Новое исследование сочетает эволюционную геномику образцов коронавируса с компьютерным моделированием эпидемий и подробными записями путешествий, чтобы реконструировать распространение коронавируса по всему миру в беспрецедентных деталях.
Опубликованные в журнале Science результаты свидетельствуют о длительном периоде упущенных возможностей, когда интенсивное тестирование и отслеживание контактов могли бы предотвратить распространение SARS-CoV-2 в Северной Америке и Европе.
В документе также оспариваются предположения, которые связывали самые ранние известные случаи заболевания COVID-19 на каждом континенте в январе со вспышками, обнаруженными неделями позже, и содержится ценная информация, которая могла бы информировать ответные меры общественного здравоохранения и помочь в прогнозировании и предотвращении будущих вспышек COVID-19 и других зоонозных заболеваний.
«Мы стремились разработать и применить мощную новую технологию для проведения окончательного анализа того, как пандемия развивалась в пространстве и времени по всему земному шару«, — сказал исследователь Университета Аризоны Майкл Воробей, возглавлявший междисциплинарную группу ученых из 13 исследовательских институтов в США, Бельгии, Канаде и Великобритании. «Раньше было много возможностей, плавающих в мешанине науки, социальных сетей и беспрецедентного количества предварительных публикаций, все еще ожидающих экспертной оценки.«
Команда основывала свой анализ на результатах секвенирования вирусного генома, которое началось сразу же после идентификации вируса. Эти работы быстро переросли в беспрецедентные по масштабам и темпам всемирные усилия и сделали десятки тысяч последовательностей генома общедоступными в базах данных.
Исследователи обнаружили, что вопреки широко распространенному мнению, первые задокументированные прибытия инфицированных людей, путешествовавших из Китая в США и Европу, не привели к возникновению континентальных вспышек.
Вместо этого быстрые и решительные меры, направленные на отслеживание и сдерживание этих первоначальных вторжений вируса, были успешными и должны служить образцовыми ответными мерами, направляющими будущие действия и политику правительств и учреждений общественного здравоохранения, заключают авторы исследования.
Как вирус попал в США и Европу
Гражданин Китая, прилетевший 15 января в Сиэтл из Уханя, Китай, стал первым пациентом в США, который был заражен новым коронавирусом, и первым, у кого был секвенирован геном SARS-CoV-2. Этот пациент был обозначен как ‘ WA1. Только через шесть недель в штате Вашингтон было обнаружено еще несколько случаев заболевания.
«И пока все это время проходит, все пребывают в неведении и недоумевают: «что происходит?» — Сказал Воробей. «Мы надеемся, что у нас все в порядке, мы надеемся, что нет других случаев, и тогда становится ясно, из замечательной программы отбора проб вируса сообщества в Сиэтле, что есть больше случаев в Вашингтоне, и они генетически очень похожи на вирус WA1.«
Воробей и его коллеги проверили преобладающую гипотезу, предполагающую, что пациент WA1 установил кластер передачи, который оставался незамеченным в течение шести недель. Хотя геномы, отобранные в феврале и марте, имеют общее сходство с WA1, они достаточно различны, чтобы идея WA1, устанавливающая последующую вспышку, была очень маловероятной, определили они. Выводы исследователей указывают на то, что скачок из Китая в США, скорее всего, произошел 1 февраля или около того.
Полученные результаты также опровергают предположение о том, что эта вспышка, самый ранний значительный кластер передачи в США, возможно, была инициирована косвенно рассеиванием вируса из Китая в Британскую Колумбию, Канада, к северу от штата Вашингтон, а затем распространилась из Канады в США. Многочисленные геномы SARS-CoV-2, опубликованные Центром по контролю заболеваний Британской Колумбии, оказались наследственными вирусным вариантам, отобранным в штате Вашингтон, что убедительно свидетельствует о канадском происхождении американской эпидемии. Однако настоящее исследование выявило ошибки секвенирования в этих геномах, тем самым исключив этот сценарий.
Вместо этого новое исследование предполагает прямой источник вспышки болезни в США из Китая, как раз в то время, когда администрация США ввела запрет на поездки для туристов из Китая в начале февраля. Национальность «индексного случая» вспышки болезни в США не может быть известна наверняка, потому что десятки тысяч американских граждан и обладателей виз путешествовали из Китая в США даже после того, как запрет вступил в силу.
Подобный сценарий знаменует собой первое известное внедрение коронавируса в Европу. 20 января сотрудник компании по поставкам автомобилей в Баварии, Германия, прилетел на деловую встречу из Шанхая, Китай, неосознанно перенеся вирус, что в конечном итоге привело к заражению 16 сотрудников. В этом случае также впечатляющая реакция быстрого тестирования и изоляции предотвратила дальнейшее распространение вспышки, заключает исследование. Вопреки предположениям, эта немецкая вспышка не была источником вспышки в Северной Италии, которая в конечном итоге широко распространилась по всей Европе, а так же в Нью-Йорке и остальной части США.
Авторы также показывают, что этот маршрут распространения вируса из Китая в Италию и США зажег кластеры передачи на восточном побережье чуть позже в феврале, чем движение вируса из Китая в США, которое привело к вспышке заболевания в штате Вашингтон. Вашингтонский кластер передачи также предшествовал небольшим кластерам общинной передачи в феврале в Калифорнии, что делает его самым ранним в Северной Америке.
Ранние меры по локализации эпидемии
Авторы говорят, что интенсивные вмешательства, включающие тестирование, отслеживание контактов, меры изоляции и высокую степень соответствия инфицированных лиц, которые сообщали о своих симптомах органам здравоохранения и своевременно самоизолировались, помогли Германии и району Сиэтла сдержать эти вспышки в январе.
«Мы считаем, что эти меры привели к ситуации, когда первые искры можно было бы успешно потушить, предотвратив дальнейшее распространение в обществе«, — сказал Воробей. «Это говорит нам о том, что меры, принимаемые в этих случаях, являются высокоэффективными и должны служить основой для будущих ответных мер на возникающие заболевания, которые потенциально могут перерасти в глобальные пандемии.«
Чтобы восстановить ход развития пандемии, ученые запустили компьютерные программы, которые тщательно моделировали эпидемиологию и эволюцию вируса, другими словами, как SARS-CoV-2 распространялся и мутировал с течением времени.
«Это позволило нам снова и снова прокручивать ленту о том, как развивалась эпидемия, а затем проверять сценарии, которые появляются в симуляциях, на соответствие тем моделям, которые мы видим в реальности«, — сказал Воробей.
«В случае с Вашингтоном мы можем спросить: «А что, если тот пациент WA1, который прибыл в США 15 января действительно положил начало этой вспышке? Ну, если он это сделал, и вы повторяете ту эпидемию снова и снова, а затем берете образцы инфицированных пациентов из этой эпидемии и прослеживаете развитие вируса таким образом, получается ли у вас картина, похожая на то, что мы видим в реальности? И ответ был «нет»«, — сказал он.
«Если вы посеете эту раннюю итальянскую вспышку с той, что в Германии, видите ли вы закономерность, которую вы получаете в эволюционных данных? И ответ, опять же, нет«, — сказал он.
«Повторно запустив внедрение SARS-CoV-2 в США и Европу с помощью моделирования, мы показали, что очень маловероятно, что первые документированные вирусные интродукции в эти районы привели к продуктивным кластерам передачи«, — сказал соавтор исследования Джоэл Вертхайм из Калифорнийского университета в Сан-Диего. «Молекулярно-эпидемиологические анализы невероятно эффективны для выявления паттернов передачи SARS-CoV-2.«
Затем другие методы были объединены с данными виртуальных эпидемий, что дало исключительно подробные и количественные результаты.
«Фундаментальным для этой работы является наш новый инструмент, объединяющий подробную информацию об истории путешествий и филогенетику, который создает своего рода» генеалогическое древо» того, как различные геномы вирусов, отобранных у инфицированных людей, связаны друг с другом«, — сказал соавтор Марк Сушар из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. «Более точные эволюционные реконструкции с помощью этих инструментов обеспечивают критический шаг к пониманию того, как SARS-CoV-2 распространился по всему миру за такое короткое время.«
«Мы должны иметь в виду, что мы изучили только краткосрочную эволюцию этого вируса, поэтому у него не было много времени, чтобы накопить множество мутаций«, — сказал соавтор Филипп Лемей из Университета Левена, Бельгия. «Добавьте к этому неравномерную выборку геномов из разных частей мира, и станет ясно, что есть огромные преимущества, которые можно получить от интеграции различных источников информации, сочетания геномных реконструкций с дополнительными подходами, такими как полетные записи и общее число случаев COVID-19 в различных регионах мира в январе и феврале.«
«Наши исследования показывают, что когда вы хорошо проводите раннее вмешательство и обнаружение, это может оказать огромное влияние как на предотвращение пандемий, так и на контроль над ними, как только они прогрессируют«, — сказал Воробей. «В то время как эпидемия в конечном счете проскользнула, были ранние победы, которые показывают нам как двигаться дальше: всестороннее тестирование и идентификация случая заражения являются мощным оружием.«
Источниками финансирования этого исследования являются Фонд Дэвида и Люсиль Паккард, Национальные институты здравоохранения, Европейский исследовательский совет, фонд Wellcome Trust и программа быстрого реагирования на коронавирус канадских институтов медицинских исследований.
Источник: University of Arizona