Cryptococcus neoformans — дрожжевая клетка с огромной полисахаридной капсулой

Cryptococcus neoformans / gattii: видовая идентификация, молекулярные типы и азольная резистентность

Дифференциация видов, CNV и дисомия хромосомы 1 за часы — то, чего не даёт ни CrAg, ни культура


🧬 О пейплайне

Cryptococcus neoformans — капсульные дрожжи-базидиомицеты; криптококковый менингит — ведущая причина взрослого менингита в странах с высокой распространённостью ВИЧ: по оценкам, ~112 000–152 000 смертей ежегодно, до 19% всей ВИЧ-связанной смертности. В 2022 году WHO включила криптококк в список приоритетных грибковых патогенов — критическая группа. Растущее значение инфекция приобретает и в Китае — в том числе у пациентов без ВИЧ, что размывает привычный клинический портрет.

Отдельная проблема — C. gattii: исторически «тропический» вид, он поражает иммунокомпетентных людей (знаменитая вспышка на острове Ванкувер и в Тихоокеанском Северо-Западе, ареал расширяется вместе с климатом), даёт более тяжёлое течение с нейро-обструкциями и хуже отвечает на флуконазол. Визитная карточка рода — огромная полисахаридная капсула: главный фактор вирулентности и одновременно препятствие для классической ПЦР-экстракции ДНК (но не для нанопоровой подготовки библиотеки).

Наш пайплайн по данным нанопорового секвенирования выполняет видовую идентификацию (neoformans vs gattii — это прогностически разные заболевания), определяет молекулярные типы VNI–VNIV (neoformans) и VGI–VGIV (gattii) и собирает профиль азольной резистентности — включая анеуплоидии и CNV, которые короткие прочтения не видят.

  • 📥 На входе: Сырые данные в формате FASTQ после High Accuracy basecalling (Dorado SUP, химия R10.4.1). Материал: чистый изолят, ликвор. Оптимально — ампликоны ITS / D1–D2 на Flongle для быстрой видовой идентификации (Edge).
  • 📤 На выходе: HTML-отчёт врачу — вид, молекулярный тип, профиль чувствительности к флуконазолу (ERG11, AFR1, дисомия хромосомы 1), маркеры вирулентности; технический QC-отчёт для биоинформатика.

📊 Доступность продукта

Платформа Статус доступности
OnSiteSeq Cockpit Edge 🟡 В разработке
OnSiteSeq Cockpit Desktop 🟡 В разработке
OnSiteSeq Cockpit Cloud 🔴 Недоступно

🎯 Маркеры: идентификация, типирование, резистентность

Видовая идентификация и молекулярные типы

CrAg (латекс / латеральный флоу) — быстрый и дешёвый скрининг, но не отличает виды и молекулярные типы и ничего не говорит о резистентности; культура занимает сутки. Молекулярная диагностика закрывает оба вопроса:

Маркер Значение
ITS (внутренний транскрибируемый спейсер рДНК) Видовая идентификация: C. neoformans vs C. gattii и отличие от других дрожжей
D1/D2 LSU (домен крупной субъединицы рДНК) Подтверждение вида, филогенетическое разрешение внутри видового комплекса
Молекулярные типы VNI–VNIV Генотипы C. neoformans: VNI доминирует в клинике; VNIV — гибриды, реже
Молекулярные типы VGI–VGIV Генотипы C. gattii: VGII — вспышка Тихоокеанского Северо-Запада; тип влияет на прогноз и ответ на флуконазол

Азольная резистентность — критично в ресурс-лимитированных условиях

Флуконазол — основа терапии там, где амфотерицин B недоступен (большинство эндемичных по ВИЧ регионов), поэтому азольная резистентность напрямую решает исход:

Маркер Механизм Клиническое значение
ERG11 Точечные мутации в мишени флуконазола (ланостерол-14α-деметилаза) Классическая мишенная резистентность
AFR1 Насос эффлюкса (ABC-транспортёр) Выкачивание азола из клетки
Дисомия хромосомы 1 Анеуплоидия: ERG11 и AFR1 лежат в одной хромосоме — лишняя копия удваивает и мишень, и насос Главный механизм гетерорезистентности: субпопуляция с дисомией выживает на флуконазоле
CNV в локусах ERG11/AFR1 Амплификация без точечных мутаций Невидима для SNV-ориентированных тестов; длинные прочтения + анализ покрытия выявляют напрямую

Гетерорезистентность через дисомию хромосомы 1 — тот же класс механизмов, что изохромосома 5L у Candida albicans (см. соседнюю карточку /albicans/): анеуплоидии и CNV читаются нанопором в одном запуске с SNV.

Факторы вирулентности

Маркер Значение
CAP59 / CAP64 Гены синтеза полисахаридной капсулы — главного фактора вирулентности; бескапсульные мутанты авирулентны
LAC1 Лакказа, синтез меланина — защита от окислительного стресса в макрофагах, маркер вирулентности

⚙️ Версии и ML-модели

Основной инструмент

Компонент Статус
OnSiteSeq Cryptococcus Pipeline 🟡 В разработке

Планируемые ML-модели

Модель Целевая задача
CRY-Species-Typer Дифференциация C. neoformans / C. gattii и молекулярные типы VNI–VNIV / VGI–VGIV по ITS и D1/D2
CRY-Azole-Profiler Предсказание устойчивости к флуконазолу по ERG11, AFR1 и CNV
CRY-Heterores-Scanner Детекция гетерорезистентных субпопуляций: дисомия хромосомы 1 и анеуплоидии по профилю покрытия

🛠 Техническая архитектура (Pipeline Stack)

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 C. neoformans (H99) и C. gattii (WM276)
3. Поиск мутаций (Variant Calling) clair3, medaka
4. CNV и анеуплоидии sniffles2, анализ покрытия по хромосомам — дисомия chr1, гетерорезистентные субпопуляции при глубоком покрытии
5. Детекция маркеров Собственная база: ITS, D1/D2, ERG11, AFR1, CAP59/CAP64, LAC1, маркеры молекулярных типов
6. ML-инференс PyTorch, pandas, scikit-learn

🌍 Мировой контекст: почему это важно

  • Критический приоритет WHO — криптококковый менингит убивает 112 000–152 000 человек в год и даёт до 19% ВИЧ-связанной смертности; в 2022 году WHO отнесла криптококк к критической группе приоритетных грибковых патогенов.
  • CrAg недостаточно — антигенный тест отвечает «да/нет», но не различает виды и молекулярные типы и молчит о резистентности; молекулярная диагностика превращает скрининг в прогноз.
  • C. gattii меняет карту — инфекция иммунокомпетентных с тяжёлым течением и худшим ответом на флуконазол расширяет ареал вместе с климатом; видовая дифференциация становится нужна и вне тропиков, включая растущее число не-ВИЧ случаев в Китае.
  • Гетерорезистентность невидима для коротких прочтений — дисомия хромосомы 1 с ERG11+AFR1 — анеуплоидный механизм, который надёжно видят только длинные прочтения с CNV-анализом; та же логика, что и у Candida albicans.
  • Капсула не помеха — полисахаридная капсула затрудняет ПЦР-экстракцию, но не нанопоровую подготовку библиотеки; ампликоны ITS/D1–D2 на Flongle дают видовую идентификацию в point-of-care сценарии.

🔬 Ссылки

© 2026 Роман Горбенко, МФТИ-стартап "OnSiteSeq - Секвенирование на месте (у кровати / у стола / в поле)"