по составлению карты микробиома Нью-Йорка побудила исследователей со всего мира связаться с ним и обсудить планы по взятию мазков в своих городах. По мере роста интереса Мейсон и Эван Афшин, студент-медик Нью-Йоркского медицинского колледжа, основали глобальную организацию, состоящую из ученых из более чем ста городов, известную как "Метагеномика и метадизайн метрополитенов и городских биомов", или консорциум MetaSUB, и стали протирать Q-кончиками поверхности в транспортных системах, канализационных каналах, больницах и других общественных местах своих стран.
Подобно тому, как натуралисты собирают тома, представляющие всех птиц Северной Америки или всех рыб Тихого океана, Мейсон и его коллеги создали атлас микроорганизмов, обнаруженных в городских системах общественного транспорта по всему миру. Сейчас ученые используют технологию секвенирования и программное обеспечение на основе искусственного интеллекта для создания всемирной справочной библиотеки микробов и платформы с открытым исходным кодом, которая позволяет пользователям вводить последовательность ДНК патогена и видеть, где еще он встречался в мире. "Мы хотим сделать так, чтобы любой человек в любом месте мог загрузить свою последовательность и сравнить ее с любой другой, которая когда-либо была секвенирована", - говорит Мейсон.
В конце октября GeoSeeq Foundation, некоммерческая платформа данных, связанная с компанией, соучредителем которой является Мейсон, объявила о сотрудничестве с Pasteur Network, организацией с международной сетью ученых. Цель сотрудничества - внимательно изучить рост инфекционных заболеваний, вызванных изменением климата, в том числе болезней, переносимых комарами, таких как малярия и лихорадка денге. В пресс-релизе от 31 октября говорится, что партнерство может "открыть новую эру глобального наблюдения и реагирования на патогены". Оно объединяет 32 института Pasteur Network, расположенных в 25 странах на 5 континентах, с платформой искусственного интеллекта GeoSeeq, которая использует широкий спектр данных, включая климат, геномику и здравоохранение.
"Это объединяет все лаборатории по всему миру, чтобы иметь возможность видеть, не появляется ли новый вирус", - сказал Мейсон в своем электронном письме. "Мы сможем обезопасить людей, если будем знать, где существуют риски, а также сможем открыть совершенно новые виды существ в мире!" Выявляя все виды микробов, исследователи могут также обнаружить новые антибиотики, и у них появляется возможность отслеживать и картировать устойчивость к антибиотикам. Сможет ли такая система раннего предупреждения поймать будущего возбудителя пандемии, пока неизвестно.
Тем не менее, многие специалисты по отслеживанию патогенов говорят, что большой мечтой является создание в один прекрасный день всемирной системы наблюдения за заболеваниями наравне с современными метеорологическими прогнозами. Информация о таких факторах, как атмосферное давление, температура и ветровые потоки, используется для составления карт погоды, которые помогают синоптикам определять развивающиеся штормы и разрабатывать планы реагирования. То же самое можно сделать с данными о микроорганизмах, которые будут использоваться в глобальной системе наблюдения за заболеваниями. Это дорогостоящее мероприятие, но оно того стоит, говорит Мейсон, потому что "деньги, потраченные на наблюдение за патогенами, гораздо дешевле, чем остановка всей экономики".
По его словам, ученые извлекли много уроков во время пандемии Ковид-19. Теперь им остается только применить их на практике.
Источник: https://www.popsci.com/health/edna-emerging-pathogens/