Определение лекарственной устойчивости Plasmodium falciparum
Геномный профиль резистентности, видовая идентификация и верификация завозных случаев малярии
🧬 Описание пейплайна
Plasmodium falciparum — возбудитель наиболее тяжёлой формы малярии. Главная угроза последних лет — распространение частичной устойчивости к артемизинину (терапия первой линии) из Юго-Восточной Азии в Африку. Для России малярия — завозная инфекция: задача пейплайна у нас — верификация завозных случаев, видовая идентификация и оценка резистентности привезённого штамма за часы вместо референс-лабораторий.
Пайплайн анализирует валидированные ВОЗ маркеры резистентности (kelch13, pfcrt, pfmdr1, dhfr, dhps, амплификация plasmepsin2/3) и делеции диагностических генов hrp2/hrp3. Для высоковариабельных локусов применяется локусное графовое выравнивание (OnSiteSeq-PanG), снижающее систематическое смещение референса (reference bias); консервативные маркеры анализируются стандартным выравниванием.
- 📥 На входе: Сырые данные в формате
FASTQпосле High Accuracy basecalling (Dorado SUP, R10.4.1). Материал: цельная кровь (с обогащением паразитарной ДНК или ампликонным обогащением целевых локусов). - 📤 На выходе: HTML-отчёт с видом плазмодия, профилем чувствительности, статусом hrp2/hrp3 и выявленными мутациями.
📊 Доступность продукта
| Платформа | Статус доступности |
|---|---|
| OnSiteSeq Cockpit Edge | 🟡 В разработке |
| OnSiteSeq Cockpit Desktop | 🟡 В разработке |
| OnSiteSeq Cockpit Cloud | 🔴 Не доступно |
🎯 Гены и мутации резистентности
| Ген | Ключевые мутации | Класс препаратов / Значение |
|---|---|---|
| kelch13 (K13) | C580Y, R539T, Y493H, M476I (Азия); R561H (валидирован в Африке — Руанда, Уганда) | Артемизинин — задержка клиренса паразита |
| pfcrt | K76T | Хлорохин |
| pfmdr1 | N86Y, Y184F, D1246Y; амплификация копийности | Мефлохин, Люмефантрин (модуляция чувствительности) |
| dhfr | N51I, C59R, S108N | Пириметамин |
| dhps | A437G, K540E | Сульфадоксин |
| plasmepsin2/3 | Амплификация копийности | Пиперахин — партнёрский препарат ACT |
Делеции hrp2/hrp3 — угроза экспресс-диагностике
Делеции генов hrp2 и hrp3 делают паразита «невидимым» для экспресс-тестов (RDT) на антиген HRP2 — ложноотрицательный результат при реальной инфекции. Длинные нанопоровые риды детектируют эти делеции напрямую, без сборки генома. Отчёт включает статус hrp2/hrp3 с интерпретацией для врача: при делеции RDT-отрицательный результат не исключает малярию — показана ПЦР/микроскопия.
Видовая идентификация
Помимо P. falciparum, пайплайн различает P. vivax, P. ovale, P. malariae и зоонозный P. knowlesi по локусу 18S рРНК — вид определяет тактику (при P. vivax/ovale обязательна противорецидивная терапия примахином с учётом статуса G6PD).
⚙️ Версии и ML-модели
Основной инструмент
| Компонент | Статус |
|---|---|
| OnSiteSeq Malaria Pipeline | 🟡 В разработке |
Планируемые ML-модели
| Модель | Целевая задача |
|---|---|
| Malaria-Res-Detector | Предсказание резистентности по валидированным ВОЗ маркерам (k13 и др.) |
| Malaria-Species-Typer | Видовая идентификация Plasmodium по 18S рРНК |
🛠 Под капотом: Зависимости и Окружение (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 (референс: 3D7); OnSiteSeq-PanG для высоковариабельных локусов |
| 3. Поиск мутаций (Variant Calling) | clair3, medaka |
| 4. Аннотация резистентности | Кастомная база валидированных маркеров ВОЗ (k13/pfcrt/pfmdr1/dhfr/dhps) |
| 5. Детекция делеций | Анализ покрытия локусов hrp2/hrp3 по длинным ридам |
| 6. Видовая идентификация | minimap2 + классификация по панели 18S рРНК |
| 7. ML-инференс | PyTorch, pandas, scikit-learn |
🌍 Глобальный контекст: почему это важно
- ВОЗ, World Malaria Report — ~250 млн случаев и ~600 тыс. смертей от малярии ежегодно; геномный надзор за резистентностью назван приоритетом.
- Африка — частичная резистентность к артемизинину (маркер R561H) подтверждена в Руанде и Уганде: риск повторения сценария утраты хлорохина.
- Россия — малярия элиминирована, но ежегодно регистрируются завозные случаи; быстрая верификация вида и резистентности критична для тактики лечения и противоэпидемических мер.
- Делеции hrp2/hrp3 — распространение RDT-негативных штаммов подрывает доверие к экспресс-тестам в эндемичных регионах.