百日咳是一种由百日咳杆菌引起的急性呼吸道传染病，因其病程长达2～3个月，故有百日咳之称。百日咳、白喉、破伤风混合疫苗简称百白破疫苗。该疫苗是世界卫生组织免疫规划中规定使用的疫苗之一,也是我国扩大国家免疫规划11种儿童常规疫苗之一。
尽管有长期的免疫计划和较高的疫苗覆盖率，但是百日咳杆菌仍在继续传播中，并且近几十年来传播增加，其原因尚不清楚。据统计，每年约有160700人死于百日咳。
2022年4月27日，由巴黎巴斯德研究所的科学家领导的国际团队在《Sci Transl Med》发表了题为“Global spatial dynamics and vaccine-induced fitness changes of Bordetella pertussis”的研究论文，该文章的作者Noémie Lefrancq 博士及其同事介绍说：这项工作利用来自23个国家的3344个全基因组序列，详细介绍了每年导致数万人死亡的病原体百日咳杆菌遗传多样性的时间动态变化和空间传播特点。
百日咳杆菌遗传多样性的时间动态
作者首先对一个时间跨度为85年的来自23个国家和5大洲的3344个基因组的数据集进行了全基因组测序，同时构建了一个时间分辨的系统发育。他们发现，在几乎所有国家，产生毒素能力更强的ptxP3分离株的比例从20世纪90年代初的5 - 20%增加到21世纪中期的>80%。相比之下，ptxp3型启动子的分离株中fim3等位基因的分布多年来更加稳定。此外，在大多数国家，免疫原性表面蛋白prn缺陷菌株已经取代了prn阳性菌株。
百日咳杆菌的空间尺度传播
接下来研究人员探究了百日咳杆菌的空间传播特点，研究发现百日咳杆菌尽管在序列中有很强的空间结构的整体模式，但在任何地点任何时间的大多数序列对只是远亲。在国家和次国家层面，来自同一年份的20对序列中，只有不到1对在前2年内拥有最近的共同祖先，绝大多数序列之间的距离超过20年的进化时间。
接下来研究人员进一步探索了次国家级别的谱系多样性，发现在一个区域内，平均有28.1条循环链，循环链的数量强烈依赖于种群大小，对数种群大小的每一次增加都导致循环链数量增加0.55。人口密度的增加也与循环链数量的小幅增加有关，但区域面积却不会影响循环链。这些发现表明，百日咳杆菌以密度依赖性方式进行传播，在人口密度高的地区传播增加。
不同基因型疫苗接种时代的适应度表征
为了解释在全球各地观察到的百日咳基因型变化，研究人员开发了一个时间序列模型，估计了每个国家中每种基因型每年分离株的比例。这个简单的模型能够拟合每个国家不同年份观察到的相应的基因型数量，总体比例和年度基因型的相对变化。
利用上述模型的拟合结果表明基因型的潜在适应性与当时该国是否使用百日咳全细胞菌苗WCV或百日咳无细胞菌苗ACV相关。与当时流行的其他基因型相比，ptxP3/prn 阳性类型，是 WCV 时代最适合的基因型，每年的相对适合度为1.11，相当于每传代的相对适合度为1.01。ptxP3/fim3-1/ prn缺陷基因型是ACV实施后最适合的基因型，相对适合度为每年1.30，相当于每传代的相对适合度为1.02。
进一步研究发现从 WCV 到 ACV 的转换与 prn 缺陷基因型的适应性增加有关，平均而言，在引入 ACV 后，prn缺陷分离株的拟合度是prn阳性分离株的 1.26倍。在仅使用 WCV 的情况下，prn缺陷分离株平均是其prn阳性分离株的 0.94 倍。上述结果表明疫苗转换对人群中百日咳菌株的基因型适应性产生了快速影响。
综上所述，在这篇文章中，研究人员使用了一个大型的地理参考数据集揭示了对人类健康构成威胁的一种重要细菌百日咳杆菌的空间传播特点。总的来说，该研究确定了疫苗接种计划的实施导致循环菌株基因型的转变，这一发现对公共卫生政策具有潜在影响。
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