Artübergreifende Übertragung

Artübergreifende ÜbertragungAls artübergreifende Übertragung (Cross-Species Transmission, CST), auch als Interspeziesübertragung, Wirtssprung oder Spillover bezeichnet, ist die Fähigkeit eines Fremdvirus, das, sobald es in ein Individuum einer neuen Wirtsspezies eingeschleust wurde, dieses Individuum infiziert und sich in einer neuen Wirtspopulation ausbreitet. Schritte, die an der Übertragung von Viren auf neue Wirte beteiligt sind, umfassen den Kontakt zwischen dem Virus und dem Wirt, die Infektion eines anfänglichen Individuums, die zur Amplifikation und zum Ausbruch führt, und die Erzeugung von Virusvarianten innerhalb des ursprünglichen oder neuen Wirts, die sich effizient verbreiten können zwischen Individuen in Populationen des neuen Wirts. Dieser Mechanismus ist häufig bei neu auftretenden Viren beschrieben, bei denen eine Art auf eine andere übertragen wird, und die Mutation sich auf den Menschen überträgt und viceversa. Beispiele hierfür sind HIV-AIDS, SARS, Ebola, Schweinegrippe, Tollwut und aviäre Influenza. Bakterienpathogene können auch mit CST assoziiert sein.
Der genaue Mechanismus, der den Transfer erleichtert, ist unbekannt. Es wird jedoch angenommen, dass Viren mit einer schnellen Mutationsrate in der Lage sind, wirtsspezifische immunologische Abwehrkräfte zu überwinden. Dies kann zwischen Arten mit hohen Kontaktraten wie zwischen Arten mit geringen Kontaktraten auftreten, normalerweise jedoch über eine Zwischenart. Fledermäuse als Säugetiere können Tollwut durch Biss und Aerosolisierung durch Fledermausspeichel und Urin, die dann von menschlichen Schleimhäuten in Nase, Mund und Augen absorbiert werden, direkt auf den Menschen übertragen. Ein Wirtswechselereignis ist definiert als ein Stamm, der zuvor zoonotisch war und jetzt zwischen Menschen zirkuliert aber auch wieder Tiere befallen kann.
Es wird angenommen, dass die Ähnlichkeit zwischen Arten, beispielsweise der Transfer zwischen Säugetieren, durch ähnliche immunologische Abwehrkräfte erleichtert wird. Weitere Faktoren sind das geografische Gebiet, das Verhalten innerhalb der Spezies und die phylogenetische Verwandtschaft. Das Auftreten von Viren beruht auf zwei Faktoren: Erstinfektion und anhaltende Übertragung.

Häufigkeit-Prävalenz
Die Übertragung zwischen verschiedenen Arten ist die wichtigste Ursache für das Auftreten von Krankheiten beim Menschen und anderen Arten. Zoonotische Wildtierkrankheiten mikrobiellen Ursprungs sind auch die häufigste Gruppe neu auftretender Krankheiten beim Menschen, und die CST zwischen Wildtieren und Nutztieren hat spürbare wirtschaftliche Auswirkungen auf die Landwirtschaft, indem sie die Nutztierproduktivität verringert und Exportbeschränkungen auferlegt. Dies macht CST zu einem Hauptanliegen für die öffentliche Gesundheit, die Landwirtschaft und das Wildtiermanagement.

Es wird angenommen, dass ein großer Teil der kürzlich beim Menschen aufgetretenen viralen Krankheitserreger von verschiedenen Tierarten stammt. Dies wird durch mehrere neuere Epidemien wie Vogelgrippe, Ebola, Affenpocken und Hanta-Viren gezeigt. Es gibt Hinweise darauf, dass einige Krankheiten möglicherweise durch tierische Wirte wieder in die menschliche Bevölkerung übertragen werden können, nachdem sie beim Menschen ausgerottet wurden. Es besteht das Risiko, dass dieses Phänomen bei Morbilliviren auftritt, da sie leicht Artenbarrieren überwinden können. CST kann auch erhebliche Auswirkungen auf die Erzeugnisindustrie haben. Genotyp VI-Avian Paramyxovirus Serotyp 1 (GVI-PMV1) ist ein Virus, das durch speziesübergreifende Übertragungsereignisse von Galliformes (d. H. Huhn) auf Columbiformes entstanden ist und in der Geflügelindustrie weit verbreitet ist. Die CST von Tollwutvirusvarianten zwischen vielen verschiedenen Artenpopulationen ist ein wichtiges Anliegen des Wildtiermanagements. Die Einführung dieser Varianten bei Tieren ohne Reservoir erhöht das Risiko menschlicher Expositionen und gefährdet die derzeitigen Fortschritte bei der Bekämpfung der Tollwut.Es wird angenommen, dass viele Krankheitserreger eine Wirtsspezialisierung haben, was die Aufrechterhaltung unterschiedlicher Stämme in Wirtsspezies erklärt. Krankheitserreger müssten ihre Wirtsspezifität überwinden, um zu einer neuen Wirtsspezies überzugehen. Einige Studien haben argumentiert, dass Wirtsspezialisierungen möglicherweise übertrieben sind und Krankheitserreger eher CST aufweisen als bisher angenommen. Ursprüngliche Wirte weisen normalerweise niedrige Sterblichkeitsraten auf, wenn sie mit einem Pathogen infiziert sind, wobei die Todesraten bei neuen Wirten tendenziell viel höher sind .

Speziesübergreifende Übertragung zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten

Aufgrund der engen Beziehung zwischen Menschen und nichtmenschlichen Primaten (NHP) ist die Übertragung von Krankheiten zwischen NHP und Menschen relativ häufig und kann zu einem großen Problem für die öffentliche Gesundheit werden. Krankheiten wie HIV und humane Adenoviren wurden mit NHP-Wechselwirkungen in Verbindung gebracht. An Orten, an denen häufig Kontakt zwischen Menschen und NHPs besteht, werden häufig Vorkehrungen getroffen, um die Übertragung von Krankheiten zu verhindern. Simian Foamy Viruses (SFV) ist ein enzootisches Retrovirus, das eine hohe Übertragungsrate zwischen verschiedenen Arten aufweist und bekanntermaßen Menschen betrifft, die von infizierten NHPs gebissen wurden. Es hat gesundheitliche Bedenken in Orten wie Indonesien verursacht, wo Besucher von Affentempeln SFV von Tempelmakaken (Macaca fascicularis) bekommen können. TMAdV (Titi Monkey Adenovirus) ist ein sehr divergentes TMAdV mit <57% paarweiser Nucleotididentität und anderen Adenoviren. Das NHP-Virus hatte eine hohe Todesrate (83%) bei Affen und kann sich über menschliche Wirte ausbreiten.

Vorhersage und Verhinderung der Übertragung zwischen Arten

Vorhersage und Überwachung sind wichtig für die Untersuchung von CSTs und ihrer Auswirkungen. Faktoren, die den Ursprung und das Schicksal von Übertragungsereignissen zwischen verschiedenen Arten bestimmen, bleiben jedoch für die Mehrheit der humanpathogenen Erreger unklar. Dies hat zur Verwendung verschiedener statistischer Modelle für die Analyse von CST geführt. Einige davon umfassen Risikoanalysemodelle, Single Rate Dated Tip (SRDT) -Modelle und phylogenetische Diffusionsmodelle. Die Untersuchung der Genome von Krankheitserregern, die an CST-Ereignissen beteiligt sind, ist sehr nützlich, um deren Herkunft und Schicksal zu bestimmen. Dies liegt daran, dass die genetische Vielfalt und die Mutationsrate eines Krankheitserregers Schlüsselfaktoren sind, um zu bestimmen, ob er über mehrere Wirte übertragen kann. Daher ist es wichtig, dass die Genome von Übertragungsarten teilweise oder vollständig sequenziert werden. Eine Änderung der Genomstruktur könnte dazu führen, dass ein Pathogen mit einem engen Wirtsbereich in der Lage ist, einen größeren Wirtsbereich auszunutzen. Die genetische Entfernung zwischen verschiedenen Arten, die geografische Reichweite und andere Interaktionsbarrieren beeinflussen auch die Übertragung zwischen verschiedenen Arten.

Ein Ansatz zur Risikobewertungsanalyse von CST besteht darin, Risikoanalysemodelle zu entwickeln, die den „Prozess“ der Krankheitsübertragung in Bestandteile aufteilen. Prozesse und Wechselwirkungen, die zur Übertragung von Krankheiten zwischen verschiedenen Arten führen könnten, werden explizit als hypothetische Infektionskette beschrieben. Daten aus Labor- und Feldversuchen werden verwendet, um die Wahrscheinlichkeit jeder Komponente, die erwartete natürliche Variation und die Fehlergrenzen abzuschätzen.

Unterschiedliche Arten der CST-Forschung würden unterschiedliche Analysewege erfordern, um ihre Anforderungen zu erfüllen. Eine Studie zur Identifizierung von Viren in Fledermäusen, die sich auf andere Säugetiere ausbreiten könnten, verwendete den Workflow: Sequenzierung genomischer Proben → „Reinigung“ von Rohdaten → Eliminierung von Wirtsdaten und eukaryotischen Kontaminanten → De-novo-Zusammenstellung der verbleibenden Daten → Annotation von Virus-Contigs → molekularer Nachweis spezifischer Viren → phylogenetische Analyse → Interpretation von Daten.

Das Erkennen von CST und das Schätzen seiner Rate anhand von Prävalenzdaten ist eine Herausforderung. Aufgrund dieser Schwierigkeiten werden Berechnungsmethoden verwendet, um CST-Ereignisse und die damit verbundenen Krankheitserreger zu analysieren. Die explosive Entwicklung molekularer Techniken hat neue Möglichkeiten eröffnet, mithilfe der phylogenetischen Analyse der Pathogengenetik auf epidemiologische Parameter zu schließen. Dies gibt einen Einblick in die Ursprünge dieser Ereignisse und wie sie angegangen werden könnten. Methoden zur CST-Prävention verwenden derzeit sowohl biologische als auch rechnerische Daten. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung sowohl zellulärer Assays als auch phylogenetischer Vergleiche, um eine Rolle von TRIM5α, dem Produkt des TRIM5-Gens, bei der Unterdrückung der Übertragung von Spezies und des Auftretens von Retroviren in der Natur zu unterstützen.Speziesübergreifende Übertragungsanalyse
Phylogenie

Der Vergleich genomischer Daten ist sehr wichtig für die Untersuchung der Übertragung zwischen verschiedenen Arten. Die phylogenetische Analyse wird verwendet, um die genetische Variation sowohl der mit CST assoziierten Pathogene als auch der von ihnen infizierten Wirtsspezies zu vergleichen. Zusammengenommen ist es möglich zu schließen, was es einem Pathogen ermöglichte, auf einen neuen Wirt überzugehen (d. H. Mutation in einem Pathogen, Änderung der Wirtsanfälligkeit) und wie dies in Zukunft verhindert werden kann. Wenn die Mechanismen, mit denen ein Krankheitserreger anfänglich in eine neue Art eindringt, gut charakterisiert und verstanden sind, kann ein gewisses Maß an Risikokontrolle und -prävention erreicht werden. Im Kontakt erschwert ein schlechtes Verständnis der Krankheitserreger und der damit verbundenen Krankheiten das Ergreifen vorbeugender Maßnahmen .

Alternative Wirte können möglicherweise auch eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Diffusion eines Pathogens spielen. Wenn ein Krankheitserreger Arten kreuzt, erhält er häufig neue Eigenschaften, die es ihm ermöglichen, Wirtsbarrieren zu durchbrechen. Verschiedene Pathogenvarianten können sehr unterschiedliche Auswirkungen auf Wirtsspezies haben. Daher kann es für die CST-Analyse vorteilhaft sein, dieselben Krankheitserreger zu vergleichen, die in verschiedenen Wirtsspezies vorkommen. Die phylogenetische Analyse kann verwendet werden, um die Geschichte eines Krankheitserregers durch verschiedene Artenpopulationen zu verfolgen. Selbst wenn ein Krankheitserreger neu und sehr unterschiedlich ist, kann ein phylogenetischer Vergleich sehr aufschlussreich sein. Eine nützliche Strategie zur Untersuchung der Geschichte der durch die Übertragung von Krankheitserregern verursachten Epidemien kombiniert die Analyse der molekularen Uhr, um die Zeitskala der Epidemie abzuschätzen, und die Koaleszenztheorie schließen Sie die demografische Geschichte des Erregers. Bei der Erstellung von Phylogenien werden häufig Computerdatenbanken und -tools verwendet. Programme wie BLAST werden zum Annotieren von Pathogensequenzen verwendet, während Datenbanken wie GenBank Informationen über Funktionen bereitstellen, die auf der Genomstruktur der Pathogene basieren. Bäume werden mit Berechnungsmethoden wie MPR oder Bayesian Inference konstruiert und Modelle werden abhängig von den Anforderungen der Studie erstellt. SRDT-Modelle (Single Rate Dated Tip) ermöglichen beispielsweise Schätzungen der Zeitskala unter einem phylogenetischen Baum. Modelle für die CST-Vorhersage variieren je nachdem, welche Parameter bei der Erstellung des Modells berücksichtigt werden müssen.

Sparsamster Wiederaufbau (Most Parsimonious Reconstruction MPR)
Sparsamkeit ist das Prinzip, nach dem man die einfachste wissenschaftliche Erklärung wählt, die zu den Beweisen passt. In Bezug auf den Bau phylogenetischer Bäume ist die beste Hypothese diejenige, die die wenigsten evolutionären Änderungen erfordert. Die Verwendung von Sparsamkeit zur Rekonstruktion von Ahnencharakterzuständen auf einem phylogenetischen Baum ist eine Methode zum Testen ökologischer und evolutionärer Hypothesen. Diese Methode kann in CST-Studien verwendet werden, um die Anzahl der Charakteränderungen zwischen Krankheitserregern in Bezug auf ihren Wirt abzuschätzen. Dies macht MPR nützlich, um einen CST-Erreger bis zu seinem Ursprung zu verfolgen. MPR kann auch verwendet werden, um Merkmale von Wirtsspeziespopulationen zu vergleichen. Merkmale und Verhaltensweisen innerhalb einer Bevölkerung könnten sie anfälliger für CST machen. Zum Beispiel sind Arten, die regional wandern, wichtig für die Verbreitung von Viren über Bevölkerungsnetzwerke.

Trotz des Erfolgs von Sparsamkeitsrekonstruktionen deuten Untersuchungen darauf hin, dass sie häufig empfindlich sind und in komplexen Modellen manchmal zu Verzerrungen neigen können. Dies kann zu Problemen bei CST-Modellen führen, bei denen viele Variablen berücksichtigt werden müssen. Alternativen Methoden wie die maximale Wahrscheinlichkeit wurden als Alternative zur Rekonstruktion der Sparsamkeit entwickelt.

Verwendung genetischer Marker
Zwei Methoden zur Messung der genetischen Variation, Tandem-Wiederholungen mit variabler Anzahl (VNTRs) und Einzelnukleotid-Polymorphismen (SNPs), waren für die Untersuchung der bakteriellen Übertragung von großem Nutzen. VNTRs machen sie aufgrund der geringen Kosten und der hohen Mutationsraten besonders nützlich, um genetische Unterschiede bei jüngsten Ausbrüchen zu erkennen, und während SNPs eine niedrigere Mutationsrate pro Ort aufweisen als VNTRs, liefern sie stabilere und zuverlässigere genetische Beziehungen zwischen Isolaten. Beide Methoden werden verwendet, um Phylogenien für die genetische Analyse zu konstruieren. SNPs eignen sich jedoch besser für Studien zur Kontraktion von Phylogenien. Es kann jedoch schwierig sein, mit diesen Methoden CSTs Evert genau zu simulieren. Schätzungen von CST basierend auf Phylogenien, die unter Verwendung eines VNTR-Markers erstellt wurden, können auf die Erkennung von CST-Ereignissen über einen weiten Bereich der Parameter voreingenommen sein. SNPs neigen dazu, bei Schätzungen der CST weniger voreingenommen und variabel zu sein, wenn die Schätzungen der CST-Raten niedrig sind und eine geringe Anzahl von SNPs verwendet wird. Im Allgemeinen sind CST-Ratenschätzungen mit diesen Methoden in Systemen mit mehr Mutationen, mehr Markern und hohen genetischen Unterschieden zwischen eingeführten Stämmen am zuverlässigsten. CST ist sehr komplex und Modelle müssen viele Parameter berücksichtigen, um die Phänomene genau darzustellen. Modelle, die die Realität zu stark vereinfachen, können zu verzerrten Daten führen. Mehrere Parameter wie die Anzahl der seit der Einführung akkumulierten Mutationen, die Stochastizität, der genetische Unterschied der eingeführten Stämme und der Probenahmeaufwand können unvoreingenommene Schätzungen der CST selbst bei Sequenzen des gesamten Genoms schwierig machen, insbesondere wenn die Probenahme begrenzt ist, die Mutationsraten niedrig sind oder wenn kürzlich Krankheitserreger eingeführt wurden. Weitere Informationen zu den Faktoren, die die CST-Raten beeinflussen, sind erforderlich, um geeignetere Modelle zur Untersuchung dieser Ereignisse zu erhalten.Bei der Verwendung genetischer Marker zur Schätzung der CST-Raten sollten mehrere wichtige Faktoren zur Verringerung der Verzerrung berücksichtigt werden. Zum einen muss der in der Analyse konstruierte phylogenetische Baum den zugrunde liegenden epidemiologischen Prozess erfassen, der den Baum erzeugt. Die Modelle müssen berücksichtigen, wie die genetische Variabilität eines Pathogens eine Krankheit in einer Art beeinflusst, nicht nur allgemeine Unterschiede in der Genomstruktur. Zweitens hängt die Stärke der Analyse von der Menge der Mutation ab, die seit der Einführung des Pathogens in das System akkumuliert wurde. Dies ist auf viele Modelle zurückzuführen, die die Anzahl der Mutationen als Indikator für die CST-Häufigkeit verwenden. Daher konzentrieren sich die Bemühungen auf die Schätzung der Zeit seit der Einführung oder der Substitutionsrate des Markers (aus Laborexperimenten oder genomischen Vergleichsanalysen). Dies ist nicht nur bei Verwendung der MPR-Methode wichtig, sondern auch bei Likelihood-Ansätzen, bei denen eine Schätzung der Mutationsrate erforderlich ist. Drittens wird CST auch die Prävalenz von Krankheiten im potenziellen Wirt beeinflussen, sodass die Kombination beider epidemiologischer Zeitreihendaten mit genetischen Daten ein hervorragender Ansatz für die CST-Studie sein kann
Bayesianische Analyse
Bayesianische Gerüste sind eine Form von Maximum-Likelihood-basierten Analysen und können in artenübergreifenden Übertragungsstudien sehr effektiv sein. Die Bayes'sche Inferenz von Charakterentwicklungsmethoden kann die phylogenetische Baumunsicherheit und komplexere Szenarien erklären, wobei Modelle wie das Charakterdiffusionsmodell derzeit für die Untersuchung von CST in RNA-Viren entwickelt werden. Ein Bayes'scher statistischer Ansatz bietet Vorteile gegenüber anderen Analysen zur Verfolgung der CST-Herkunft. Computertechniken ermöglichen die Integration über eine unbekannte Phylogenie, die nicht direkt beobachtet werden kann, und einen unbekannten Migrationsprozess, der normalerweise nur unzureichend verstanden wird.Die Bayes'schen Rahmenbedingungen sind auch gut geeignet, um verschiedene Arten von Informationen zusammenzuführen. Die BEAST-Software, die sich stark auf kalibrierte Phylogenien und Genealogie konzentriert, veranschaulicht dies, indem sie eine große Anzahl komplementärer Evolutionsmodelle anbietet, darunter Substitutionsmodelle, demografische und entspannte Uhrenmodelle, die zu einem vollständigen Wahrscheinlichkeitsmodell kombiniert werden können. Durch Hinzufügen einer räumlichen Rekonstruktion erzeugen diese Modelle die Wahrscheinlichkeit einer Rekonstruktion der biogeografischen Geschichte aus genetischen Daten. Dies könnte nützlich sein, um den Ursprung von Artenübertragungen zu bestimmen. Die hohe Wirksamkeit der Bayes'schen statistischen Methoden hat sie zu Instrumenten in Evolutionsstudien gemacht. Die Rekonstruktion des Wirts der Bayes'schen Vorfahren unter diskreten Diffusionsmodellen kann verwendet werden, um den Ursprung und die Auswirkungen von mit CST assoziierten Pathogenen abzuleiten. Eine Studie über humane Adenoviren unter Verwendung von Bayesian unterstützte einen Gorilla- und Schimpansenursprung für die Virusart und unterstützte die Präventionsbemühungen. Trotz des vermutlich seltenen direkten Kontakts zwischen sympatrischen Populationen der beiden Arten können zwischen ihnen CST-Ereignisse auftreten. Die Studie stellte auch fest, dass zwei unabhängige HAdV-B-Übertragungsereignisse auf den Menschen auftraten und dass die beim Menschen zirkulierenden HAdV-B zoonotischen Ursprungs sind und wahrscheinlich die globale Gesundheit für den größten Teil unseres Spezieslebens beeinflusst haben. Phylogenetische Diffusionsmodelle werden häufig für phylogeografische Analysen verwendet, wobei die Schlussfolgerung des Wirtsspringens von zunehmendem Interesse ist. Der Bayes'sche Inferenzansatz ermöglicht die Modellmittelung über eine Reihe potenzieller Diffusionsprädiktoren und schätzt die Unterstützung und den Beitrag jedes Prädiktors, während die phylogenetische Vorgeschichte marginalisiert wird. Für die Untersuchung des viralen CST ermöglicht die Flexibilität des Bayes'schen statistischen Rahmens die Rekonstruktion der Virusübertragung zwischen verschiedenen Wirtsspezies, während gleichzeitig der Beitrag mehrerer ökologischer und evolutionärer Einflüsse von CST-Spillover und Wirtsverschiebung getestet und quantifiziert wird.Eine Studie über Tollwut bei Fledermäusen zeigte, dass die Überlappung des geografischen Bereichs ein bescheidener Prädiktor für CST ist, nicht jedoch für Wirtsverschiebungen. Aus dem engl