Определение лекарственной устойчивости и токсигенности Clostridioides difficile
Геномный надзор за возбудителем антибиотик-ассоциированного колита — ургентного патогена CDC/ВОЗ
🧬 Описание пайплайна
Clostridioides difficile (C. diff) — грамположительная анаэробная спорообразующая палочка, ведущий возбудитель антибиотик-ассоциированной диареи и псевдомембранозного колита. CDC классифицирует CDI как ургентную угрозу («urgent threat»): в США ежегодно регистрируется >500 000 случаев и ~30 000 летальных исходов. Ключевая проблема — рост резистентности к метронидазолу и вспышки, вызванные гипервирулентными риботипами (прежде всего RT027/NAP1), устойчивыми к фторхинолонам.
Наш пайплайн обеспечивает полный цикл анализа нанопоровых данных: от выявления токсин-продуцирующих штаммов до профиля устойчивости ко всем клинически значимым антибиотикам — прямо в больничной лаборатории без передачи данных за рубеж.
- 📥 На входе: Сырые данные в формате
FASTQпосле High Accuracy basecalling (Dorado SUP, химия R10.4.1). Поддерживается полногеномное секвенирование (WGS) и ампликонное секвенирование ключевых генов резистентности. - 📤 На выходе: Исследовательский HTML-отчёт (RUO) с токсинотипом, риботипом (in silico) и профилем чувствительности; технический QC-отчёт для биоинформатика.
📊 Доступность продукта
| Платформа | Статус доступности |
|---|---|
| OnSiteSeq Cockpit Edge | 🟡 В разработке |
| OnSiteSeq Cockpit Desktop | 🟡 В разработке |
| OnSiteSeq Cockpit Cloud | 🔴 Недоступно |
☣️ Токсины и факторы вирулентности
Первым делом пайплайн определяет токсигенный потенциал штамма — главный клинический вопрос при CDI:
| Ген | Белок | Значение |
|---|---|---|
| tcdA | Токсин A (энтеротоксин) | Маркер патогенности (PaLoc) |
| tcdB | Токсин B (цитотоксин) | Главный фактор вирулентности CDI |
| tcdC | Репрессор PaLoc | Делеция 18 п.н. → гиперпродукция токсинов (RT027) |
| cdtA | Бинарный токсин, компонент A | Маркер гипервирулентных риботипов (RT027, RT078, RT244) |
| cdtB | Бинарный токсин, компонент B | То же |
🎯 Гены и мутации резистентности
| Ген | Ключевые мутации | Класс антибиотиков |
|---|---|---|
| gyrA | Thr82Ile | Ципрофлоксацин, фторхинолоны — главный драйвер эпидемий RT027 |
| gyrB | Asp426Asn, Lys447Glu | Фторхинолоны |
| rpoB | Val1143Gly, Arg505Lys и др. | Фидаксомицин, Рифаксимин |
| tetM / tetW | Наличие гена | Тетрациклин |
| ermB | Наличие гена | Эритромицин, Клиндамицин (MLSB-феноменотип) |
| nimB | Наличие гена | Метронидазол (нитроимидазол-резистентность) |
| vanB | Кластер vanHBXB | Ванкомицин (редко, эпидемиологический маркер) |
Профиль антибиотиков в отчёте
| Антибиотик | Класс | Клиническое значение |
|---|---|---|
| Ванкомицин | Гликопептид | Первая линия (тяжёлая CDI) |
| Фидаксомицин | Макроциклический антибиотик | Предпочтителен при рецидивах |
| Метронидазол | Нитроимидазол | Исторически первая линия, рост резистентности |
| Рифаксимин | Ансамицин | Follow-on терапия при рецидивах |
| Ципрофлоксацин | Фторхинолон | Эпидемиологический маркер (RT027) |
| Тетрациклин | Тетрациклин | Эпидемиологический маркер |
🧫 In silico риботипирование
PCR-риботипирование — золотой стандарт эпидемиологического надзора за CDI. Пайплайн выполняет его in silico по WGS-данным:
| Риботип | Особенности |
|---|---|
| RT027 (NAP1/BI) | Гипервирулентный; tcdC Δ18 п.н.; bинарный токсин; устойчив к фторхинолонам |
| RT078 | Гипервирулентный; бинарный токсин; зооноз (свиньи) |
| RT014 / RT020 | Наиболее распространены в Европе |
| RT001 / RT002 | Исторически доминировали в РФ |
| RT244 | Эмерджентный гипервирулентный риботип (Австралия) |
⚙️ Версии и ML-модели
Основной инструмент
| Компонент | Статус |
|---|---|
| OnSiteSeq CDI Pipeline | 🟡 В разработке |
Планируемые ML-модели
| Модель | Целевая задача |
|---|---|
| CDI-Tox-Classifier | Классификация токсинотипа по WGS (tcdA/B/C/cdtAB) |
| CDI-Res-Detector | Предсказание резистентности по 6 классам АБ |
| CDI-Ribotyper | In silico риботипирование (≥30 риботипов) |
Обучение планируется на открытых геномах из NCBI Pathogen Database (>5 000 геномов C. difficile) и данных европейского консорциума ESCMID CDI Study Group.
🛠 Под капотом: Зависимости и Окружение (Pipeline Stack)
| Этап пайплайна | Ключевые библиотеки и инструменты |
|---|---|
| 1. Контроль качества (QC) | porechop_abi, NanoFilt, pigz |
| 2. Выравнивание (Mapping) | minimap2 2.26, samtools >=1.17 (Референс: C. diff 630 / R20291) |
| 3. Поиск мутаций (Variant Calling) | clair3 >=1.0.4, medaka |
| 4. Детекция токсинов и генов AMR | AMRFinderPlus, abricate (базы CARD, VFDB, Resfinder) |
| 5. In silico риботипирование | mlst (схема C. difficile, PubMLST), кастомный риботипер |
| 6. ML-инференс | PyTorch, pandas, scikit-learn |
🌍 Глобальный контекст: почему это важно
- CDC, 2019 — C. difficile занесён в категорию «Urgent Threat» — наивысший уровень угрозы.
- ВОЗ AMR Action Plan — CDI назван одной из приоритетных нозокомиальных инфекций.
- Россия — данные о распространённости риботипов ограничены; доминируют RT001, RT002, RT014, но RT027 фиксируется в крупных стационарах.
- Ключевая проблема диагностики — текущий стандарт (ИФА на токсины + культура) занимает 2–5 дней. Геномный анализ на месте (RUO) может давать результат в тот же день и одновременно закрывает вопрос об устойчивости к антибиотикам.
- Другие клостридии — см. наш пайплайн для Clostridium perfringens: газовая гангрена, где счёт идёт на часы, токсинотипирование (cpa/cpb/etx/cpe/netB) и срочный AMR-профиль.
🔬 Связанные источники
AI medtech платформа для управления контейнеризованными биоинформатическими пайплайнами.
Edge-платформа. Рабочее место. Облачные вычисления.
Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2026680748.
Проект начат в МФТИ, продолжен в аспирантуре РНИМУ им. Н.И. Пирогова.
Получение разрешений и валидация в процессе. Текущий статус — RUO. Только для научных исследований. Не для диагностики.
Проект — участник топ-1000 университетских стартапов и Акселерационной программы «Будущее медицины».