The diverse trajectories of bacterial heterogeneity and adapted subpopulations in invasive Staphylococcus aureus infections
103 रोगियों के 669 नैदानिक नमूनों का विश्लेषण करके, यह अध्ययन प्रकट करता है कि आक्रामक *स्टैफिलोकोकस ऑरियस* संक्रमणों में इन-होस्ट अनुकूलन (within-host adaptation) में अपेक्षित एकल अनुकूली उत्परिवर्तनों के प्रभुत्व के बजाय, अक्सर गैर-स्वीपिंग (non-sweeping), कम आवृत्ति वाली उप-जनसंख्याएँ और विचलित विकासवादी प्रक्षेपवक्र शामिल होते हैं।
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बैक्टीरिया स्थिर आक्रमणकारी नहीं हैं; वे गतिशील, विकसित होते समुदाय हैं जो मानव शरीर के भीतर जीवित रहने के लिए लड़ते समय बदलते रहते हैं। जब किसी व्यक्ति में स्टैफिलोकोकस ऑरियस (Staphylococcus aureus) का गंभीर संक्रमण होता है, जो एक सामान्य और अक्सर खतरनाक बैक्टीरिया है, तो डॉक्टर इसका इलाज एंटीबायोटिक्स से करते हैं। हालाँकि, उपचार हमेशा काम नहीं करता है। कभी-कभी संक्रमण बना रहता है या वापस आ जाता है, जिसे 'ट्रीटमेंट फेलियर' (उपचार की विफलता) के रूप में जाना जाता है। वर्षों से, वैज्ञानिक संदेह करते रहे हैं कि ऐसा इसलिए होता है क्योंकि बैक्टीरिया प्रतिरोध विकसित करते हैं या रोगी के भीतर प्रतिरक्षा प्रणाली (इम्यून सिस्टम) से छिपना सीख लेते हैं। लेकिन एक महत्वपूर्ण प्रश्न अनुत्तरित रह गया था: क्या ये खतरनाक परिवर्तन बैक्टीरिया के एक ही, प्रमुख समूह में होते हैं जो पूरे संक्रमण पर कब्जा कर लेता है, या वे छोटे, छिपे हुए उपसमूहों के रूप में मौजूद होते हैं जो कभी पूरी तरह से नियंत्रण नहीं कर पाते? इस अंतर को समझना इसलिए महत्वपूर्ण है क्योंकि यह हमारे सोचने के तरीके को बदल सकता है कि उपचार क्यों विफल होते हैं और हम इन अदृश्य खतरों को कैसे ट्रैक कर सकते हैं।
इस उत्तर को खोजने के लिए, स्टेफानो गिउलिएरी और बेंजामिन हॉडेन के नेतृत्व में शोधकर्ताओं की एक टीम ने BARISTA नामक एक विशाल, विस्तृत अध्ययन शुरू किया। उन्होंने ऑस्ट्रेलिया के 103 रोगियों का पीछा किया जो आक्रामक S. aureus संक्रमणों के कारण अस्पताल में भर्ती हुए थे, जिसका अर्थ है कि बैक्टीरिया शरीर के बाँझ (sterile) हिस्सों जैसे रक्त या जोड़ों में प्रवेश कर गए थे। केवल एक नमूना लेकर और बैक्टीरिया की एक कॉलोनी को अनुक्रमित (sequence) करने के बजाय, जैसा कि अतीत में सामान्य था, शोधकर्ताओं ने समय के साथ सैकड़ों नमूने एकत्र किए। महत्वपूर्ण रूप से, उन्होंने प्रत्येक नमूने से पांच अलग-अलग बैक्टीरियल कॉलोनियों को उगाया और प्रत्येक को व्यक्तिगत रूप से उनके जेनेटिक कोड को अनुक्रमित किया। इस दृष्टिकोण ने उन्हें एक रोगी के संक्रमण के भीतर जेनेटिक विविधता को देखने की अनुमति दी, जिससे उन सूक्ष्म अंतरों को देखा जा सके जो बैक्टीरिया के बीच छिपे हो सकते हैं।
शोधकर्ताओं ने पाया कि रोगियों की नाक में रहने वाले बैक्टीरिया, रक्त या अन्य बाँझ स्थानों में होने वाले वास्तविक संक्रमण पैदा करने वाले बैक्टीरिया की तुलना में बहुत अधिक जेनेटिक रूप से विविध थे। यह समझ में आता है, क्योंकि नाक बैक्टीरिया का एक दीर्घकालिक घर है, जिससे विविधता विकसित होने के लिए अधिक समय मिलता है। हालाँकि, अध्ययन ने संक्रमणों के बारे में कुछ चौंकाने वाला खुलासा किया। जबकि अधिकांश संक्रमण बैक्टीरिया के एक एकल, समान समूह द्वारा किए गए थे, एक महत्वपूर्ण संख्या में रोगियों ने अपने बाँझ-साइट संक्रमणों में जेनेटिक विविधता के संकेत दिखाए। इसका अर्थ यह था कि एक गंभीर, आक्रामक संक्रमण में भी, बैक्टीरियल आबादी हमेशा एक ही क्लोन वाली सेना नहीं थी, बल्कि इसमें विभिन्न जेनेटिक वेरिएंट्स का मिश्रण हो सकता था।
टीम ने उन विशिष्ट जेनेटिक परिवर्तनों की तलाश की जो बैक्टीरिया ने संक्रमण से बचने के लिए प्राप्त किए थे, जैसे कि म्यूटेशन जो उन्हें एंटीबायोटिक्स के प्रति प्रतिरोधी बनाने या प्रतिरक्षा प्रणाली से बचने में मदद करते हैं। उन्होंने 16 ऐसे जीन की पहचान की जहाँ ये सहायक परिवर्तन विभिन्न रोगियों में बार-बार दिखाई दिए। सबसे आम परिवर्तनों में से एक एक जीन में हुआ जिसे agrA कहा जाता है, जो यह नियंत्रित करता है कि बैक्टीरिया कैसे संवाद करते हैं और बीमारी फैलाते हैं। एक अन्य महत्वपूर्ण खोज में एक जीन adh1 शामिल था, जो पहले इस प्रकार के अनुकूलन (adaptation) से नहीं जुड़ा था। जिन रोगियों में ये म्यूटेशन पाए गए जिनकी संक्रमण का इलाज करना कठिन था, वहां इन जेनेटिक परिवर्तनों की उपस्थिति यह सुझाव देती है कि ये परिवर्तन वास्तव में समस्या का हिस्सा हैं।
शायद सबसे महत्वपूर्ण खोज इन अनुकूलित बैक्टीरिया के व्यवहार के बारे में थी। शोधकर्ताओं ने परिकल्पना की थी कि एक लाभकारी म्यूटेशन एक सूक्ष्म, दुर्लभ वेरिएंट के रूप में शुरू होगा और फिर पूरी बैक्टीरियल आबादी में फैल जाएगा, जिससे संक्रमण बढ़ने के साथ वह प्रमुख प्रकार बन जाएगा। इसे 'सिलेक्टिव स्वीप' (selective sweep) कहा जाता है। हालांकि उन्हें इसके होने के कुछ उदाहरण मिले, लेकिन अधिकांश समय, अनुकूलित बैक्टीरिया ने प्रभुत्व नहीं जमाया। इसके बजाय, म्यूटेशन कम आवृत्ति (low frequency) पर बने रहे, छोटे उप-जनसंख्याओं के रूप में मौजूद रहे जो कभी प्रभावी नहीं हो सके। यहाँ तक कि उन मामलों में भी जहाँ बैक्टीरिया ने एक ऐसा म्यूटेशन प्राप्त किया था जो उन्हें जीवित रहने में मदद करना चाहिए था, वे अक्सर अल्पसंख्यक बने रहे। यह सुझाव देता है कि मानव संक्रमण के भीतर का वातावरण जटिल और लगातार बदलता रहता है, जो किसी भी एकल बैक्टीरियल वेरिएंट को पूरी तरह से नियंत्रण करने से रोकता है।
अध्ययन ने जेनेटिक परिवर्तन के एक अन्य प्रकार का भी परीक्षण किया जिसे 'इन्सर्शन सीक्वेंस' (insertion sequences) कहा जाता है, जो डीएनए के वे टुकड़े हैं जो बैक्टीरियल जीनोम में इधर-उधर कूद सकते हैं। जबकि इन्हें अन्य बैक्टीरिया में भूमिका निभाते हुए जाना जाता था, शोधकर्ताओं ने पाया कि S. aureus संक्रमणों में, ये कूदने वाले जीन दुर्लभ थे और उन्होंने साधारण 'पॉइंट म्यूटेशन' की तरह बैक्टीरिया के अनुकूलन को संचालित नहीं किया।
अंततः, यह शोध S. aureus संक्रमणों के विकास की तस्वीर को बदल देता है। यह दिखाता है कि बैक्टीरिया हमेशा एक समूह के प्रभुत्व जमाने के सरल पथ का पालन नहीं करते हैं। इसके बजाय, वे अक्सर वेरिएंट्स का एक विविध मिश्रण बनाए रखते हैं, जिनमें से कुछ में सहायक म्यूटेशन होते हैं जो निम्न स्तरों पर छिपे रहते हैं। इसका अर्थ यह है कि मानक परीक्षण, जो आमतौर पर केवल एक या कुछ बैक्टीरिया को देखते हैं, इन खतरनाक, अनुकूलित उपसमूहों को पूरी तरह से मिस कर सकते हैं। यह प्रकट करते हुए कि बैक्टीरिया बिना प्रमुख प्रकार बने भी अनुकूलित हो सकते हैं, अध्ययन बताता है कि उपचार की विफलता इन मायावी, कम-आवृत्ति वाली आबादी द्वारा संचालित हो सकती है जिन्हें मानक तरीके नहीं पहचान पाते। ये निष्कर्ष उन संवेदनशील तरीकों की आवश्यकता पर प्रकाश डालते हैं जिनसे संक्रमण को देखा जा सके, ताकि डॉक्टर उस बैक्टीरियल समुदाय की पूरी तस्वीर देख सकें जिसका वे इलाज करने की कोशिश कर रहे हैं।
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