Une flambée de tularémie respiratoire causée par divers clones de Francisella tularensis

Contexte La bactérie Francisella tularensis est reconnue pour sa virulence, son infectiosité, son homogénéité génétique et son potentiel en tant qu’agent bioterroriste. Les épidémies de tularémie respiratoire, causées par l’inhalation de cette bactérie, sont mal comprises. Ces infestations sont rarement Sujets étudiés Une épidémie localisée de tularémie en Suède a été étudiée Soixante-sept humains ont contracté une tularémie respiratoire vérifiée en laboratoire F tularensis sous-espèce holarctica a été isolée du sang ou du liquide pleural de juillet à septembre Utilisation du séquençage du génome entier et analyse d’un seul nucléotide polymorphismes SNP, isolats d’épidémies ont été comparés à des isolats globaux archivésRésultats Il y avait des SNP parmi les génomes des isolements d’épidémie et les isolats d’archivage les plus étroitement liés, tous en Suède / Finlande Des génomes entiers d’isolats d’épidémies étaient similaires au niveau nucléotidique et groupés enDes clades génétiques distincts De manière inattendue, la similarité des séquences a regroupé des isolats d’épidémies et d’archives provenant de patients de différentes régions géographiques et jusqu’à des années d’écart. Les génomes d’épidémies et d’archives différaient fréquemment par des nucléotides examinés. qui se sont produits de façon concomitante, étaient répandus et apparemment persistants dans l’environnement. De multiples acquisitions indépendantes de F tularensis de l’environnement sur une courte période suggèrent que les manifestations naturelles de la tularémie respiratoire sont déclenchées par des signaux environnementaux. pathogène comme preuve d’un lien épidémiologique direct

infections bactériennes, tularémie, Francisella tularensis, épidémiologie, génomiqueFrancisella tularensis, agent causal de la tularémie, est bien connue pour son potentiel bioterroriste, en raison de sa forte infectiosité et de sa virulence, et de la facilité de propagation des aérosols Dans la nature, la tularémie est une zoonose. L’agent pathogène a des sous-espèces étroitement apparentées, dont les principales sont cliniquement importantes: F tularensis sous-espèce tularensis Jellison type A et F tularensis sous-espèce holarctica Jellison type B Bien que la présentation de la maladie soit similaire avec les deux variétés, la tularémie de type A Généralement plus agressif et associé à une mortalité significativement plus élevée chez les humains, jusqu’à% en l’absence de traitement Deux voies d’infection prédominent: inoculation par la peau par arthropode et inhalation d’un aérosol infectieux La tularémie respiratoire résultant de l’inhalation de F tularensis est la forme clinique qui est le plus craint dans le cas d’un attaquant bioterroriste ck Dans un scénario avec une future investigation d’une libération d’aérosol intentionnelle présumée de F tularensis entraînant une maladie humaine sévère, on s’attend à ce que le séquençage du génome entier soit appliqué. Le suivi de la transmission représente un défi pour tout microorganisme, en particulier pour F tularensis L’application de WGS en combinaison avec des méthodes épidémiologiques plus traditionnelles est très prometteuse pour améliorer les enquêtes sur les épidémies de maladies infectieuses. Des rapports récents sur les infections nosocomiales et hospitalières indiquent qu’une approche combinée peut améliorer la détection des épidémies, améliorer la caractérisation des événements de transmission et potentiellement aider à identifier la source d’une épidémie, fournissant ainsi des conseils sur la façon dont ses effets sur les humains pourraient être atténués Une épidémie est définie ici comme la survenue de cas de maladie dépassant normalement être attendu dans une zone géographique limitée Temps et espace-cluster Les infections peuvent être causées par des pathogènes indiscernables ou étroitement liés caractérisés par une méthode de typage génétique, par exemple, WGS Il est important de noter qu’une WGS parfaite ou presque parfaite entre pathogènes causals dans une épidémie est souvent considérée comme une indication d’une source infectieuse commune et confinée. où les pathogènes partagent une origine évolutionnaire très récente [, -] Bien que le SGB soit très prometteur car il fournit l’information génomique complète du pathogène causal provenant de multiples individus infectés, il y a encore un grand besoin d’apprendre à interpréter les données Août, les cliniciens travaillant dans le comté de Jämtland en Suède ont noté plusieurs patients diagnostiqués avec la tularémie respiratoire. À la fin de l’été, il est devenu clair que c’était la plus grande épidémie de tularémie respiratoire signalée dans le monde depuis -; Cette épidémie a également eu lieu dans le comté de Jämtland L’isolation de F tularensis des sécrétions respiratoires, du liquide pleural ou du sang est très rarement signalée même dans les grandes séries de tularémie Cependant, nous avons isolé F tularensis d’un groupe de patients tularémie respiratoire sévère, que nous avons ensuite analysée à l’aide de WGS Nous avons utilisé cet ensemble de données rares pour quantifier la diversité génétique intra-épidémique de F tularensis et tester l’hypothèse d’une source environnementale commune à l’origine de l’épidémie respiratoire

MATÉRIAUX ET MÉTHODES

Réglage

Le comté de Jämtland dans le centre de la Suède est une zone de km peu peuplée avec des citoyens Plus d’un tiers de la population vit dans la campagne et environ la moitié dans la capitale du comté d’Östersund Par obligation de la loi suédoise sur les maladies transmissibles Des cas de tularémie ont été signalés à l’Office médical du comté de Östersund et à l’Agence de santé publique de Suède. Depuis, des cas de tularémie médiane annuelle ont été signalés dans le comté en réponse à une épidémie de tularémie respiratoire. En collaboration avec des chercheurs de l’Agence suédoise de recherche pour la défense et de l’Université d’Umeå, le médecin du comté a organisé une équipe d’enquête épidémiologique pour étudier la flambée épidémique, y compris le WGS de F tularensis cultivé par des patients. –M

Collecte de données

D’après les informations transmises électroniquement à SmiNet, un système national de surveillance des maladies transmissibles en Suède, des informations épidémiologiques ont été collectées pour chaque patient, y compris le moment probable d’infection, la date d’apparition de la maladie, le niveau de soins et le lieu géographique probable d’infection. Le personnel du County Medical Office du comté de Jämtland a recueilli des informations en interrogeant des patients et en contactant des médecins. Le médecin du comté a examiné les dossiers médicaux et les rapports de radiologie de chaque patient et déterminé la forme clinique de la tularémie. aucun échantillonnage environnemental n’a été effectué La définition de cas et les diagnostics de laboratoire utilisés sont détaillés dans l’annexe supplémentaire

Distribution géographique

En utilisant Google Maps et un JavaScript personnalisé, les coordonnées du lieu d’infection le plus probable ont été tracées sur une carte. En outre, la date de début de la maladie et le niveau de soins requis pour le traitement ont été enregistrés pour chaque cas. ou sans hospitalisation, ou soins hospitaliers avec un séjour minimum de plusieurs jours

Sélection de génomes de référence archivistiques

Les génomes de référence d’Archival F tularensis ont été sélectionnés sur la base d’alignements multiples de séquences génomiques pour les isolats de l’épidémie et les séquences génomiques représentant la diversité génétique et géographique maximale dans la sous-espèce F tularensis holarctica, jugée par des méthodes de typage moléculaire haute résolution appliquées à & gt; isolats provenant d’Asie, d’Amérique du Nord et d’Europe, y compris la Suède Des génomes dont les positions ≤ nucléotidiques différaient de tout génome d’origine respiratoire ont été inclus comme références archivistiques dans les analyses finales.

Séquençage et analyses bioinformatiques

Le séquençage des isolats a été effectué à SciLifeLab, Uppsala, Suède, en utilisant la plate-forme Illumina HiSeq selon les protocoles standard pour produire des données de lecture paire-bp. Les données de séquence résultantes ont été assemblées en utilisant ABySS version en utilisant des paramètres standard. Alignements multiples du génome ont été effectuées en utilisant la version progressiveMauve Les distances nucléotidiques et la phylogénie ont été déduites en utilisant Mega option de suppression complète et la méthode des différences de nombre, parcimonie maximale Détails des procédures de préparation de l’ADN, séquençage , et des analyses bioinformatiques se trouvent dans l’annexe supplémentaire

RÉSULTATS

Éclosion de tularémie

Au total, les patients ont été diagnostiqués avec la tularémie confirmée en laboratoire dans le comté de Jämtland, en Suède. Soixante-sept hommes et femmes ont été identifiés comme patients atteints de tularémie respiratoire âge médian, [intervalle, -] ans Trente-trois patients requis & gt; jours à l’hôpital Un patient est décédé plusieurs jours après l’admission, alors qu’il était vivant le jour Les patients ont contracté la maladie sur une vaste zone géographique s’étendant km-sud et km-est-ouest Ils sont tombés malades entre juillet et octobre avec un pic à la fin août Les analyses de la date d’apparition de la maladie et du lieu de l’infection ont révélé un schéma complexe compatible avec la transmission de la maladie qui s’est poursuivie au niveau local et au début du mois de septembre. pour plusieurs semaines Figure; Vidéo disponible en ligne en tant que vidéo supplémentaire

Tableau Données descriptives pour Francisella tularensis Séquences du génome de l’érythème Isolate ID Genetic Clade Disease Date début Type de spécimen clinique Profondeur de couverture Nombre de Contigs FSC B Sang de juillet B FSC B Sang d’août FSC B Sang d’août FSC B Sang d’août FSC B Sang de septembre FSC B Sang de septembre FSC B Septembre Sang FSC B Septembre Liquide pleural FSC B Sang de septembre FSC B Septembre ID de sang isolé Maladie de la clade génétique Date de début Type de spécimen clinique Profondeur de couverture Nombre de contigs FSC B Sang de juillet FSC B Sang d’août FSC B Sang d’août FSC B Sang d’août FSC B Septembre Sang FSC B Septembre Sang FSC B Septembre Sang FSC B Septembre Liquide pleural FSC B Sang de septembre FSC B Sang du mois de septembre Agrandir

Figure Vue largeTélécharger diapositives de la tularémie respiratoire par semaine d’apparition dans le comté de Jämtland, Suède, juillet-octobre Les dates fournies dans l’histogramme représentent les lundis de chaque semaine. Les patients dont Francisella tularensis a été isolé et le génome entier séquencé sont indiqués en rouge; Les autres cas vérifiés en laboratoire sont en bleuFigure Les cas de tularémie respiratoire par semaine d’apparition dans le comté de Jämtland, Suède, juillet-octobre Les dates fournies dans l’histogramme représentent les lundis de chaque semaine Cas de Francisella tularensis isolés et séquençage du génome entier sont indiqués en rouge; les autres cas vérifiés en laboratoire sont en bleu

Plusieurs clades phylogénétiques majeurs représentés dans l’éclosion

Notre phylogénie du SNP du polymorphisme mononucléotidique du génome entier a révélé des amas majeurs séparés par de longues longueurs de ramifications, et des souches épidémiques et d’éclosion ont été attribuées à chacun de ces groupes. Figures et groupes correspondent à des groupes génétiques identifiés précédemment B, B et B des désignations dans Vogler et al , voir Données supplémentaires dans l’annexe supplémentaire Il y avait un total de sites variables parmi les génomes de la flambée et des archives La racine médiane de la figure de WGS donne naissance à des branches: une longue branche de SNP aboutissant B et une branche plus courte de SNP aboutissant à une nouvelle division Deux branches émergent de cette seconde division, avec des longueurs SNP respectivement de et se terminant dans les grappes avec des souches B ou B. Cet ordre de ramification est cohérent avec les publications antérieures de Vogler. et al et Svensson et al Il n’y avait pas d’états nucléotidiques dans les données en conflit avec le topolog inféré y ie, pas d’homoplasie, indiquant une haute qualité des données

Figure

Voir grand

Télécharger le diaporama

Cette image montre l’éclosion de tularémie respiratoire, y compris les schémas spatiaux. La vidéo supplémentaire affiche et décrit la montée et la chute de l’éclosion de tularémie respiratoire, y compris les schémas spatiaux au fil du temps.

Figure

Voir grand

Télécharger le diaporama

Cette image montre l’éclosion de tularémie respiratoire, y compris les schémas spatiaux. La vidéo supplémentaire affiche et décrit la montée et la chute de l’éclosion de tularémie respiratoire, y compris les schémas spatiaux au fil du temps.

Figure Vue largeTarque de téléchargementMorphisme maximal de l’arbre phylogénétique illustrant les relations évolutives entre les génomes de la flambée de Francisella tularensis texte rouge, génomes d’archives étroitement liés texte noir, et la séquence génomique complète pour le texte noir de la souche FSC, inclus pour soutenir la fusion des sous-alignements à l’échelle avec des longueurs de branche représentant le nombre de changements de nucléotides L’enracinement est cohérent avec les résultats obtenus par l’utilisation de multiples groupes non représentés. Vue en grosDownload slideMaximum parsimonie arbre phylogénétique illustrant les relations évolutives entre les génomes de la flore de Francisella tularensis texte rouge, génomes d’archives étroitement liés texte noir, et la séquence complète du génome pour le texte noir de la souche FSC, inclus pour soutenir la fusion des sous-alignements L’arbre est ancré au milieu et dessiné à l’échelle avec des longueurs de branche représentant le nombre de changements de nucléotides L’enracinement est compatible avec les résultats obtains d par l’utilisation de plusieurs groupes non représentés

Figure Vue largeTéléchargement de diapositivesRelations phylogénétiques en relation avec l’origine géographique des isolats A, Vues détaillées des relations phylogénétiques au sein des sous-clades génétiques B, B et B Les génomes de l’épidémie sont marqués par des étoiles et des génomes d’archivage par cercles et les différents sous-groupes sont codés en rouge. , jaune, vert, turquoise, bleu et marron Le génome FSC de haute qualité a été inclus à titre de référence seulement B, Répartition géographique des isolats d’éclosion et d’archivage en Suède, avec le comté de Jämtland amplifié Les symboles colorés correspondent aux étiquettes identifiées dans A Arrows Le génome d’archive FSC est originaire de Finlande en dehors de la carteFigure Vue largeTélécharger diapositiveRelations phylogénétiques en relation avec l’origine géographique des isolats A, Vues détaillées des relations phylogénétiques au sein des sous-clades génétiques B, B et B Les génomes de la flambée sont étiquetés par des étoiles et des génomes d’archives par des cercles, un Les différents sous-groupes sont codés en rouge, jaune, vert, turquoise, bleu et marron. Le génome FSC de haute qualité a été inclus à titre de référence seulement B, Répartition géographique des isolats d’éclosions et d’archives en Suède, avec le comté de Jämtland magnifié correspondre avec les étiquettes de A Arrows identifier les taxons phylogénétiquement proches et géographiquement liés Le génome d’archive FSC provient de Finlande en dehors de la carte

Les souches épidémiques sont étroitement liées aux souches archivistiques originaires de Suède

L’analyse génomique des souches épidémiques et archivistiques a trouvé une forte similitude entre les souches suédoises et les souches archivées isolées en Suède et dans les régions limitrophes Parmi les souches archivistiques mondiales évaluées, les souches les plus étroitement liées aux souches épidémiques provenaient de Suède et de Finlande occidentale. Les souches originaires d’autres pays d’Europe, d’Asie ou d’Amérique du Nord étaient plus éloignées génétiquement. Les souches épidémiques et d’archivage de tous les principaux groupes phylogénétiques ont été trouvées dans le comté de Jämtland et dans d’autres comtés de Suède. , et apparemment persister à long terme dans l’environnement en Suède

La distance génétique ne correspond pas à la distance spatiale ou temporelle

Dans la plupart des cas, les souches épidémiques étaient plus étroitement apparentées aux souches archivistiques qu’aux autres souches épidémiques. Cela s’est produit malgré les distances spatiales et temporelles parfois grandes entre ces souches archivistiques et épidémiques étroitement apparentées. distance Figure supplémentaire; Mantel r =, P = Dans quelques cas, les souches épidémiques présentaient un regroupement spatial et / ou temporel Deux isolats du nord de la zone d’étude, FSC et FSC, étaient indiscernables au niveau du génome et représentaient des infections contractées à seulement quelques km. Les isolats provenant du sud, du FSC et du FSC, différaient par les SNP et provenaient d’infections contractées à des km et des jours. Enfin, les isolats de la zone de foyer central, FSC et FSC, différaient par SNP et provenaient d’infections distantes de km; Au sein du clade B, la souche FSC mentionnée précédemment différait par le seul SNP des souches archivistiques FSC et FSC. Ces souches archivistiques étaient les deux ont récupéré km loin de FSC et dans et, respectivement Figures et En outre, les souches de la flambée qui étaient génétiquement indiscernables, FSC et FSC, encore différées par juste SNP de la souche archivistique FSC qui a été récupéré dans, & gt; Les souches FSC et FSC étaient également étroitement apparentées à d’autres souches épidémiques, FSC et FSC, mais ces souches ont été isolées chez des patients séparés d’au moins km. Enfin, la souche FSC est le plus étroitement liée à plusieurs souches archivistiques. Figure 1. Dans les clades B et B, il existe un manque similaire de corrélation entre la distance génétique et la distance spatiale et / ou temporelle. Figure Dans le clade B, la souche FSC est plus étroitement liée à la souche archivistique FSC qui a été isolée dans et dans un comté différent de la souche FSC, qui a été isolée très près de FSC. Dans le clade B, la seule souche, FSC, est étroitement apparentée aux souches archivistiques km isolé

Le taux d’accumulation de SNP n’est pas corrélé avec le temps

Aucune différence dans l’accumulation de SNP, c’est-à-dire des longueurs de branches entre les récentes épidémies et les anciennes souches archivistiques. Il n’y avait donc pas de modèles dépendant du temps pour les accumulations de SNP, ni pour l’ensemble des souches isolées ni pour les isolats d’archives. Nous avons trouvé en comparant la souche historique du FSC avec les souches FSC et FSC du clade B qu’il n’y avait pas de changement de nucléotide accumulé au cours des années. En revanche, les diagrammes de dispersion du nombre de SNP accumulés provenaient de l’ancêtre commun le plus récent. , récupéré des années auparavant dans la zone de l’épidémie, avait accumulé des changements de nucléotide Les différences dans les SNP accumulés suggèrent de grandes variations dans le nombre de cycles de réplication dans la même unité de temps pour cette bactérie

DISCUSSION

La distance eotide entre les isolats d’éclosion dans chacun des clades génétiques était une petite distance maximale par paires de SNP et, donc, dans une plage dans laquelle des mutations pourraient principalement s’accumuler pendant une phase d’amplification bactérienne qui a conduit à l’éclosion ou même à sa progression. Cependant, les analyses effectuées dans cette étude ont démontré un modèle incompatible avec cette possibilité. Plusieurs isolats d’épidémies étaient en fait plus étroitement liés à des isolats d’archives recueillis dans des régions géographiques assez éloignées et à des années différentes. La présence de multiples génotypes a déjà été observée. tularémie, y compris une épidémie associée à la mouche du chevreuil dans l’État américain de l’Utah et dans les épidémies de moustiques en Suède Dans le contexte des données antérieures, nos résultats confirment que l’origine polyclonale est fréquente lors des épidémies de tularémie naturelle. nous avons constaté que l’épidémie étudiée impliquait à la fois la dissémination Une telle activation simultanée de multiples clones de F tularensis suggère que les éclosions de tularémie sont souvent déclenchées par des facteurs écologiques ou d’autres facteurs environnementaux généralement favorables à la prolifération des bactéries. La transmission de F tularensis et non parce qu’un clone spécifique de F tularensis a acquis de nouvelles propriétés augmentant sa forme, sa dissémination et / ou son infectivité. Cette étude suggère que le taux d’accumulation de SNP a varié selon les souches. cholerae et Streptococcus pneumoniae qui ont identifié une corrélation entre l’évolution et le temps , nous avons montré que certains isolats de F tularensis n’avaient pas changé au cours d’une période de temps. tularensis maintenance dans l’environnement sous un a En conséquence, ceci peut nécessiter un changement de stratégie pour rechercher le réservoir de maintenance de la tularémie à partir de la recherche d’un hôte dans lequel F tularensis se réplique dans la réplication. entre les éclosions de trouver un réservoir où la bactérie réside dans un stade dormant, ou presque dormant, avec peu ou pas de réplication Un scénario apparaît également où F tularensis connaît des éclats de réplication pendant les épidémies, ce qui serait similaire à ce qui a été récemment déduit pour Yersinia pestis, cause de la peste Si la probabilité de dispersion n’est pas corrélée avec le taux de mutation, les faibles taux de mutation annuels observés chez F tularensis peuvent théoriquement expliquer la découverte d’une large distribution géographique de génotypes étroitement apparentés. mécanismes réels impliqués Comme F tularensis a été associé à des oiseaux , il est possi Une autre alternative intrigante est que les bactéries aérosolisées sont transportées par le vent dans la troposphère. On sait généralement que les microorganismes sont abondants dans la troposphère et peuvent être transportés sur de grandes distances, même entre les continents la propension à l’aérosolisation et à la survie environnementale de F tularensis pourrait potentiellement permettre une dispersion rapide, à grande distance et assistée par le vent Dans les deux scénarios, il est probable que la réplication locale de F tularensis après son transport puisse varier considérablement. La réplication se traduisant par de faibles taux de mutation annuels et des transports sur de longues distances peut expliquer l’absence d’évolution dépendant du temps observée dans cette étude. Il s’agit de la première étude à utiliser le WGS pour étudier une flambée de tularémie. assemblages de génome avec couverture maximale de la position des nucléotides pour déterminer les relations phylogénétiques exactes Dans les flambées respiratoires signalées précédemment [,,, -], les cultures de F tularensis n’étaient pas, à notre connaissance, retrouvées chez de multiples individus et aucune étude moléculaire n’était donc possible. Nos conclusions sur l’ascendance génétique des génomes Une analyse des épidémies utilisant moins de génomes de référence pourrait ne pas avoir révélé la complexité de la corrélation de la distance génétique avec la localisation géographique et le temps. Nous prévoyons que nos résultats aideront à l’interprétation des données génétiques dans les futures flambées de tularémie, y compris lorsqu’une dissémination intentionnelle de F tularensis est suspectée. Elle sera également utile pour l’exploration future des taux de réplication et du cycle naturel de F tularensis dans la nature. Enfin, ces données stimuleront la discussion sur les forces et limites de l’utilisation du WGS dans les enquêtes épidémiologiques. maladies infectieuses se propagent de sources environnementales à humains

Remarques

Remerciements Nous remercions les médecins et le personnel des centres de santé de district et du département des maladies infectieuses du Jämtland County Council, Suède, pour leur coopération dans l’enquête sur les épidémies et dans les laboratoires de microbiologie clinique du Jämtland County Council et du Västerbotten County Council en Suède pour l’accès aux isolats bactériens. reconnaître le soutien du laboratoire Science for Life; l’infrastructure nationale Infrastructure nationale suédoise pour le séquençage à grande échelle; Aide financière pour le séquençage et l’infrastructure computationnelle Ce travail a été soutenu par la direction de la science et de la technologie du département américain de la sécurité intérieure, le numéro HSHQDC-C- et le numéro de subvention de l’Agence suédoise pour la protection civile, conformément à l’accord entre la Le gouvernement des États-Unis et le Royaume de Suède sur la coopération en matière de science et de technologie pour la sécurité intérieure; Les auteurs ont également soumis le formulaire ICMJE pour la divulgation des conflits potentiels de conflits d’intérêts que les éditeurs considèrent comme pertinents pour le contenu de la politique de confidentialité. le manuscrit a été divulgué

Tu peux Aussi comme