Spatial Visualization of Data on the Antibiotic Resistance of Vibrio cholerae Strains Isolated in Russia

N. A. Selyanskaya; Селянская Н. А.; E. A. Bereznyak; Березняк Е. А.; A. V. Trishina; Тришина А. В.; I. R. Simonova; Симонова И. Р.; L. A. Egiazaryan; Егиазарян Л. А.; A. S. Vodopyanov; Водопьянов А. С.

doi:10.36233/0372-9311-2020-97-1-47-54

Пространственная визуализация данных по антибиотикорезистентности штаммов холерных вибрионов, изолированных на территории России

Авторы: Селянская Н.А.¹, Березняк Е.А.¹, Тришина А.В.¹, Симонова И.Р.¹, Егиазарян Л.А.¹, Водопьянов А.С.¹
Учреждения:
1. ФКУЗ «Ростовский-на-Дону противочумный институт» Роспотребнадзора
Выпуск: Том 97, № 1 (2020)
Страницы: 47-54
Раздел: ОРИГИНАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Дата подачи: 06.03.2020
Дата принятия к публикации: 06.03.2020
Дата публикации: 06.03.2020
URL: https://microbiol.crie.ru/jour/article/view/528
DOI: https://doi.org/10.36233/0372-9311-2020-97-1-47-54
ID: 528

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Цель. Разработка интегрированной онлайн, пополняемой и обновляемой географической информационной системы (ГИС) для систематизации и анализа сведений об антибиотикорезистентности V. cholerae El Tor.

Материал и методы. Методом серийных разведений в плотной питательной среде (МУК 4.2.2495-09) определяли чувствительность/устойчивость к 22 антибактериальным препаратам штаммов V. cholerae О1 El Tor, выделенных от людей и из водных объектов на территории России в 2005–2016 гг. Разработку интернет-версии ГИС проводили с использованием языков программирования HTML, JavaScript и PHP и картографических данных, полученных от корпорации «Ростелеком» и сообщества OpenStreetMap.

Результаты. Сравнительный анализ антибиотикорезистентности штаммов по субъектам РФ и по времени выделения показал увеличение в 2012–2016 гг. числа штаммов, устойчивых к стрептомицину, ампициллину, рифампицину, фуразолидону, появление в 2012–2016 гг. культур, резистентных к налидиксовой кислоте и цефтриаксону, снижение устойчивости к триметоприму/сульфаметоксазолу по сравнению с 2005–2009 гг. В Ставропольском крае выделенные V. cholerae О1 El Tor характеризовались резистентностью к фуразолидону (33,3%) и триметоприму/сульфаметоксазолу (100%), в Приморском крае — к ампициллину, стрептомицину, рифампицину (7%), фуразолидону (43%), триметоприму/сульфаметоксазолу (100%), в Иркутской области и Калмыкии — к ампициллину (8,3% и 11%), фуразолидону и триметоприму/сульфаметоксазолу (11% и 89%).

Заключение. Разработанная ГИС позволяет осуществлять сбор и анализ информации об антибиотикорезистентности V. cholerae О1 El Tor, проводить выборку штаммов по заданным свойствам.

Ключевые слова

ГИС, холера, антибиотикорезистентность

Полный текст

Введение

В современных условиях проблема лекарственной устойчивости микроорганизмов приобрела глобальный характер. Широкое распространение штаммов микроорганизмов с резистентностью к антимикробным препаратам потребовало создания в ряде стран национальных программ мониторинга и минимизации антибиотикорезистентности (АБР), внедрения комплекса аналитических исследований и организованных мероприятий по проведению динамического мониторинга за структурой и уровнем лекарственной устойчивости микроорганизмов.

Всемирная организация здравоохранения определила эпидемиологический надзор за устойчивостью к антибактериальным препаратам как одно из основных направлений Глобальной стратегии ВОЗ по сдерживанию АБР¹. В Европе этой проблемой занимается специальная Исследовательская группа по надзору за антимикробной резистентностью Европейского общества по клинической микробиологии и инфекционным болезням (ESCMID Study Group for Antimicrobial Resistance Surveillance).

В России на базе НИИ антимикробной химиотерапии ФГБОУ ВО «Смоленская государственная медицинская академия» с 2000 г. функционирует научно-методический центр по мониторингу АБР [1]. Активное участие в работе по формированию правильного применения противомикробных препаратов на национальном, региональном и международном уровнях принимает Роспотребнадзор, который в настоящее время разрабатывает план мероприятий по реализации «Стратегии предупреждения распространения антимикробной резистентности в Российской Федерации на период до 2030 года», утвержденной Правительством РФ в 2017 г., а также начал реализацию проекта «Совершенствование мер борьбы и профилактики инфекций, связанных с оказанием медицинской помощи», в рамках которого уделяется значительное внимание вопросам изучения АБР, разработке и внедрению мероприятий по ее сдерживанию на глобальном и региональном уровнях.

Во многих странах для систематического сбора и анализа данных, количественной оценки распространенности АБР и ее динамики внедрены «интерактивные» системы мониторинга АБР. Широко применяются географические информационные системы (ГИС), которые позволяют анализировать большой набор данных со сложной структурой, делать быстрые интерактивные запросы о свойствах объектов. Благодаря возможности комбинировать пространственные и эпидемиологические данные ГИС способны визуализировать обработанную информацию в виде карт, картодиаграмм, трехмерных и анимированных изображений в понятной и удобной для пользователя форме [2]. Карты пользуются большим спросом в качестве средств визуализации информации, а создание онлайн-версий ГИС, размещаемых в интернете, делает их доступными широкому кругу пользователей. Так, возможность интерактивного анализа и/или представления данных мониторинга АБР ряда инфекций заложена в специализированных программах EARS-Net², CDDEP ResistanceMap³, SGSS⁴, NNIS system, ATLAS⁵, SMART⁶, WHONET⁷. В России разработан интернет-ресурс AMRmap⁸ по мониторингу АБР клинически значимых микроорганизмов, содержащий набор инструментов для визуализации данных о чувствительности микроорганизмов к антимикробным препаратам и распространенности основных генетических детерминант АБР [3].

Использование информационных технологий в мониторинге холеры позволило создать базы данных (БД):

«Справочник-кадастр» выделения вибрионов на территории бывшего СССР (1970— 1988 гг.);
БД ГИС «Распространение холерных вибрионов в объектах окружающей среды на территории Российской Федерации в 2005-2008 годах»;
БД «Холера Эль Тор. Эпидемиологический анализ заболеваемости в СНГ»;
«Штаммы Vibrio cholerae»;
«Распространение холерных вибрионов в объектах окружающей среды на территории Российской Федерации в 1989-2014 гг.»;
«Холерные вибрионы не О1/не О139 серогрупп, циркулирующие в Ростовской области»;
«Холера Штаммы VNTR»;
БД ГИС «Холера 1989-2014» и др. [4-12].

На основе разработанных БД и ГИС по проблеме «Холера» ведется ежегодная оценка эпидемиологической обстановки по холере на глобальном и территориальном уровнях, осуществляется анализ фенои генотипических свойств холерных вибрионов в аспекте многолетних данных об их циркуляции в водных объектах окружающей среды на территории России [13-15]. Наличие онлайн-версий данных ГИС и интегрированность в геоинформационный портал Ростовского-на-Дону противочумного института Роспотребнадзора делает их доступными широкому кругу пользователей.

Сообщения о циркуляции устойчивых к антимикробным препаратам штаммов Vibrio cholerae в различных странах, завоз холеры с выделением возбудителей от больных и из объектов окружающей среды на территории России [16, 17] свидетельствуют о необходимости проведения мониторинга антимикробной резистентности в рамках эпидемиологического надзора за холерой с целью получения информации о распространении, характере и динамике АБР в конкретный период времени на данной территории, что необходимо для разработки и внедрения более эффективных подходов к лечению, сдерживанию появления и распространения антимикробной резистентности на локальном, региональном, национальном и международном уровнях. Однако до настоящего времени в Интернете в формате пространственной визуализации не были представлены данные по устойчивости/ чувствительности к антибактериальным препаратам штаммов холерных вибрионов, выделенных на территории России.

Цель работы — разработка интегрированной онлайн пополняемой и обновляемой ГИС для систематизации и анализа сведений об АБР V cholerae El Tor.

Материал и методы

Работа проводилась на 285 штаммах V. cholerae О1 El Tor, выделенных на территории России в 2005-2016 гг.:

от людей (8 штаммов V. choleraeО1 El Tor ctxA+tcpA+, выделенных в 2006 г. в Мурманской области, в 2010, 2012, 2014 гг. в Москве);
из объектов окружающей среды:

251 штамм V choleraeО1 El Tor ctxAtcpA, выделенный в Алтайском, Приморском, Забайкальском, Ставропольском, Краснодарском краях, Иркутской, Кемеровской, Хабаровской, Тюменской, Ростовской, Воронежской областях, Республиках Калмыкия и Крым;
24 штамма choleraeО1 El Tor ctxAlcpA+, выделенных в Ростовской области, Республике Калмыкия, Алтайском крае, Хабаровском крае;
2 штамма ctxA+tcpA+, выделенных в 2011, 2014 гг. в Ростовской области, которые хранились в Музее живых культур Ростовского-на-Дону противочумного института.

Чувствительность/устойчивость штаммов к 22 антибактериальным препаратам определяли методом серийных разведений в плотной питательной среде в соответствии с МУК 4.2.2495-09⁹. Контролем служили антибиотикочувствительные штаммы V. cholerae О1 El Tor Р-5879 (сtxА+tcpА+, выделен от больного в Ростовской области в 1972 г.) и V. cholerae non 01/non О139 Р-9741 (КМ162) (сtxА^–tcpА^–, выделен из воды в Ростовской области в 1979 г.).

В работе использованы антибактериальные препараты: тетрациклин, доксициклин, левомицетин, рифампицин, гентамицин, канамицин, амикацин, стрептомицин, ампициллин, цефтриаксон, цефотаксим, полимиксин, ципрофлоксацин, пефлоксацин, офлоксацин, норфлоксацин, левофлоксацин, ломефлоксацин, моксифлоксацин, фуразолидон, триметоприм/сульфаметоксазол — отечественного производства (ПАО «Биохимик», ОАО «Борисовский завод медицинских препаратов», ООО «Барнаульский завод медицинских препаратов», ОАО «Фармстандарт Томск химфарм», АО «Фармсинтез», ЗАО «Фармацевтическое предприятие «Оболенское», ОАО «Синтез», ООО «Озон»); налидиксовая кислота (невиграмон, «Sanofi Avensis», Венгрия).

Разработку интернет-версии ГИС проводили с использованием языков программирования HTML, JavaScript и PHP. В качестве ядра служила свободно распространяемая библиотека Leaflet, написанная на языке JavaScript. Для визуализации данных применяли карты, полученные от корпорации «Ростелеком» (Россия) и сообщества OpenStreetMap.

Статистическую обработку результатов осуществляли с помощью программы Microsoft Office Excel. Статистическую значимость различий доли резистентных штаммов оценивали с помощью ί-критерия Стьюдента при уровне значимости α < 0,05.

Результаты

Определены чувствительность/устойчивость к антибактериальным препаратам штаммов V. cholerae О1 El Tor, выделенных на территории России в 2005-2016 гг., наличие культур с различным спектром устойчивости: к левомицетину (минимальная подавляющая концентрация (МПК) = 16 мг/л). стрептомицину (МПК = 128 мг/л), гентамицину (МПК = 8 мг/л), ампициллину (МПК = 128 мг/л), цефтриаксону (МПК = 4 мг/л), рифампицину (МПК = 32 мг/л), триметоприму/сульфаметоксазолу (МПК = 64/320 мг/л), фуразолидону (МПК = 1664 мг/л), налидиксовой кислоте (МПК = 128 мг/л) и с повышенными значениями МПК ципрофлоксацина (МПК = 0,01 мг/л).

Сведения об антибиотикочувствительности штаммов V. cholerae были внесены в электронные таблицы, которые послужили основой для создания авторской пополняемой базы данных ГИС «Антибиотикорезистентность холерных вибрионов Эль Тор, выделенных на территории Российской Федерации» [18], интегрированной в геоинформационный портал Ростовского-на-Дону противочумного института Роспотребнадзора¹⁰.

Информация, представленная в ГИС, включает: род и вид микроорганизма (V. cholerae О1 El Tor), наличие либо отсутствие генов ctx и tcp, год выделения, источник выделения, наименование территории, на которой были изолированы культуры, номера штаммов, присвоенные в Музее живых культур Ростовского-на-Дону противочумного института Роспотребнадзора, чувствительность либо устойчивость к антибактериальным препаратам.

Главная страница ГИС представляет собой интерактивную карту с обозначенными на ней местами выделения штаммов V. cholerae 01 El Tor, которые включают Алтайский, Приморский, Забайкальский, Ставропольский, Хабаровский, Краснодарский края, Иркутскую, Кемеровскую, Свердловскую, Челябинскую, Тюменскую, Ростовскую, Рязанскую, Воронежскую, Астраханскую области, г. Москву, Республики Татарстан, Калмыкия и Крым. Несколько штаммов, сгруппированных вместе, отображаются кружком, при этом в центре указывается, сколько именно штаммов входит в эту группу. Отдельные штаммы обозначены звездочками. Имеется возможность получения информации (номер штамма, дата, место и источник выделения, генотип) о каждом из штаммов в отдельном диалоговом окне. Рассматривая характеристики штаммов более детально, можно определить число штаммов, изолированных от людей и из водных объектов, а также наличие или отсутствие в них генов ctx и tcp.

Работа с ГИС позволяет выбирать для отображения в необходимом масштабе «административные границы регионов Российской Федерации» либо «Ростовскую область».

ГИС содержит параметры для поиска штаммов, которые включают год выделения (либо несколько лет), название антибактериальных препаратов, резистентность к которым интересует пользователя. После указания необходимых параметров на экране появляются штаммы V. cholerae О1 El Tor, резистентные к данному антибактериальному препарату, выделенные в определенный период времени. Так, анализ АБР штаммов V. cholerae О1 El Tor, выделенных на территории РФ в 2005-2016 гг., показал отсутствие холерных вибрионов, устойчивых к тетрациклину и доксициклину. Большинство штаммов характеризовалось устойчивостью к триметоприму/сульфаметоксазолу и фуразолидону. Указанными свойствами обладают штаммы, выделенные в Краснодарском и Ставропольском краях, в Республиках Крым и Калмыкия.

Работая с ГИС, можно анализировать АБР в динамике по годам либо в конкретные временные промежутки. Детальный анализ годовой динамики АБР культур, выделенных в 2012-2016 гг., показал, что на фоне постоянного выделения штаммов, устойчивых к фуразолидону (100%) и триметоприму/ сульфаметоксазолу (35-93,7%), в указанный период наблюдалась вариабельность резистентности к другим антибактериальным препаратам. Штаммы, устойчивые к налидиксовой кислоте, не выделялись в 2012 г., а в 2015 г. наблюдалось наибольшее их число (68%). К стрептомицину устойчивость колебалась на уровне 6,2-28,6%. Количество холерных вибрионов, устойчивых к ампициллину, в 2012 г. составило 50% с уменьшением в последующие годы до 3,6-35%. Штаммы, резистентные к цефтриаксону, составляли 3,6 и 15% в 2015-2016 гг. В предыдущие годы (2012-2014 гг.) такие штаммы отсутствовали.

Сравнение данных по АБР холерных вибрионов Эль Тор, изолированных в 2005-2012 и 2012-2016 гг., показало увеличение в 2012-2016 гг. числа штаммов, устойчивых к стрептомицину (с 2,1 до 16%), ампициллину (с 8,5 до 21,7%), рифампицину (с 2,1 до 6,3%), фуразолидону (с 27,7 до 100%), появление в 2012-2016 гг. культур, резистентных к налидиксовой кислоте (22%) и цефтриаксону (4%). Устойчивость к триметоприму/сульфаметоксазолу в 2012-2016 гг. понизилась до 58% против 91,5% в 2005-2009 гг. (рис. 1).

Рис. 1. Сравнительная характеристика АБР штаммов V. cholerae О1 El Tor, выделенных в 2012-2016 гг (а), в периоды 2005-2012 гг и 2012-2016 гг (б). 1 — налидиксовая кислота; 2 — стрептомицин; 3 — ампициллин; 4 — цефтриаксон; 5 — рифампицин; 6 — триметоприм/сульфаметоксазол; 7 — фуразолидон.

Fig. 1. Comparative characteristics of antibiotic resistance (%) of V. cholerae O1 El Tor strains isolated in 2012-2016 (a), in the periods 2005-2012 and 2012-2016 (b). 1 — nalidixic acid; 2 — streptomycin; 3 — ampicillin; 4 — ceftriaxone; 5 — rifampicin; 6 — trimethoprim/sulfamethoxazole; 7 — furazolidone.

При анализе АБР штаммов V. cholerae О1 El Tor, выделенных в 2005-2016 гг. на территории различных субъектов РФ, было установлено, что в Ставропольском крае выделенные штаммы в 33,3% случаев были устойчивы к фуразолидону и в 100% — к триметоприму/сульфаметоксазолу. Культуры из Приморского края в 7% случаев оказались резистентны к ампициллину, стрептомицину, рифампицину; в 43% — к фуразолидону, в 100% — к триметоприму/ сульфаметоксазолу. У изолятов из Иркутской области и Калмыкии устойчивость к ампициллину составила 8,3-11%, а к фуразолидону и триметоприму/ сульфаметоксазолу — 11-89% (рис. 2).

Рис. 2. АБР штаммов V. cholerae О1 El Tor, выделенных в различных регионах Российской Федерации (%). 1 — налидиксовая кислота; 2 — стрептомицин; 3 — ампициллин; 4 — цефтриаксон; 5 — рифампицин; 6 — триметоприм/сульфаметоксазол; 7 — фуразолидон.

Fig. 2. Antibiotic resistant strains of V. cholerae O1 El Tor isolated in various regions of the Russian Federation. 1 — nalidixic acid; 2 — streptomycin; 3 — ampicillin; 4 — ceftriaxone; 5 — rifampicin; 6 — trimethoprim/sulfamethoxazole; 7 — furazolidone.

Заключение

Разработанная ГИС предназначена для сбора и анализа информации об АБР V. cholerae с целью оптимизации мониторинговых исследований. Она позволяет наглядно прослеживать пространственную и временную динамику АБР штаммов на всех административных территориях страны, учитывая время, объект выделения, территорию, а также устойчивость к тому или иному антибактериальному препарату; определять сходства и различия штаммов по заданным параметрам.

Информация, представленная в ГИС, может быть полезна при прогнозировании эффективности этиотропной терапии, а также в эпиднадзоре за холерой в России. Кроме того, имеется возможность ее пополнения за счет включения новых охарактеризованных штаммов V. cholerae. Создание и развитие подобных специализированных интернет-ресурсов открывает новые возможности для организации комплексного оперативного мониторинга состояния АБР различных возбудителей на территории Российской Федерации.