Гипервирулентная Klebsiella pneumoniae (hvKP)

Маркеры гипервирулентности, капсульный серотип K1/K2, MLST и конвергенция с карбапенем-резистентностью — из одного анализа

🧬 О пейплайне

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 FASTQ после 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: HTML-отчёт для врача и эпидемиолога — 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	🔴 Не доступно

🎯 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 пейплайн встраивается в этот тренд, доводя mNGS-данные до штамм-уровневого заключения.
Клиническое значение — отличие hvKP от классической cKP критично для прогноза: риск метастатического эндофтальмита требует неотложной офтальмологической помощи и активного поиска метастатических очагов.