Гипервирулентная Klebsiella pneumoniae (hvKP)
Маркеры гипервирулентности, капсульный серотип K1/K2, MLST и конвергенция с карбапенем-резистентностью — из одного анализа
🧬 О пайплайне
Гипервирулентная Klebsiella pneumoniae (hvKP) — вариант K. pneumoniae, вызывающий первичные пиогенные абсцессы печени с метастатическим распространением (эндофтальмит, менингит, абсцессы лёгких и мягких тканей) у иммунокомпетентных пациентов. Характерны капсульные серотипы K1/K2 и доминирующий сиквенс-тип ST23, а также гипермуковискозный фенотип (положительный string test). Ключевой фактор риск — сахарный диабет.
Вирулентность определяется большой плазмидой типа pLVPK (~200 т.п.н.): её маркеры — регуляторы капсулы rmpA/rmpA2, аэробактиновый локус (iucA/iutA — наиболее специфичный маркер hvKP), сальмохелин iroB и метаболический маркер peg-344. Плазмида богата повторами и IS-элементами, поэтому короткие прочтения её не собирают — здесь и кроется главное преимущество нанопорового секвенирования: длинные прочтения дают полную структуру вирулентных и резистентных плазмид, гибридную/T2T-сборку и одновременно MLST, капсульный тип (wzi, Kaptive) и резистом.
Наш пайплайн отвечает на главный вопрос инфекционного контроля: конвергенция гипервирулентности и карбапенем-резистентности. Вспышки ST11 CR-hvKP (blaKPC-2) в стационарах Китая с высокой летальностью показали, что отслеживание таких конвергентных штаммов — приоритетная задача.
- 📥 На входе: Сырые данные в формате
FASTQпосле High Accuracy basecalling (Dorado SUP, химия R10.4.1). Материал: культура, асцитическая/пунктатная жидкость, кровь. Оптимально: полногеномное секвенирование изолята или таргетное/метагеномное обогащение. - 📤 На выходе: Исследовательский HTML-отчёт (RUO) — вердикт hvKP/cKP, капсульный серотип и wzi-аллель, ST (MLST), профиль вирулентных маркеров плазмиды pLVPK, резистом и оценка конвергентного риска.
📊 Доступность продукта
| Платформа | Статус доступности |
|---|---|
| OnSiteSeq Cockpit Edge | 🟡 В разработке |
| OnSiteSeq Cockpit Desktop | 🟡 В разработке |
| OnSiteSeq Cockpit Cloud | 🔴 Недоступно |
🎯 Маркеры вирулентности и типирование
Плазмида вирулентности (тип pLVPK)
| Маркер | Функция | Значение |
|---|---|---|
| rmpA / rmpA2 | Регулятор синтеза капсулы | Гипермуковискозный фенотип; рамочные мутации снижают чувствительность детекции |
| iucA (iutA) | Синтез аэробактина | «Золотой стандарт» определения hvKP — наиболее специфичный маркер |
| peg-344 | Метаболический маркер | Высокоспецифичный плазмидный маркер гипервирулентности |
| iroB | Сальмохелиновый кластер | Плазмидный маркер вирулентности |
Типирование и конвергенция с резистентностью
| Локус | Маркеры | Значение |
|---|---|---|
| wzi / капсульный локус | K1, K2 (Kaptive) | Капсульный серотип — K1/K2 ассоциированы с абсцессами печени и эндофтальмитом |
| MLST | ST23 — классический hvKP; ST11 — CR-hvKP | ST11 CR-hvKP — причина внутрибольничных вспышек в Китае |
| Карбапенемазы | blaKPC-2, blaNDM | Конвергенция гипервирулентности и резистентности — приоритет инфекционного контроля |
⚙️ Версии и ML-модели
Основной инструмент
| Компонент | Статус |
|---|---|
| OnSiteSeq hvKP Pipeline | 🟡 В разработке |
Планируемые ML-модели
| Модель | Целевая задача |
|---|---|
| hvKP-Classify | Дискриминация hvKP vs классическая cKP по набору вирулентных маркеров |
| Convergence-Detector | Прогнозирование конвергентных штаммов (вирулентность + карбапенем-резистентность) |
🛠 Техническая архитектура
Пайплайн управляется фреймворком Snakemake в изолированных Conda-окружениях.
| Этап пайплайна | Ключевые библиотеки и инструменты |
|---|---|
| 1. Контроль качества (QC) | porechop_abi, NanoFilt, pigz |
| 2. Выравнивание (Mapping) | minimap2 (референсы хромосомы K. pneumoniae и плазмиды pLVPK) |
| 3. Поиск мутаций (Variant Calling) | medaka, clair3 |
| 4. Типирование | mlst (схема Pasteur/BIGSdb), Kaptive (капсульный локус, wzi) |
| 5. Аннотация вирулентности и резистома | Собственная база маркеров (rmpA/rmpA2, iucA, iroB, peg-344) + база карбапенемаз |
| 6. ML-инференс | PyTorch, pandas, scikit-learn |
🌍 Мировой контекст
- Эндемичный регион — hvKP эндемичен для Азиатско-Тихоокеанского региона (Китай, Тайвань, Южная Корея), где абсцессы печени hvKP — ведущая причина пиогенных поражений печени; штамм глобализируется и всё чаще выявляется за пределами Азии.
- Конвергенция с резистентностью — вспышки ST11 CR-hvKP (blaKPC-2) в китайских стационарах с высокой летальностью показали, что гипервирулентность и карбапенем-резистентность объединяются; отслеживание таких штаммов — приоритет инфекционного контроля.
- Тренд на mNGS — в китайской клинической практике широко применяется метагеномное секвенирование (mNGS); наш пайплайн встраивается в этот тренд, доводя mNGS-данные до штамм-уровневой характеристики.
- Клиническое значение — отличие hvKP от классической cKP критично для прогноза: риск метастатического эндофтальмита требует неотложной офтальмологической помощи и активного поиска метастатических очагов.
🔬 Ссылки
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».