解读Nature:养老院居民皮肤上的克隆耳念珠菌和ESKAPE病原体

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解读：Clonal Candida auris and ESKAPE pathogens on the skin of residents of nursing homes

养老院居民皮肤上的克隆耳念珠菌和ESKAPE病原体

本文的主要作者包括 Diana M. Proctor、Sarah E. Sansom、Clay Deming 等，通讯作者为 Mary K. Hayden 和 Julia A. Segre。Diana M. Proctor 现就职于德克萨斯大学健康科学中心休斯顿分校的微生物学和分子遗传学系，主要研究微生物基因组学和抗微生物耐药性。Sarah E. Sansom 现就职于芝加哥拉什大学医学中心内科传染病科，专注于医院获得性感染和抗微生物耐药性研究。Clay Deming 现就职于马里兰大学营养与食品科学系，研究方向为微生物组学和生物信息学。Mary K. Hayden 是拉什大学医学中心内科传染病科的副教授，主要研究领域为抗微生物耐药性和医院感染控制。Julia A. Segre 是美国国立卫生研究院人类基因组研究所的高级研究员，专注于微生物基因组学和皮肤微生物组研究。

文献摘要

抗微生物耐药性是全球公共卫生面临的重大威胁，尤其在养老院等医疗环境中，耐药菌的传播和感染问题尤为严重。养老院居民由于免疫功能下降，更容易被耐药菌定植和感染，而这些耐药菌不仅在养老院内部传播，还会通过患者转移等方式扩散到其他医疗机构，加剧了耐药菌的传播范围。本研究聚焦于新兴的多重耐药真菌病原体耳念珠菌（Candida auris）以及细菌中的ESKAPE病原体（包括Enterococcus faecium、Staphylococcus aureus、Klebsiella pneumoniae、Acinetobacter baumannii、Pseudomonas aeruginosa和Entobacter species），通过对一家具备呼吸机支持能力的养老院居民进行基因组流行病学研究，发现这些耐药菌在居民皮肤上的克隆传播现象。研究结合菌株分辨的宏基因组学和分离物测序技术，揭示了耳念珠菌和ESKAPE病原体在养老院居民皮肤上的定植和克隆传播情况，表明皮肤是这些耐药菌的重要储存库和传播途径。这一发现对于理解耐药菌在医疗环境中的传播机制以及制定有效的感染控制策略具有重要意义。

样本 / 数据集

本研究涉及的生物材料包括养老院居民的皮肤样本（如脚趾网、指尖、腹股沟皱襞、鼻腔和会阴部），样本数量为 434 个，涉及 42 名参与者。其中，31 名参与者被检测出携带耳念珠菌，11 名参与者未检测出。样本的测序数据量为 17.3 亿条微生物、质量过滤后的成对末端读取序列。此外，研究还分析了来自其他 7 个养老院的 2197 个公开的宏基因组样本，这些样本来自美国康涅狄格州、马萨诸塞州、罗德岛州以及荷兰莱顿等地。

方法步骤

  1. 样本收集与处理 ：从养老院居民的多个身体部位（脚趾网、指尖、腹股沟皱襞、鼻腔和会阴部）采集样本，使用特定的拭子进行采样，并立即放入 Amies 培养基中。部分样本直接接种到 CHROMagar Candida 平板上并在 37°C 下孵育 7 天，另一部分样本接种到盐 Sabouraud Dulcitol 肉汤中并在 40°C 下孵育 7 天，随后接种到 CHROMagar Candida 平板上并继续孵育 7 天。
  2. DNA 提取与测序 ：从培养的菌落中提取基因组 DNA，使用 Nextera XT Library Preparation kit 构建文库，并在 Illumina NovaSeq 6000 上进行测序，目标读取量为每个文库 ≥260 万条 151bp 的读取。对于部分样本，还进行了 Nanopore 测序和组装，以获得更完整的基因组序列。
  3. 宏基因组数据分析 ：使用 metaSPAdes 和 megahit 等工具进行宏基因组序列的组装，然后使用 MetaWRAP 进行基因组箱（MAGs）的回收和精炼。通过 GTDB-Tk 和 EukCC 等工具对 MAGs 进行分类鉴定，并使用 checkM2 和 checkM 等工具评估基因组的完整性和污染情况。
  4. 菌株分辨分析 ：使用 dRep 对 MAGs 进行去冗余处理，保留每个物种的最长 MAG 作为代表。通过 fastANI 计算不同物种的平均核苷酸同一性（ANI），构建 ANI 网络图。使用 GToTree 构建基于单拷贝标记基因的系统发育树，以分析菌株的遗传关系。
  5. 抗微生物耐药性基因检测 ：使用 SRST2 和 CARD 数据库检测宏基因组数据中的抗微生物耐药性基因。通过 inStrain 对宏基因组数据进行分析，识别菌株的微多样性，并检测共享的菌株。
  6. 数据分析与验证 ：对不同时间点和不同身体部位的样本进行比较，分析菌株的持续性和替换情况。使用 cooccur 进行共现分析，评估不同物种之间的关联性。通过整合公开的宏基因组数据，验证菌株共享现象的普遍性。

结果

  1. 耳念珠菌的克隆传播 ：在 57 名参与者中，38 名（66.7%）被检测出皮肤上存在耳念珠菌，其中 21 名参与者（36.8%）的耳念珠菌基因组几乎完全相同（ANI ≥99.95%），表明存在克隆传播现象。这些克隆传播的耳念珠菌在不同的身体部位和不同的时间点均有检测到，说明耳念珠菌在养老院内部的传播较为广泛。
  2. ESKAPE病原体的共享 ：研究发现，大多数 ESKAPE病原体（如万古霉素耐药肠球菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌、产超广谱 β - 内酰胺酶肺炎克雷伯菌等）在养老院居民中存在共享现象。通过对 7 个不同养老院的宏基因组数据进行分析，发现这些病原体的共享现象在不同地区和不同类型的养老院中均有存在，表明养老院是这些耐药菌的重要储存库和传播场所。
  3. 抗微生物耐药性基因的检测 ：在被检测出携带耳念珠菌的参与者中，部分参与者还携带了碳青霉烯酶基因（如 blaKPC、blaVIM 和 blaNDM），这些基因与耐药性密切相关。此外，研究还发现，一些参与者皮肤上的细菌病原体也携带了抗微生物耐药性基因，进一步证实了皮肤是耐药菌的重要储存库。
  4. 菌株的持续性和替换 ：通过对不同时间点的样本进行分析，发现一些参与者皮肤上的菌株在几个月内保持稳定，而另一些参与者则出现了菌株的替换现象。这表明，皮肤上的耐药菌定植可能是持续的或反复发生的，增加了感染和传播的风险。

文章的新颖性与局限性

新颖性

  1. 研究视角独特 ：本研究聚焦于养老院这一特殊医疗环境，深入探讨了耳念珠菌和 ESKAPE病原体在养老院居民皮肤上的定植和传播情况，为理解耐药菌在医疗环境中的传播机制提供了新的视角。
  2. 方法创新 ：研究结合了菌株分辨的宏基因组学和分离物测序技术，能够更准确地识别和追踪耐药菌的传播和克隆关系。同时，使用了多种先进的生物信息学工具和算法，如 dRep、fastANI、GToTree 和 inStrain 等，提高了数据分析的准确性和效率。
  3. 发现重要现象 ：研究揭示了养老院居民皮肤上存在广泛的耐药菌克隆传播现象，表明皮肤是耐药菌的重要储存库和传播途径。这一发现对于制定有效的感染控制策略具有重要意义，提示需要加强对养老院居民皮肤的监测和管理。

局限性

  1. 研究范围有限 ：本研究主要集中在一家养老院，虽然通过对其他养老院的宏基因组数据进行分析验证了菌株共享现象的普遍性，但样本数量和地域范围仍相对有限，可能无法完全代表所有养老院的情况。
  2. 数据解读的复杂性 ：宏基因组学数据的解读较为复杂，可能存在一定的误差和不确定性。例如，由于微生物群落的多样性和复杂性，某些菌株的鉴定和分类可能不够准确，需要进一步验证。
  3. 缺乏干预措施评估 ：本研究主要关注了耐药菌的传播和定植情况，但未对干预措施（如皮肤清洁、隔离等）的效果进行评估。未来的研究可以进一步探讨如何通过有效的干预措施来减少耐药菌的传播和定植。