Проблема: Многие в России считают, что переболели COVID-19 ещё в декабре 2019 года или в январе 2020. Можно ли узнать, когда действительно в России началась эпидемия коронавируса и откуда его к нам завезли? Ответ дала биоинформатика.
Решение: Учёные сравнили мутации 211 геномов коронавируса от пациентов из 25 регионов России. На основе этих данных они построили эволюционные деревья вируса. Оказалось, что SARS-CoV-2 завезли к нам из Европы в промежутке между концом февраля и началом марта. А первый случай его внутрироссийской передачи состоялся не раньше 11 марта 2020 года.
Исследовательская группа из Высшей школы экономики и Сколтеха, совместно со специалистами НИИ гриппа им. А.А. Смородинцева в Санкт-Петербурге и ИППИ им. А.А. Харкевича РАН установили, что коронавирус SARS-CoV-2 независимо проникал на территорию России не менее 67 раз, главным образом в конце февраля и начале марта 2020 года. Подавляющее большинство завозов произошло из стран Европы. Не зафиксировано ни одного ввоза из Китая, вероятно, благодаря своевременному закрытию границ с этой страной. На текущий момент в России циркулирует девять собственных штаммов вируса, которые больше не встречаются нигде в мире. При том, что наша страна активно «импортировала» коронавирус извне, случаев «экспорта» любых штаммов SARS-CoV-2 в другие страны также не обнаружено. С препринтом научной статьи с полными результатами исследования можно ознакомиться в базе medRxiv.
В первой половине мая Россия вошла в число лидеров по количеству заражений коронавирусом SARS-CoV-2. На текущий момент, по официальным данным Правительства РФ, в нашей стране выявлено 777 486 инфицированных с начала эпидемии. Однако сама дата её возникновения до недавнего времени была неизвестна. Первые два случая заражения обнаружили ещё в январе — и оба оказались связаны с прямым завозом из Китая, после чего российские власти закрыли границы с этой страной. Тем не менее, ни один из них не привёл к передаче вируса другим людям и новым заболеваниям внутри России.
Вновь COVID-19 выявили лишь 2-го марта 2020 — у женщины, вернувшейся из поездки в Италию, после чего начался неуклонный рост заболеваемости, а коэффициент распространения коронавируса Rt приблизился к значению 2. Всё это стало толчком к принятию в нашей стране последовательно усиливающихся нефармацевтических интервенций (карантина в обсерваторах для въезжающих из зарубежных стран, режима самоизоляции и т.д.)
Rt, или коэффициент распространения вируса, — обозначает среднее количество людей, которых инфицирует один больной до его изоляции. Рассчитывается он на основе данных по приросту новых случаев за последние восемь суток по формуле: Rt = (X8+X7+X6+X5) / (X1+X2+X3+X4), где X1...X8 — число зарегистрированных больных коронавирусом в регионе за соответствующие сутки.
Несмотря на все усилия властей, принятые меры не возымели эффекта — и в нашей стране произошла полномасштабная эпидемия. Как и откуда она началась, из каких стран к нам занесли коронавирус SARS-CoV-2, и как он мутировал и видоизменялся уже на нашей территории, решили изучить биологи и математики из НИУ ВШЭ, Сколтеха и ИППИ РАН.
Наиболее точные данные о распространении вируса и эффективности тех или иных мер можно получить с помощью филогенетического анализа вирусных образцов. Такой подход называют геномной эпидемиологией. Дело в том, что вирусы быстро мутируют. У тех же коронавирусов в среднем происходит одна мутация в геноме за две недели. Это приводит к появлению их новых штаммов. Поэтому отследив, где они впервые возникли, как разошлись друг от друга и в каких регионах чаще всего регистрировались в тот или иной момент времени, можно восстановить процесс эволюции и распространения вируса в популяции.
Для анализа и построения филогенетических деревьев исследователи использовали 211 геномов вирусов, секвенированных в НИИ гриппа им. А.А. Смородинцева. Все геномы были получены от пациентов из 25 регионов РФ (включая республику Крым) в период с 11 марта по 23 апреля 2020 года. Сформированный датасет отражал ситуацию на ранних стадиях эпидемии в России.
Секвенирование генома позволяет установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК (как в случае коронавирусов) — отдельных «кирпичиков» генетического кода. Сравнив два сиквенса — расшифрованных последовательностей — можно обнаружить несовпадающие участки — мутации, указывающие, что перед нами уже новый штамм вируса, иногда функционирующий иначе, чем его предки.
Кроме того, чтобы установить полную совокупность филогенетических связей, исследователи использовали датасет из 19 623 геномов SARS-CoV-2 полученных со всего мира к 26 мая 2020 года. Также в анализе широко использовались и данные о перемещении людей через границу России и внутри страны.
Построенные филогенетические деревья показали, что на территории России на ранних стадиях эпидемии были распространены практически все штаммы коронавируса SARS-CoV-2, возникшие к тому времени. Впрочем, подавляющее большинство геномов принадлежало к штаммам, доминирующим в Европе. А вот азиатских оказалось всего 2%, хотя в Китае их в тот момент «ходило» около 50%. Таким образом, основным каналом «импорта» коронавируса стал пассажиропоток из европейских стран. Причём оттуда же, вероятно, были ввезены и китайские штаммы, так как с самим Китаем границы были уже давно закрыты.
По мнению учёных, столь высокое вирусное разнообразие получено благодаря как минимум 67 независимым завозам вируса в разные города России в конце февраля - начале марта. Из них девять завозов привели к появлению собственных российских штаммов вируса, которые циркулируют только в нашей стране. Ведущий автор исследования, профессор Сколтеха Георгий Базыкин, отмечает, что эти цифры далеко не окончательные. Вероятно, как «зарубежных поставок» коронавируса, так и наших «доморощенных» штаммов гораздо больше. Это выяснится по мере накопления датасета из новых секвенированных геномов.
Один из самых интересных результатов — вирус, положивший начало эпидемии, появился в России довольно поздно. Большинство людей, принесших в РФ коронавирус, приехали сюда в конце февраля-начале марта. Никаких следов более раннего происхождения отдельных штаммов в нашей стране нет.
Во многих случаях можно проследить всю цепочку передачи коронавируса. Так, житель Чеченской республики съездил на хадж в Мекку, поэтому его штамм входит в один кластер (ветвь филогенетического дерева) с другими вирусами из Саудовской Аравии. Топ-менеджеры ПАО «Якутская топливно-энергетическая компания» прилетели из Швейцарии — и геномы якутских вирусов в одном кластере со швейцарскими. Хотя есть и отдельные интересные аномалии: так, вирус, который россиянин привёз из поездки в Египет, не совпадает по геному с распространёнными в этом регионе штаммами.
Попав в Россию, SARS-CoV-2 тут остался. Нет никаких свидетельств «экспорта» российских вариантов вируса за рубеж (по крайней мере в те страны, откуда есть данные). Это выгодно отличает нашу страну от таких мировых суперспредеров, как Италия и Испания, откуда и началась европейская эпидемия, или Великобритания. При этом внутри России вирус начал циркулировать почти сразу же после ввоза. Первая внутрироссийская передача произошла уже 11 марта.
Отдельное внимание ученые уделили вспышке инфекции в одной из неинфекционных больниц Санкт-Петербурга — НИИ им. Вредена, где более 700 человек было заперто на месяц под карантином, а свыше 400 из них переболело. По заявлениям губернатора города Александра Беглова, вирус туда принёс один сотрудник, вернувшийся с отдыха из Турции. Однако анализ нескольких десятков геномов из этого медучреждения показал, что коронавирус проникал туда от двух до четырёх раз. И каждый раз это давало отдельную вспышку, которые внешне слились и стали похожи на одну большую.
По своим особенностям — изолированному сообществу — кейс НИИ им. Вредена напоминает знаменитое заражение лайнера Diamond Princess в самом начале пандемии. Обычно, такие замкнутые популяции действительно заражаются одним заносом. Не было никаких причин считать, что и в Петербурге картина была иная. И только использование геномного анализа позволило выявить реальную динамику инфицирования в больнице — с многократными повторными заносами вируса.
При этом в начале заражения SARS-CoV-2 распространялся очень быстро, с коэффициентом Rt равным, примерно, 3,7. Потом, после того как часть медиков и пациентов переболела, а отделения изолировали друг от друга, коэффициент распространения упал до 1,4. Что интересно, карантин не помог удержать вирус внутри НИИ им. Вредена, — есть ряд пациентов, не имевших к этой больнице прямого отношения, но инфицированных циркулировавшими там штаммами.
Геномная эпидемиология не только способна помочь развеять слухи и мифы о «ранней эпидемии» в России в ноябре 2019 — январе 2020, упорно муссирующиеся в соцсетях. Она показывает и эффективность ограничительных мер государства. Так, своевременное закрытие границ с Китаем не позволило коронавирусу проникнуть оттуда в Россию в январе и феврале 2020 года.
В то же время, меры по контролю пассажиропотока из Европы и других стран мира в феврале и марте 2020 оказались недостаточными. Именно оттуда привезли SARS-CoV-2 в страну, что спровоцировало несколько региональных вспышек, вылившихся в полномасштабную эпидемию.
Сейчас в связи с планируемым дальнейшим смягчением ограничений и открытием границ, геномная эпидемиология также способна помочь в определении источников новых вспышек — вызвали ли их местные штаммы или коронавирус вновь завезли к нам извне.
Наше исследование показывает, как можно объективно изучить пути и характер распространения вируса в популяции. Сейчас для учёных совершенно уникальная ситуация: мы получаем данные, включая геномные, практически в режиме реального времени. Так, «благодаря» пандемии, мы узнаём очень много нового об эпидемиях в целом, что поможет в их предсказании и контроле в будущем.
Помимо этого, геномная эпидемиология — хороший подручный инструмент и для эпидемиологов, врачей и разработчиков вакцин. Чем больше времени проходит с начала пандемии, тем больше объём секвенированных геномов вирусов, полученных в разных уголках планеты. Разные штаммы будут расходиться всё сильнее, что позволит понять общий вектор эволюции SARS-CoV-2 — как он адаптируется к человечеству и проявляет ли признаки аттенюации (снижения вредного воздействия на организм людей и вирулентности). Вполне вероятно, что вакцины, созданные для определенных штаммов в одном регионе, не подойдут для предотвращения распространения коронавируса в других регионах. Поэтому накопление и анализ массива геномов SARS-CoV-2 так важен для дальнейшей борьбы с ним.
IQ
Щур Владимир Львович
Международная лаборатория статистической и вычислительной геномики: Заведующий лабораторией