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在公共卫生实践上,国内和国外均目前主要使用基于脉冲场凝胶电泳(PFGE)的技术,并以PulseNet的组织形式成为跨国食源性病原监测网络。PFGE技术已经服务公共卫生20年,卓有成效,但限制于其技术原理,分辨率在实际应用中仍显不足。

随着基因组学技术的发展,发达国家已经逐步采取微生物全基因组测序技术(WGS)应用于食源性乃至其他病原的诊断和监测工作中,称为Next Generation PulseNet。我国政府也在有关领域专家的倡导下,将“构建食源性致病菌全基因组国家数据库和溯源技术国家网络”纳入“十三五”重大产品示范领域。

相比PulseNet所用的传统标准技术——脉冲场凝胶电泳(PFGE),WGS提供更为详细和准确的数据。PFGE只能比较15-30个条带的差异,而WGS则能比较数百万个碱基的差异。在WGS应用过程中,CDC发现有些PFGE技术判断为同一来源的细菌,事实上是不同的,而有些细菌在PFGE技术判断为不同的,可事实上却是同一来源,WGS已经帮助解决了一些类似的暴发事件。

全基因组测序是一种快速的、经济的技术,使一次测序就能获得细菌的深层信息,能使PulseNet的监测效率大大提高。全基因组测序提示了一个生物体全部的DNA,使我们能更好地了解物种内和物种间的差异,同时,也反馈给我们其它技术无法达到的检测精度。

在食源性病原菌监测方面,WGS最基本的作用是鉴定从食物或者环境中分离出的病原,然后与临床病人分离出的病原进行比较。如果病人中分离到病原与从食物或者食物生产环境中分离到的相匹配,那么这两者中就有了某种可能的联系,这有助于确定食源性疾病暴发的范围。当然,这类检验工作目前通常使用的是PFGE技术,但有些病原是PFGE无法区分的,比如一些非典型的沙门氏菌。全基因组测序在某种程度上是与PFGE起了同样的作用,但WGS能检测所有的食源性病原,无论什么物种。WGS可以区分非常相近的分离株,也可通过少量的暴发和临床样本来检测传播源,从而及时阻止进一步的污染传播,避免更多的感染可能。

结合病原菌的基因组数据和其它信息,能可靠的帮助公共卫生人员鉴定和了解食源性疾病暴发情况,这些信息可用于:区分哪些病人是疾病暴发的一部分,而哪些不是;确定一次暴发事件中,某多成分的食物中哪种成分是受到污染的;确定受污染成分所可能产生的地理区域,确定不可能的病原菌传播路径;准确区分污染源,即使在同一起暴发事件中;感染病人数量少的情况下,往往忽视可能的暴发事件,WGS能将少量的病人关联起来,判断是否为潜在的暴发事件。

准确区分一起暴发事件中不同的污染源

2010年,美国全国性沙门氏菌病的暴发,超过1900人发病,感染是来自于鸡蛋中的沙门氏菌。全基因组测序在本次事件中发挥了重要作用:1)确定的暴发范围的大小;2)确认了污染是来自于鸡蛋;3)确认是由哪些鸡蛋污染导致了暴发事件。全基因组测序准确识别出,病原菌是来自于两种不同鸡蛋来源的沙门氏菌,但这两种菌非常相近,同样的,病人中分离到的也是这两种沙门氏菌,从而确定了本次暴发事件是由两种不同来源鸡蛋的沙门氏菌在同一时期感染食用者而引起的。

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准确识别多成分的混合食物中的主要污染物

2009年,美国近300人感染沙门氏菌患病,病人反馈罪魁祸首是意大利五香腊肠,但传统技术并没能找到证据证明污染源,是腊肠,还是腊肠的红黑胡椒粉,或者是几年前采集的腰果呢?全基因组测序证实,这次暴发事件的污染源是作为佐料的红黑胡椒粉。

Identification of a Salmonellosis Outbreak by Means of Molecular Sequencing