Meningokokker – Kort vei fra harmløs bærerstamme til storskala epidemi

Ola Brynildsrud | Nov 2018 | Infeksjon/Vaksinasjon |

Ola Brynildsrud
cand.med.vet, ph.d., forsker,
Avdeling for infeksjonsepidemiologi og modellering,
Folkehelseinstituttet, forsker II,
Institutt for mattrygghet og infeksjonsbiologi,
Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU)

En ny og hyper-invasiv variant av meningokokkbakterien har medført kraftige, årlige utbrudd av smittsom hjernehinnebetennelse (meningitt forårsaket av Neisseria meningitidis) i Niger og Nigeria siden 2013. Situasjonen har gradvis blitt verre, med spesielt store utbrudd og 2015 og 2017. Bare i 2017 ble det registrert over 18 000 mistenkte tilfeller, og et worst-case estimat har stipulert opp til 70 000 nye tilfeller i løpet av 2018 og 2019. Manglende kontroll på spredning kombinert med eskalerende utbruddsintensitet og global vaksinemangel har fått Verdens Helseorganisasjon (WHO) til å karakterisere situasjonen som svært alvorlig.

Den nye stammen tilhører serogruppe C, som har vært ekstremt sjelden i meningittbeltet i flere tiår. Dermed har det vært mye spekulasjon rundt hvorvidt oppblussingen av gruppe C-sykdom er relatert til nesten-utryddelsen av serogruppe A i kjølvannet av vaksinering med den monovalente serogruppe A-vaksinen MenAfriVac, som har vært i bruk siden 2010. I en nylig studie fra Folkehelseinstituttet karakteriserer vi utbruddsstammen ved hjelp av helgenomsekvensering og viser hvordan den har utviklet seg fra en benign bærerstamme som tidligere har blitt observert i Burkina Faso. Utbruddsstammen skilte seg svært lite fra bærerstammen og har mest sannsynlig oppnådd sin hyper-invasivitet ved opptak av en serogruppe C-kapsel samt infeksjon med bakteriofagen MDAΦ (meningococcal disease-associated island). Vi viser også hvordan en mangelfull håndtering av utbruddet påvirket spredningen i regionen. Fra et metodestandpunkt viser studien hvordan nye sekvenseringsteknologier, såkalt long-read-sekvensering, komplementerer de mer kjente short-read teknologiene og gjør det mulig fullstendig å rekonstruere et bakterielt genom ned på enkeltbasenivå.

Materiale og metoder
Totalt 150 invasive isolater av utbruddsstammen, samlet av Médecins sans Frontières og International Foundation Against Infectious Diseases in Nigeria fra Niger og Nigeria i perioden 2013-2017, ble sendt til WHO Collaborating Centre for Reference and Research on Meningococci i Oslo for helgenomsekvensering. Alle isolater ble sekvensert på en Illumina MiSeq-plattform. To isolater ble i tillegg helgenomsekvensert på en Oxford Nanopore MinION-plattform med det formål å kunne bygge komplette, såkalt «lukkede» genom. Her valgte vi ut ett isolat som representerte utbruddsstammen samt ett ikke-patogent isolat fra en tidligere bærerstudie i Burkina Faso, publisert i 2012. Denne bærerstammen hadde nemlig den samme, sjeldne typen av membranproteinet PorA som utbruddsstammen (P1.21-15,16) og var dermed mistenkt å være nært beslektet.

Resultater
• En utbruddsstamme blir til
Utbruddsstammen viste seg å være svært klonal. Samtlige isolater med unntak av ett ble funnet å tilhøre sekvenstype ST-10217 med MLST-typing. Analyse av kjernegenomet viste at to tilfeldig valgte utbruddsisolater var identiske over 96,6 % av alle 1 605 loci. Tilsvarende tall var 91,8 % mellom bærerstammen fra Burkina Faso og et tilfeldig valgt ubruddsisolat. Denne likheten ble videre bekreftet ved komparativ analyse av fullstendige («lukkede») genomer fra bærerstammen og et representativt isolat fra utbruddet. Den mest bemerkelsesverdige forskjellen var at utbruddsstammen inneholdt et fullstendig kapsel type C-operon samt den virulens-assosierte bakteriofagen MDAΦ. I tillegg ble det identifisert elleve rekombinasjonshendelser mellom bærer- og utbruddsstamme, hvorav to rekombinasjoner ble vurdert som mulig relatert til invasiviteten. Disse involverte gener som er involvert i opptak og bruk av jern. På bakgrunn av genomisk homologi, utbruddshistorie og fylogenetiske analyser vurderte vi det som overveiende sannsynlig at en ikke-patogen stamfar av bærerstammen har tatt opp kapseloperonet og bakteriofagen, og dette har skapt den hyper-invasive stammen som har herjet i Niger og Nigeria siden 2013.

Utbruddet sprer seg
Grovt sett fordelte isolatene seg i to cluster; ett som representerte nordstatene i Nigeria, og ett som i all hovedsak inkluderte isolater fra et større utbrudd i Niger i 2015. Analyse av genomsekvensene lot oss rekonstruere i detalj hvordan utbruddet har spredt seg siden 2013. De første tilfellene dukket opp i delstaten Sokoto i nordlige Nigeria i 2013. Derfra konsoliderte utbruddet seg i 2014, og det ble rapportert tilfeller fra større deler av Sokoto samt fra de nærmeste nabodelstatene.

I 2015 tok det virkelig av med spredning til nabolandet Niger, der det ble et voldsomt utbrudd med over 8 500 rapporterte tilfeller og 573 registrerte dødsfall. 2016 ble et relativt rolig år, der utbruddet i all hoved-sak fortsatte i Sokoto, Nigeria, mens utbruddet i Niger så ut til å være under kontroll. 2017 ble et katastrofalt år for alle de nordlige delstatene i Nigeria, med store utbrudd som genomisk var svært like det opprinnelige 2013-utbruddet, noe som tyder på et ukjent smittereservoar i Sokoto.

Diskusjon
Det er uklart nøyaktig hvor utbruddsstammen har oppstått, hvor virulensgenene har kommet fra (kapsel type C er som nevnt svært sjelden i meningittbeltet) samt hvilke evolusjonære og samfunnsmessige faktorer som har muliggjort epidemien. En åpenbar faktor er at populasjonsimmuniteten mot serogruppe C-meningititt er svært lav i området, siden en forsvinnende liten del av befolkningen vil være tidligere eksponert. I utbruddets første år var det spekulasjon rundt hvorvidt den nye utbruddsstammen kunne ha oppstått ved at en invasiv serogruppe A-stamme hadde byttet kapseltype som respons på høy populasjonsimmunitet mot gruppe A-sykdom i kjølvannet av MenAfriVac-kampanjen. Denne teorien viste seg imidlertid ikke å stemme. Utbruddsstammen var ikke i nær slekt med noen tidligere kjent invasiv stamme. Tvert imot så man at den hadde oppstått fra en ikke-patogen bærerstamme via et begrenset antall rekombinasjonshendelser.

Denne studien representerer dermed et helt unikt eksempel på hvor kort vei det kan være mellom en ikke-patogen bærerstamme og en hyper-invasiv epidemi. En kapsel er en viktig virulensfaktor for å kunne entre og overleve i humant blodomløp, og MDAΦ-fagen er kjent for å bidra til mer effektiv kolonisering av nasopharynx, hvilket gir en høyere bakteriekonsentrasjon ved inngangsporten til blodet. I tillegg inneholder fagen gener som kan modulere immunoglobulin-binding og dermed bidra til unnvikelse fra immunsystemet. Studien demonstrerer hvordan nye long-read-teknologier kombinert med veletablerte og nøyaktige short-read-teknologier gjør det mulig å «lukke» genomer, altså å få ut DNA-sekvensen i én enkelt, sirkularisert bit. Dette gjør det mulig å si med sikkerhet nøyaktig hva et genom faktisk inneholder, slik at man ved sammenligning av patogen og ikke-patogen stamme kan peke på en komplett liste over forskjeller i arvematerialet.

Studien understreker viktigheten av sykdomsovervåkning, global og nasjonal beredskap samt evnen til å koordinere en proporsjonal og faglig fundert respons når alvorlige helsetrusler oppstår. Utbruddet i Niger i 2015 ser ut til å være et eksempel på effektiv sykdomsbekjempning. Dessverre er det mye som tyder på at situasjonen har vært vanskeligere i Nigerias nordstater, der utbruddet slett ikke ser ut til å være under kontroll. Tvert imot, i vårt materiale ser det ut som om nye, årlige epidemier springer ut fra ett og samme reservoar, lokalisert i Sokoto, Nigeria, og nærmere beslektet med de opprinnelige utbruddene i 2013 enn senere utbruddsstammer.

KONKLUSJON

Vi har dokumentert et sjeldent tydelig eksempel på hvor kort vei det kan være mellom harmløs kommensalbakterie og alvorlig epidemi. En bærer-stamme av Neisseria meningitidis, normalt beboende i nasopharynx som en del av normalflora, ble her vist å ha naturlig transformert til en hyper-invasiv klon gjennom opptak av et begrenset sett med virulensfaktorer, i all hovedsak ved opptak av gener som koder for en polysakkaridkapsel samt en fag som modulerer lokal adhesjon og humoral immunrespons.

Interessekonflikter: Ingen.

Referanser

1. Brynildsrud OB, Eldholm V, Bohlin J, Uadiale K, Oboro S, Caugant D. Acquisition of virulence genes by a carrier strain gave rise to the ongoing epidemics of meningococcal disease in West Africa. Proceedings of the National Academy of Sciences 2018:201802298. 2. Kristiansen PA, et al. Persistent low carriage of serogroup A Neisseria meningitidis two years after mass vaccination with the meningococcal conjugate vaccine. BMC Infect Dis 2014;14:663. 3. Harrison OB, et al. Description and nomenclature of Neisseria meningitidis capsule locus. Emerg Infect Dis 2013;19:566–573. 4. Trotter CL, et al. Impact of MenAfriVac in nine countries of the African meningitis belt, 2010-15: An analysis of surveillance data. Lancet Infect Dis 2017;17:867–872. 5. Funk A, et al. Sequential outbreaks due to a new strain of Neisseria meningitidis serogroup C in northern Nigeria, 2013-14. PLoS Curr 2014 6:ecurrents.outbreaks.b50c2aaf1032b3ccade0fca0b63ee518. 6. Broome CV, et al. Epidemic group C meningococcal meningitis in Upper Volta, 1979. Bull World Health Organ 183;61:325–330. 7. Mohammed I, Iliyasu G, Habib AG. Emergence and control of epidemic meningococcal meningitis in sub-Saharan Africa. Pathog Glob Health 2017;111:1–6. 8. Chow J, et al. Invasive meningococcal meningitis serogroup C outbreak in northwest Nigeria, 2015-third consecutive outbreak of a new strain. PLoS Curr 2016. 8:ecurrents.outbreaks.06d10b6b4e690917d8b0a04268906143. 9. Bille E, et al. A chromosomally integrated bacteriophage in invasive meningococci. J Exp Med 2005;201:1905–1913. 10. Bille E, et al. Association of a bacteriophage with meningococcal disease in young adults. PLoS One 2008;3:e3885. 11. Bille E, et al. A virulence-associated filamentous bacteriophage of Neisseria meningitidis increases host-cell colonisation. PLoS Pathog 2017;13:e1006495. 12. Bentley SD, et al. Meningococcal genetic variation mechanisms viewed through comparative analysis of serogroup C strain FAM18. PLoS Genet 2007;3:e23. 13. Bårnes GK, et al. Whole genome sequencing reveals within-host genetic changes in paired meningococcal carriage isolates from Ethiopia. BMC Genomics 2017;18:407. 14. Harrison OB, Bennett JS, Derrick JP, Maiden MC, Bayliss CD. Distribution and diversity of the haemoglobin-haptoglobin iron-acquisition systems in pathogenic and non-pathogenic Neisseria. Microbiology 2013;159:1920–1930. 15. Müller MG, Ing JY, Cheng MKW, Flitter BA, Moe GR. Identification of a phageencoded Ig-binding protein from invasive Neisseria meningitidis. J Immunol 2013;191:3287–3296. 16. Vogel U, Claus H, Frosch M Rapid serogroup switching in Neisseria meningitidis. N Engl J Med 2000;342:219–220.