Een grootschalig genetisch en modelleringsonderzoek van Streptococcus pneumoniae heeft nieuw inzicht opgeleverd in hoe recent geïntroduceerde vaccins veel stammen van de soort hebben geëlimineerd, en de verschillende manieren waarop de resterende bacteriën strijden om de kans om ze te vervangen.

S. pneumoniae wordt meestal gevonden achter de achterkant van de neusholte, waar het normaal gesproken onschadelijk is. Echter, het kan naar andere lichaamssites gaan, resulterend in het veroorzaken van duizenden gevallen van ernstige pneumokokkenziekte per jaar in het VK, en een veel grotere ziektelast in veel lage- of middeninkomenslanden. Deze infecties leiden tot longontsteking, bloedbaaninfecties of meningitis, en komen het meest voor bij jonge zuigelingen en ouderen. In antwoord, in het VK zijn twee verschillende vaccins geïntroduceerd om S. pneumoniae te bestrijden:het 7-valente vaccin in 2006, vervangen door het 13-valent vaccin in 2010. Sinds kinderen het vaccin kregen, de incidentie van pneumokokkenziekte is gedaald.

Na een paar jaar routinematige vaccinatie zijn veel stammen van S. pneumoniae, waaronder de meest voorkomende ziekteveroorzakende, was geëlimineerd. Nog, de bacteriën zijn niet minder gewoon geworden in hun ongevaarlijke habitat achter in de neusholte. In plaats daarvan waren de op het vaccin gerichte stammen vervangen door andere die minder vaak ziekten bij kinderen veroorzaken. Het laatste onderzoek, gepubliceerd in Natuur Ecologie &Evolutie , geeft een nieuwe verklaring voor hoe dit kan gebeuren.

Deze studie gebruikte drie grote verzamelingen genomen, gesequenced bij het Wellcome Trust Sanger Institute, om de effecten van vaccinatie in het VK te volgen, VS, en Nederland. In plaats van te kijken naar de verandering in de prevalentie van de individuele stammen zelf, de onderzoekers keken naar de frequenties van genen binnen de zeer diverse S. pneumoniae-populatie.

Terwijl verschillende S. pneumoniae-stammen domineren op verschillende locaties, de gedetailleerde informatie die beschikbaar is via sequencing van het hele genoom onthulde dat elke S. pneumoniae-populatie vergelijkbaar was in termen van genfrequenties. Dit was ook het geval bij het vergelijken van bacteriepopulaties aan het begin van de vaccinatieprogramma's met dezelfde locaties een paar jaar later. De computationele modellering van de onderzoekers toonde aan dat dit hoogst onwaarschijnlijk was dat dit door toeval was gebeurd.

Om de dynamiek van genfrequenties nauwkeurig te onderzoeken, de onderzoekers deden een beroep op de rijkdom aan genetische data die recentelijk is verzameld en op nieuwe wiskundige methoden om computersimulaties te vergelijken met actuele data. Het nieuwe algoritme ontwikkeld door Jukka Corander van het Infection Genomics-team van het Sanger Institute maakte nauwkeurigere modellering mogelijk en versnelde de snelheidsresultaten met behulp van dergelijke modellen tot 10, 000-voudig.

De resultaten suggereren het belang van een bepaald type natuurlijke selectie, waarin genen voordeliger zijn voor de bacteriën waarin ze worden gevonden als ze zeldzamer zijn - vandaar de naam, 'negatieve frequentieafhankelijke selectie'. Dit kan het gevolg zijn van concurrentie tussen bacteriestammen, en gedetailleerde analyse van de genoomsequenties suggereert de vele manieren waarop dit kan gebeuren. Bijvoorbeeld, S. pneumoniae-cellen scheiden chemicaliën af om de groei van andere stammen te voorkomen, vatbaar zijn voor infectie door verschillende virussen, verschillende strategieën toepassen voor het verkrijgen van voedingsstoffen, en verschillen in hoe ze worden herkend door het menselijke immuunsysteem. Het relatieve belang van deze verschillende processen wordt nog steeds niet goed begrepen.

Dit model belooft nieuw licht te werpen op waarom sommige bacteriën zulke complexe populatiestructuren hebben die het moeilijk maken om ze volledig te elimineren door vaccinatie. De auteurs vermoeden dat de negatieve frequentieafhankelijke selectie die plaatsvindt op genniveau een algemeen mechanisme is bij verschillende bacteriesoorten. Naarmate het gebruik van sequencing van het gehele genoom voor epidemiologische surveillance routinematiger wordt, dergelijke studies zullen een waardevolle basis vormen voor zowel het ontwerpen van betere controlestrategieën, en voor een beter begrip van hun nawerkingen.