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霍乱时期的科学

虽然霍乱通常被认为是维多利亚时代的疾病,但在现代世界的许多领域仍然是一个重要问题。基因组学研究有助于让我们更接近了解我们如何消除一次和所有人。

什么是霍乱?

霍乱是一个传染性疾病由菌株引起的小肠细菌霍乱弧菌。该疾病的经典症状包括广泛的急性腹泻,可持续数天,从而导致严重的脱水。如果未经处理,这会导致死亡。在用这种细菌污染的水中摄取水后,症状可能只开始两小时。这种短暂的“孵化时间”被认为是霍乱能够通过人群迅速传播的原因。

研究人员估计,每年有高达400万个霍乱病例,全世界高达140,000人死亡,所以显然它仍然是一个全球卫生问题。

约翰雪和广阔的街头水泵

全球高达400万个霍乱病例。

1831年,英国报道了第一例霍乱病例,与此同时,一位名叫约翰·斯诺的18岁男子在伦敦完成了他的医学学业(他14岁就开始接受医生培训了!)。在接下来的20年里,霍乱引发了一系列严重的流行病,仅在英国就夺去了成千上万人的生命。

回到几乎没有人们知道传染病如何传播甚至是什么感染性疾病。当时,人们认为,霍乱和黑死等疾病是由摩西呼吸呼吸引起的,或者来自分解物质的“糟糕的空气”引起。然而,约翰雪的调查即将挑战这些想法。

从1852年的杂志插图显示了伦敦贫民窟的不卫生和拥挤的条件。
图片来源:惠康图片社惠康图书馆

虽然他专门从事女性健康和怀孕,但约翰对许多医学领域感兴趣。他特别着迷于传播霍乱的传染病如何。自从开始他的医疗培训以来,他总是热衷于调查水作为传播传染病的载体。在1800年代中期,人们没有运行的水或清洁方法来处理或治疗污水。伦敦特别糟糕,污水通常被倾倒到敞篷坑中,甚至直接进入泰晤士河。除此之外,来自泰晤士河的水通常是装瓶,并送到酒吧和其他业务供消费!

John Snow认识到这一点,并且怀疑污水可能会污染供水和蔓延的霍乱,并且可能是全市各地的许多其他疾病。

1854年9月,伦敦苏荷区爆发了一场特别严重的霍乱。

1854年9月,一场特别严重的霍乱爆发袭击了伦敦苏荷区,就在约翰住的地方附近。他抓住这个机会,一劳永逸地找到了病毒爆发的源头。他夜以继日地工作,通过检查医院和公共记录来追踪感染情况。

约翰绘制了一张地图(下图),显示了城市周围各种水泵的位置,以及霍乱死亡人数集中的地方。他把每个地址的死亡人数用一系列水平线表示出来,就像街上的一堆尸体一样堆积起来。

John Snow的Soho霍乱地图。图片来源:惠康图片社惠康图书馆

约翰报告说,地图清楚地显示,疫情爆发与“布罗德街经常出现的街道水泵”有关。当时,这个水泵不仅为周围街道上的许多家庭供水,也为该地区的一些企业供水。

尽管生活在泵附近,但该地区的一些人已经设法避免了霍乱,所以约翰调查了为什么这是为什么。他发现一群男子在宽敞的街道上工作,通过避免泵中的饮用水并坚持自己的啤酒来保持健康。虽然当时对他们不知不用,发酵过程杀死了霍乱细菌,所以喝啤酒和杜松子酒实际上比饮用水更安全!

约翰·斯诺的霍乱地图集中在宽街的水泵上。图片来源:惠康图片社惠康图书馆

约翰说服镇里的官员把宽街水泵的把手取下来。

John Snow的霍乱地图是数据可视化的重要例子,并且代表了流行病学领域的诞生中的重要里程碑 - 药物分支调查疾病的发病,分布和控制。

1855年9月7日,约翰把他的调查结果带到了镇官员,并确信他们把柄从广阔的街道水泵上拿走。虽然他们最初拒绝了他的要求,但在删除手柄之后,霍乱的爆发几乎立即消失。

德国医生罗伯特·科赫发现了霍乱的病因——细菌霍乱弧菌

几十年来后,德国医师罗伯特科赫确定了霍乱的原因,细菌霍乱霍乱。Koch证实,细菌确实通过不洁净的水或食物蔓延,为John Snow的理论提供了混凝土的支持。约翰现在广泛归功于建立流行病学领域。为了标志着他的发现的重要性,宽阔的街头泵在伦敦卫生学院和热带医学院的永久展示。

弧菌霍乱细菌的显微镜图像,霍乱的原因。

在现代仍然是一种疾病

每年全世界有多达14万人死于霍乱。

很多人认为霍乱的故事到此为止,但它仍然是一个非常重要的公共卫生问题。今天,霍乱每年造成数百万例腹泻,数十万人死亡。即使在英国,每年也有12例霍乱病例报告,尽管这些病例通常与到发展中国家的海外旅行有关。自19世纪80年代以来,英国等发达国家已经建立了完善的基础设施,用于清洁用水的分配,以及污水的处理。这防止了霍乱等水传播疾病的传播。但世界上仍有许多资源贫乏的地区,卫生仍然是一个主要问题。

霍乱在非洲、亚洲和南美部分地区等没有清洁水和污水处理系统的地区仍然相对常见。然而,世界其他地区仍可能爆发霍乱。例如,2010年海地爆发了霍乱。这是在一场毁灭性的地震袭击了伊斯帕尼奥拉岛之后发生的。伊斯帕尼奥拉岛由东部的多米尼加共和国和西部的海地组成。地震造成16万多人死亡,海地基础设施受损,并导致政治和社会动荡。基础设施的损失导致了毁灭性的霍乱爆发。

一个小男孩在苏丹农村东部苏丹农村泥泞的池塘边缘下跪,即将从这个不安全的水源喝。图像信用:Theresa Roebuck,疾病控制和预防的中心

通过基因组学追踪霍乱

在过去,科学家们使用了相当钝的工具来调查霍乱,但是DNA测序我们现在可以通过观察它来获得对细菌的更深层次的理解基因组

自1816年以来发生了六次霍乱大流行。

有许多不同类型的霍乱,但只有少数能引起“大流行”疾病。这指的是在各国和各大洲迅速传播的霍乱类型。自1816年以来发生了六次霍乱大流行。目前的第七次大流行是由一种霍乱细菌引起的,这种细菌以最初发现它的村庄埃尔托尔(El Tor)命名。大流行类型的霍乱是DNA测序的主要兴趣,因为它们导致最广泛和破坏性的疾病。

历史上七次霍乱大流行的时间轴。
图片来源:基因组研究有限公司

为了跟踪全球霍乱的传播,科学家可以将成千上万的霍乱细菌的基因组序列,从世界不同地区采取的霍乱细菌。这些被称为“隔离”。通过比较这些分离株的基因组,科学家们现在可以放心地说,来自不同国家的不同霍乱细菌彼此相关。它们还可以解决与相关的不同隔离有多密切,以及最近它们彼此分开。他们可以判断他们是否只有几天或几周前彼此分开,或者它们是否更终于与几年甚至数十年分开。

这是了解的有用信息。如果发现两个人被密切相关的霍乱细菌感染,那么它可能表明他们最近访问了同一个国家或社区,甚至可能从同一个受污染的水源中喝醉了。如果是这种情况,那么很清楚,霍乱感染的起源是何处,可以重点关注消除疾病的来源。

确定疫情的起源

基因组测序使我们能够找出DNA的确切顺序基地在一个基因组。如果我们给很多基因组排序,我们就可以把它们并排比较,找出相似点和不同点。这就是科学家对霍乱所做的研究。他们主要是在不同分离株的基因组中寻找单碱基的差异。两个基因组之间的单碱基差异越少,这些分离株彼此之间的关系就越密切。

通过以这种方式比较大量基因组,科学家可以绘制系统发育树。像一棵家谱一样,系统发育树显示不同的个体如何彼此相关。例如,比较来自霍乱的分离株的基因组使科学家能够建立这些隔离物的树木彼此相关的树。

一种基于DNA序列的系统发生树的说明。近缘个体的DNA序列比远缘个体的DNA序列更相似。
图片来源:基因组研究有限公司

科学家们分析了1930年至今分离出的霍乱病毒的DNA。

科学家分析了这一点DNA从1930年的霍乱隔离一直到现在。在此基础上,他们建立了一个霍乱的系统进化树,显示了引起当前大流行的分离株之间的关系。通过分析这棵树,他们确定了一个单一的,进化的种群霍乱弧菌这是所有霍乱的源头。世界上所有的霍乱疫情都可以直接追溯到这一源头人口,但每一次地方性的疫情最终都消失了,再也没有出现过。然而,当这些个别的疫情消失时,源头人群却持续存在并继续进化。那么这种源种群是在一个地方发现的还是在四处移动?

为了回答这个问题,在Wellcome Trust Sanger Institute的科学家看着每个孤立来自哪里。他们所看到的是,从南亚的霍乱案例都直接从主要来源人口分支。相比之下,世界其他地区的爆发与非洲和南美洲这样的爆发与这个源人口有关,但与其略微挺直。这表明南亚分离株与源人口更密切,指向源也在南亚的位置。进一步调查将此源地点确定为孟加拉湾,位于印度中部,孟加拉国和缅甸(缅甸)。这一点水可能是世界相当于由John Snow确定的广阔街头泵,世界上霍乱大疱的茎。

一种地图,显示了孟加拉湾三波的霍乱扩散,基于基因组序列信息(数据来源:Mutreja等,2011; Doi:10.1038 / Nature10392)。
图像信用:Genome Research Limited

下一个什么?

科学家们现在知道他们需要集中精力对付孟加拉湾的霍乱。

有了这一证据,科学家现在知道他们需要将他们的努力集中在孟加拉湾的霍乱,基本上,从理论水泵上取下手柄。通过这样做,他们可以希望防止霍乱进一步传播到世界其他地方,并掌握对目前的霍乱大流行的更强烈了解。

但是,这将需要资源,资金和许多霍乱样本。还需要了解霍乱如何蔓延以及所涉及的水源的性质。这将确保有效,有效地进行任何疫苗接种或毒品活动,并将霍乱淘汰淘汰赛。

在约翰雪的工作基础上,几十年前,我们现在拥有一个极其强大的工具,使用基因组学进行高分辨率地图,以展示整个传染病如何传播。这些地图可用于了解各地区,国家和大陆的爆发,也可以在特定的当地社区和医院。希望他们将使科学家和医生能够在将来解决感染性疾病时获得较高手。

最后更新于2017-08-23

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