Исследование, опубликованное в Cell Systems, демонстрирует, что можно и полезно разработать «карту патогенов», получившую название «PathoMap», — города, в котором интенсивно посещаемое метро является прокси для населения Нью-Йорка. Это базовая оценка, и повторный отбор проб можно использовать для долгосрочного и точного наблюдения за заболеваниями, смягчения угрозы биотерроризма и крупномасштабного управления здравоохранением в Нью-Йорке, — говорит старший исследователь исследования д-р.
Кристофер Э. Мейсон, доцент кафедры физиологии и биофизики Вейля Корнелла и Института вычислительной биомедицины (ICB) принца Аль-Валида бин Талала бин Абдулазиза Аль-Сауда.
Результаты PathoMap в целом обнадеживают, указывая на отсутствие необходимости избегать метро или использовать защитные перчатки, доктор.
Мейсон говорит. Большинство из 637 известных видов бактерий, вирусов, грибов и животных, обнаруженных им и его соавторами, не являются патогенными и представляют собой нормальные бактерии, присутствующие на коже и теле человека. Эксперименты с культурами показали, что все исследованные участки метро содержат живые бактерии.
Поразительно, но около половины собранных ими последовательностей ДНК не удалось идентифицировать — они не соответствовали ни одному организму, известному Национальному центру биотехнологической информации или Центрам по контролю и профилактике заболеваний. Они представляют собой организмы, к которым жители Нью-Йорка прикасаются каждый день, но которые не были охарактеризованы и не были обнаружены до настоящего исследования. Полученные данные подчеркивают огромный потенциал для научных исследований, который все еще в значительной степени не используется, но все же находится под контролем ученых.
«Наши данные свидетельствуют о том, что большинство бактерий в этих густонаселенных транзитных зонах с интенсивным движением транспорта нейтральны для здоровья человека, и большая их часть обычно находится на коже или в желудочно-кишечном тракте», -. Мейсон говорит. "Эти бактерии могут быть даже полезны, поскольку они могут превзойти любые опасные бактерии."
Но исследователи также говорят, что 12 процентов видов бактерий, которые они взяли, показали некоторую связь с болезнью. Например, живые, устойчивые к антибиотикам бактерии присутствовали в 27 процентах собранных ими образцов.
И они обнаружили два образца с фрагментами ДНК Bacillus anthracis (сибирская язва) и три образца с плазмидой, связанной с Yersinia pestis (бубонная чума) — оба на очень низких уровнях. Примечательно, что присутствие этих фрагментов ДНК не указывает на то, что они живы, и эксперименты по культуре не показали никаких доказательств их жизни.
Тем не менее, эти явно вирулентные организмы не связаны с широко распространенными болезнями или недомоганиями.
Мейсон говорит. «Вместо этого они, скорее всего, являются просто сожителями любой общей городской инфраструктуры и города, но для подтверждения этого необходимо более широкое тестирование."
Например, не было зарегистрировано ни одного случая чумы в Нью-Йорке с момента начала проекта PathoMap в июне 2013 года.
«Несмотря на обнаружение следов патогенных микробов, их присутствие недостаточно существенно, чтобы представлять угрозу для здоровья человека», — сказал доктор. Мейсон говорит. "Присутствие этих микробов и отсутствие зарегистрированных случаев заболеваний действительно свидетельствует об иммунной системе нашего организма и нашей врожденной способности постоянно адаптироваться к окружающей среде.
«PathoMap также устанавливает первые базовые данные для всего города, показывая, что низкие уровни патогенов типичны для этой среды», — добавляет он. "Хотя это ожидается в сельской местности, мы никогда раньше не видели таких уровней в городах. Теперь мы можем отслеживать изменения и потенциальные угрозы для этой сбалансированной микробной экосистемы."
Прыжок в неизвестное
Ученые теперь считают, что разнообразие микроорганизмов, которые присутствуют в организме человека, на нем и вокруг него, составляют значительный компонент общего состояния здоровья. У среднего человека микробов в 10 раз больше, чем клеток человека, а продукты, обрабатываемые этими микробами, составляют более одной трети активных малых молекул в кровотоке.
Считается, что этот коллективный микробиом влияет на здоровье, обостряя инфекционные заболевания или противодействуя им, контролируя риск ожирения и регулируя скорость метаболизма. Тем не менее, очень мало известно о местных микробных сообществах, которые окружают людей на улицах, в зданиях или в зонах общественного транспорта.
В ходе исследования исследовательская группа, в которую входят исследователи из пяти других медицинских центров Нью-Йорка и других медицинских центров со всей страны и из других стран, стремилась определить микробиом в системе метро Нью-Йорка, который в 2013 году использовался в среднем. из 5.5 миллионов человек в день, по данным городского управления транспорта. За последние 17 месяцев команда — многие из них — студенты-волонтеры, студенты-медики и аспиранты — использовали нейлоновые тампоны для трехкратного сбора ДНК с турникетов, деревянных и металлических скамеек, перил лестниц, мусорных баков и киосков в все открытые станции метро на 24 линиях метро в пяти районах города.
Команда также собрала образцы изнутри поездов, включая сиденья, двери, столбы и поручни. В настоящее время исследователи анализируют дополнительные образцы, собранные в течение всех четырех сезонов, для изучения временной динамики микробиома.
Сборщики проб были оснащены мобильным приложением, созданным исследователями, которое позволяло им ставить метку времени для каждого из образцов, маркировать его с помощью глобальной системы позиционирования и регистрировать данные в режиме реального времени. ДНК микробов была секвенирована с использованием самых передовых исследовательских технологий в Центре эпигеномики Вейля Корнелла и Институте биотехнологии Гудзона Альфа.
Они секвенировали 1457 образцов из более чем 4200 собранных, и результаты были проанализированы в ICB.
«У нас была своя гипотеза о том, что находится на поверхности метро, которая отражает массивный, разнообразный, загруженный мегаполис, но мы действительно понятия не имели, что мы найдем», — говорит со-ведущий автор Эбрагим Афшиннеку, старший преподаватель Macaulay Honors College. -Королевы, которые начали работу над проектом в качестве летнего студента трех учебных заведений по вычислительной биологии и медицине в 2013 году.
Большая часть ДНК из всех образцов, 48.3 процента, не соответствовали ни одному из известных организмов, «что подчеркивает огромное количество неизвестных видов, которые повсеместно встречаются в городских районах», — говорит Афшиннеку.
Наиболее часто встречающийся организм (46.9 процентов) были бактерии.
Несмотря на опасения некоторых райдеров простудиться или гриппом от других незнакомцев, вирусы были редкостью — они восполнились .032 процента выборок. Однако некоторые сезонные вирусы являются РНК-вирусами, а не ДНК-вирусами, и их нельзя идентифицировать с помощью методов сбора, использованных в исследовании.
Из известных бактерий большинство (57 процентов), обнаруженных на поверхности метро, никогда не были связаны с болезнями человека, тогда как около 31 процента представляли условно-патогенные бактерии, которые могут представлять риск для здоровья людей с ослабленным иммунитетом, травмированных или восприимчивых к заболеваниям групп населения. отчет исследователей.
Остальные 12 процентов имеют некоторые свидетельства патогенности.
Они обнаружили, что десятки видов микробов были уникальными для каждого участка поезда, и что существует значительный диапазон микробного разнообразия на разных линиях метро.
Бронкс оказался самым разнообразным с наибольшим количеством найденных видов, за ним следуют Бруклин, Манхэттен и Квинс. Статен-Айленд был наименее разнообразным.
«Мы построили карты, на которых подробно описаны организмы, присутствующие в каждом районе города, и мы создали молекулярный портрет мегаполиса», — говорит со-ведущий автор Д-р.
Джем Мейдан, научный сотрудник Медицинского колледжа Вейл Корнелл.
Несмотря на взятие образцов поверхностей в районах с интенсивным движением людей и контактами, исследователи обнаружили, что только в среднем 0.2 процента считываний однозначно сопоставлены с геномом человека. Используя такие инструменты, как AncestryMapper и ADMIXTURE, исследователи взяли человеческие аллели и воссоздали данные переписи конкретной станции метро или района. Их результаты показали, что следовые количества человеческой ДНК, оставшиеся на поверхности метро, могут воспроизводить U.S.
Данные переписи. Например, латиноамериканский район недалеко от Китайского квартала на Манхэттене, по-видимому, содержал сильную смесь азиатских и испаноязычных человеческих генов. В районе Северного Гарлема были обнаружены гены африканцев и латиноамериканцев, а в районе Бруклина с преимущественно белым населением, как предполагалось, были финны, британцы и тосканы.
«Это дает возможность судебно-медицинской экспертизы узнать о происхождении людей, которые проезжают через станцию», — сказал доктор.
Мейсон говорит: «Это означает, что ДНК, которую люди оставляют, может дать ключ к разгадке демографических характеристик этого района."
Исследователи также сравнили свои микробные данные с U.S. данные переписи, а также данные о среднем пассажиропотоке от MTA.
Они обнаружили слегка положительную корреляцию между этими двумя переменными и плотностью микробов в метро, предполагая, что чем больше людей в районе, тем более разнообразны типы бактерий.
Такие усилия, как PathoMap в Нью-Йорке, могут быть легко применены к другим городам, чтобы предоставить новый инструмент для наблюдения за заболеваниями и угрозами. Мейсон говорит. «Я считаю, что с дальнейшим развитием технологий секвенирования станет возможным создание живой модели, отслеживающей уровни потенциальных патогенов», — говорит он. "Я предполагаю, что PathoMap станет первым шагом в этой модели."
Уже реализуются проекты, основанные на исходных данных PathoMap и способствующие достижению цели исследователей по изучению микробиома больших и сложных городов.
Сотрудники по всей стране собрали образцы из аэропортов, метро, транзитных узлов, такси и общественных парков, расположенных в 14 штатах, включая Нью-Джерси, Массачусетс, Мэриленд, Флориду, Иллинойс, Техас и Калифорнию. Секвенировав ДНК этих образцов, доктор. Мейсон надеется провести первое в истории сравнение крупных городов страны, в котором контекстуализируется городская и сельская местность, среда с высокой и низкой плотностью.
Последствия урагана Сэнди
Исследователи также работали с MTA, чтобы получить доступ к Южной паромной станции, которая была затоплена ураганом Сэнди в 2012 году и все еще была закрыта во время отбора проб. (Станция вновь открылась в апреле 2013 г.) Доктор.
Команда Мейсона исследовала стены и пол станции и обнаружила 10 видов бактерий, которые больше нигде в системе не встречались. Примечательно, что все виды обычно обитают в морской или водной среде.
«Стены метро все еще несут отголоски урагана, и вы можете увидеть это в микробиоме», — сказал доктор. Мейсон отметил. "Большой вопрос — как долго он продлится?
Как это влияет на здоровье и дизайн искусственной среды метро? Вот почему мы продолжаем отбор проб и мазки с самого начала. Временная динамика является ключевой."
Исследование было поддержано Национальным институтом здравоохранения (F31GM111053), Центром клинических и трансляционных исследований Вейлла Корнелла, Фондом Пинкертона, Фондом Валле, Фондом WorldQuant, Центром эпигеномики в Вейлле Корнелле, Институтом биотехнологии им.
Гудзона Альфа, Illumina. , Qiagen и Indiegogo (для поддержки краудфандинга и краудсорсинга).
Соавторы исследования: из Медицинского колледжа Вейла Корнелла, Шанин Чоудхури, Джем Мейдан, Дьяла Джаруди, Коллин Бойер, Ник Бернштейн, Дэррил Ривз, Хорхе Гандара, Сагар Чангавала, София Асануддин, Нелл Кирчбергер, Исаак Гарсия, Дэвид Гандара. , Йогеш Салеторе, Ной Александр, Приянка Виджай, Элизабет М. Хенафф, Пол Зумбо; Тимоти Нессел, Бхарати Сундареш и Элизабет Перейра из Корнельского университета; Сергиос-Орестис Колокотронис из Фордхэмского университета; Шон Дханрадж, Танзина Наврин, Теодор Мут, Элизабет Альтер и Грегори О’Муллан из Городского университета Нью-Йорка; Эллен Йоргенсен из лаборатории Genspace Community Laboratory; Джулия Мариц, Кэти Шнайдер и Джейн Карлтон из Нью-Йоркского университета; Майкл Уолш из Государственного университета Нью-Йорка, Нижний штат; Скотт Тай из Университета Вермонта; Джоэл Т. Дадли и Эрик Э. Шадт из Медицинской школы Икана на горе Синай; Аня Дунаиф и Жанна Гарбарино из Университета Рокфеллера; Шон Эннис, Эоган Охаллоран и Тиаго Р. Магалаес из Ирландского университета; Брейден Бун, Анджела Л. Джонс и Шон Леви из Института биотехнологии Хадсон-Альфа; и Роберт Дж.
Прилл из исследовательского центра IBM Almaden.