感染症のゲノムサーベイランス

NGSゲノムサーベイランス

感染症の脅威を特定して追跡する

次世代シーケンサー(NGS)によるゲノムサーベイランスは、感染症の伝播を追跡することで、コロナウイルスやその他の新たな病原体の新規株を特定できます。病原体ゲノムのほぼ完全なシーケンスデータがあれば、さらなる伝播および感染を防ぐための効果的な感染症サーベイランス戦略を実装できます。

NGSによる感染症サーベイランスで、以下のことを実現できます。

  • 感染症伝播経路のグローバルな追跡
  • 感染拡大に伴うコロナウイルスなどの病原体の変異速度の判定
  • コロナウイルス、インフルエンザA型やB型などの病原体の新規および既知の変異の特定
  • 感染症治療抵抗性の研究
  • ワクチン回避メカニズムの検討

ゲノムサーベイランスは、公衆衛生当局が流行の経路を追跡し、接触追跡を実行し、病原体の変異速度を判定し、病原体の変異状況が診断または治療効果に影響するかどうかを理解するのに役立ちます。

ある場所での感染拡大が、すべての場所での感染拡大につながる可能性があります

サル痘ウイルス(MPXV)は、1958年に初めて特定された巨大二本鎖DNAウイルスです。歴史的に、サル痘ウイルスは中央アフリカや西アフリカで散発的なヒトへの感染拡大を引き起こしており、その死亡率は1%から10%です[1]。2022年春には、欧州、北米、東南アジアなど風土病とはされていない国々で感染拡大が確認されました。これらの国では、サル痘ウイルスのさらなる感染拡大を防止するために、サーベイランスによる公衆衛生活動が行われています。

NGSは、サル痘ウイルスなどの感染症のゲノムサーベイランスのための貴重なテクノロジーです。NGSは、突然変異株の蔓延を追跡できるだけでなく、新規変異株を特定することもできます。その結果、サイエンティストはNGSベースのテクノロジーを採用して、低頻度少数型バリアント、複数の多型、および新規バリアントをハイスループット形式で迅速かつ正確に検出できるようになりました。これらの要因は、疫学者が感染拡大クラスター、伝播経路、および変異を同定して特徴づけ、さらなる感染拡大を防止できるようにする上で不可欠です。

イルミナにとって、COVIDのパンデミック中に、公衆衛生のためのNGS能力および機能の世界的な拡大をサポートできたことは誇りです。これらのリソースは、サル痘ウイルス、エボラウイルス、結核菌やその他多くの病原体サーベイランスに使用することができます。

NGSによる病原体サーベイランス方法の比較

検出に必要なもの アンプリコン ターゲット濃縮 ショットガンメタゲノミクス
スピードとターンアラウンドタイム      
スケーラビリティと費用対効果      
新型病原体の同定      
伝播の追跡      
変異の検出      
複数感染や複合疾患の特定      
薬剤耐性の検出      

ラボの検査ニーズを十分に満たします

ラボの検査ニーズを部分的に満たします

感染症サーベイランスシーケンス方法の詳細

アンプリコンシーケンス

既知のウイルスを検出して、完全に特徴づけることができます。アプリコンアプローチによる全ゲノムシーケンスは、ゲノムが小さい既知のウイルスに最適です。この方法により、PCRアンプリコンの超深度シーケンスにより、所期のゲノム領域を解析することができます。

ターゲット濃縮シーケンス

コロナウイルス、インフルエンザウイルス、その他の病原体、および関連する薬剤耐性アリルを検出し、その特性を解析します。これらの洞察は、公衆衛生当局が感染拡大をモニターし、感染制御戦略を最適化するのに役立ちます。この方法により、ターゲット特異的なプローブとのハイブリダイゼーションを介して、所期のゲノム領域を捕捉することができます。

ショットガンメタゲノミクス

特定のサンプルに含まれるすべての微生物を包括的にシーケンスし、サル痘ウイルスなどの新規または新興病原体を同定することができます。このNGS法は、感染拡大調査を迅速化し、新しいラボ検査の開発を支援する上で、役立つ可能性があります。

FAQs

At a basic level, diagnostic testing helps clinicians manage patients, and infectious disease surveillance is required to manage populations.

Diagnostic testing provides important yes/no answers for individual patients so that appropriate management can be provided.

Surveillance helps public health officials track the path of the epidemic, understand transmission routes, perform contact tracing, determine the rate of viral evolution, and understand if the virus is changing in ways that could impact diagnostic or therapeutic effectiveness.

NGS can provide unbiased detection of a novel pathogen in patient samples without prior knowledge of the organism.

A key challenge in infectious disease detection is that many of the microbes, including viruses, that cause respiratory, digestive, and other diseases in humans, have not been researched and characterized and thus are not known or detected by targeted approaches such as PCR. Development of PCR assays requires knowledge of the pathogen genome. NGS plays a critical role in discovering these unknown, novel pathogens; the resulting genome sequence can then be used to develop routine tests such as PCR to help clinicians manage patients.

NGS can be used to track the evolution of the pathogen genome to help public health officials monitor the spread of infection and determine the best isolation plan at a population level. Sequencing the virus from different patients over time can determine the rate of viral evolution, and address whether the virus is changing in ways that could impact pathogenicity as well as diagnostic or therapeutic effectiveness. PCR is designed to detect the presence of specific regions of the pathogen genome and will not identify new mutations across rapidly evolving pathogen genomes. Furthermore, PCR performance can suffer if mutations occur in the primer or probe binding regions.

Epidemiologists can utilize NGS to study viral genome mutations from patient samples across the globe. They can use this information to build a genetic tree (or map) that can indicate the path of transmission between patients. Clusters due to genetic similarities in the pathogen belong to patients within the same transmission chains. These transmission chains allow public health officials to quickly determine the pathogen origin, track the path of the epidemic, understand transmission routes, and inform appropriate containment measures.

A shotgun metagenomics workflow enables sequencing of both novel and known species. During an outbreak involving an unknown pathogen, multiple molecular diagnostic tests are often utilized; this may lead to unnecessary costs and delays in identifying the pathogen. Shotgun metagenomics can be used as a single comprehensive screening assay for identifying and characterizing pathogens. This research workflow can help accelerate outbreak investigations and support development of new lab tests for large-scale screening efforts.

Once a pathogen such as SARS-CoV-2 is identified, a hybrid capture workflow can provide the high sensitivity needed to detect the virus, and provide information about its epidemiology and evolution. This information can help researchers optimize infection control strategies, including monitoring when it's acceptable to de-escalate isolation mechanisms and resume normal activities, and aid in the development of vaccines.

These complementary workflows using Illumina sequencing can be performed alongside traditional testing methods and integrated into a comprehensive outbreak response model.

The Respiratory Virus Oligo Panel includes 7,800 probes to sequence common respiratory viruses, recent flu strains, SARS-CoV-2, and other coronaviruses, as well as human probes to act as positive controls. These probes are 80-mer oligos, spaced very close together, providing full genome coverage of all viruses in the panel. Table of viruses in the panel:

  • Human coronavirus 229E
  • Human coronavirus NL63
  • Human coronavirus OC43
  • Human coronavirus HKU1
  • SARS-CoV-2
  • Human adenovirus B1
  • Human adenovirus C2
  • Human adenovirus E4
  • Human bocavirus 1 (Primate bocaparvovirus 1 isolate st2)
  • Human bocavirus 2c PK isolate PK-5510
  • Human bocavirus 3
  • Human parainfluenza virus 1
  • Human parainfluenza virus 2
  • Human parainfluenza virus 3
  • Human parainfluenza virus 4a
  • Human metapneumovirus (CAN97-83)
  • Respiratory syncytial virus (type A)
  • Human Respiratory syncytial virus 9320 (type B)
  • Influenza A virus (A/Puerto Rico/8/1934(H1N1))
  • Influenza A virus (A/Korea/426/1968(H2N2))
  • Influenza A virus (A/New York/392/2004(H3N2))
  • Influenza A virus (A/goose/Guangdong/1/1996(H5N1))
  • Human bocavirus 4 NI strain HBoV4-NI-385
  • KI polyomavirus Stockholm 60
  • WU Polyomavirus
  • Human parechovirus type 1 PicoBank/HPeV1/a
  • Human parechovirus 6
  • Human rhinovirus A89
  • Human rhinovirus C (strain 024)
  • Human rhinovirus B14
  • Human enterovirus C104 strain: AK11
  • Human enterovirus C109 isolate NICA08-4327
  • Influenza A virus (A/Zhejiang/DTID-ZJU01/2013(H7N9))
  • Influenza A virus (A/Hong Kong/1073/99(H9N2))
  • Influenza A virus (A/Texas/50/2012(H3N2))
  • Influenza A virus (A/Michigan/45/2015(H1N1))
  • Influenza B virus (B/Lee/1940)
  • Influenza B virus (B/Wisconsin/01/2010)
  • Influenza B virus (B/Brisbane/60/2008)
  • Influenza B virus (B/Colorado/06/2017)
  • Influenza B virus (B/Washington/02/2019)
  • Human control genes

Hybrid capture is a resequencing method that captures genomic regions of interest by hybridization to target-specific biotinylated probes. Enrichment through hybrid–capture methods allows for highly sensitive detection and therefore does not require high read depth. Additionally, the hybrid capture NGS workflow allows for near-complete sequence data of targets and opens up applications such as variant analysis for viral evolution or viral surveillance.

Alternatively, amplicon sequencing is designed to detect the presence of the target pathogen in a sample by identifying specific regions of the pathogen genome. This method does not enable identification of new mutations across rapidly evolving pathogen genomes (as is required for viral evolution or viral surveillance studies).

The hybrid capture NGS workflow allows for near-complete sequence data of targets and opens up applications such as variant analysis for coronavirus evolution or viral surveillance studies. Compared to other targeted resequencing methods, such as amplicon sequencing, enrichment through hybrid capture allows for dramatically larger probe panels with more comprehensive profiling of the target regions. Additionally, the oligo probes used for hybrid–capture protocols remain effective even within highly mutagenic regions (which can be difficult for amplicon-based assays such as qPCR), allowing targeting of rapidly evolving viruses such as RNA viruses.

Once a pathogen like the SARS-CoV-2 coronavirus has been identified, amplicon sequencing can provide cost-effective, rapid, and scalable detection of the pathogen. When used as a general whole-genome sequencing diagnostic approach, it allows for broader target coverage, making it less susceptible to mutational effects. For research, viral whole-genome sequencing can be used to monitor viral mutations and allows phylogenetic analysis.

Once a pathogen like the SARS-CoV-2 coronavirus has been identified, a viral enrichment sequencing panel provides high sensitivity detection coupled with epidemiology information by detecting the full genome and the genomic mutations found across different samples. This information helps define the epidemiology of transmission and can assist public health officials in optimizing infection control strategies.

The Illumina Respiratory Virus Oligo Panel expands detection to ~30 families of respiratory viruses and allows researchers to study co-infections with other viruses in the panel.

The Illumina COVIDSeq Test (3076 samples) and COVIDSeq Assay (96 samples) are amplicon-based NGS products designed to detect RNA from the SARS-CoV-2 virus.

Learn more about: Illumina COVIDSeq Test (EUA) / Illumina COVIDSeq Test (RUO) / COVIDSeq Assay (96 samples)

Visit our Sequencing Platforms page to explore our portfolio. The choice of sequencer depends on which method(s) you use most frequently. See the workflows above for recommendations on which sequencer is optimal for which method.

下水シーケンスによる感染症サーベイランス

下水シーケンスを利用した、コミュニティ内のSARS-CoV-2バリアントおよびその他の呼吸器系ウイルスのサーベイランス方法について学習します。

アプリケーションノートを読む

感染症サーベイランスウェビナー

NGSによるSARS-CoV-2の検出及びサーベイランス

NGSは、SARS-CoV-2パンデミックへの対応として、初期の検出と特性評価からモニタリング、サーベイランス、診断の検出まで、幅広く適用できます。

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COVID-19グローバルサーベイランスにおけるゲノミクスの役割

変革者、第一人者、業界主導者と、感染症のサーベイランスにおけるゲノミクスの役割について議論しましょう。

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ターゲット濃縮による疾患およびAMRの検出

感染性病原体と抗菌薬耐性(AMR)マーカーの早期かつより包括的な検出により、患者管理と治療の最適化を支援します。

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主な製品

COVIDSeqシリーズ
COVIDSeqシリーズ

COVIDSeq AssayとCOVIDSeq テストは、アンプリコンベースの次世代シーケンサー(NGS)アッセイで、公衆衛生研究所がSARS-CoV-2の新規株を同定するのに役立ちます。

iSeq 100 システム
iSeq 100 システム

iSeq 100 システムは、相補型金属酸化膜半導体(CMOS)技術のスピードと手頃な価格、およびSequence by Synthesis(SBS)化学の精度を活用しています。

NextSeq 2000システム
NextSeq 2000システム

画期的なベンチトップシーケンサーは、現在および将来のさまざまなアプリケーションにおいて、より高い効率性と少ない制約で新しいサイエンスを探索することを可能にします。

ポッドキャスト:SARS-CoV-2のゲノムサーベイランスと検査
Weill Cornell MedicineのChristopher Mason氏が、COVID-19の検査とサーベイランスの緊急ニーズに対する多面的アプローチについて説明します。彼はまた、最近の「Nature」誌の論文で、COVID-19の宿主反応と薬物相互作用の研究方法としてのオミクス法の使用についても論じています。
次のパンデミックの予防

次のパンデミックの予防

新規または新興感染症の最大75%が人獣共通感染症に起因すると推定されています。1,2人獣共通感染症のリザーバーが病原体の蔓延に重要な役割を果たすことがわかっています。NGSによって、リザーバーとなるコウモリなどの動物をスクリーニングすることで、ウイルス性病原体の感染拡大の予測および防止が可能となります。

NGSベースのターゲット濃縮またはメタゲノムによる感染症サーベイランスによって、われわれは人獣共通感染症がどのように発生し、拡大し、一般的な治療法に耐性を持つようになるかの理解を深めるとともに、感染拡大の封じ込め、治療、予防を改善できるようになります。

ターゲット濃縮シーケンスは、人獣共通感染症の病原体をモニタリングするためにスケールアップでき、メタゲノムによるゲノムサーベイランスにより、偏りのない、普遍的な検出と、広範な病原体の識別が可能になります。メタゲノムは、感染症の制御手段を設計するときに重要となる微生物叢と病原体の相互作用関係を理解するのにも役立ちます。

詳細はこちら:

ターゲット濃縮

メタゲノムシーケンス

その他の感染症サーベイランスの用途

コロナウイルスのサーベイランス

NGSはコロナウイルスの新規株を偏りなく同定することができます。イルミナでは、効率的なシーケンスニーズの要求に応えるために、SARS-CoV-2コロナウイルス変異の迅速な検出を行っています。

食品媒介疾患のサーベイランス

微生物の全ゲノムシーケンスにより、病原体が食品からヒトに広がるときに、病原体のすべての遺伝的変異情報にアクセスできます。説明できるバリアントが多ければ多いほど、感染源と感染経路が見つかる確度が高くなります。

ウイルスのサーベイランス

ターゲット濃縮は、ハイブリダイゼーションを使用して目的のゲノム領域を捕捉します。この方法は、ウイルスを検出し、その疫学と進化に関する情報提供に必要な高感度を提供できます。

呼吸器感染のサーベイランス

これらのパネルは、COVID-19やインフルエンザなど、呼吸器病原体と呼吸器ウイルスの検出と特性評価のためのターゲット化した濃縮シーケンスソリューションを提供します。

人獣共通感染症リザーバーのサーベイランス

ショットガンメタゲノミクスは、人獣共通感染症サンプルの完全な微生物群集のDNAのシーケンスを可能にします。これには、新種と既存種の両方が含まれます。シーケンスリードを使用して、AMR遺伝子および/または種の分布の出現、進化、および伝播を理解することができます。

医療関連感染のサーベイランス

NGSベースの細菌ゲノムシーケンスとユーザーフレンドリーなbioMérieuxソフトウェアを組み合わせることで、包括的な分離株の識別と特性評価が可能になります。

合わせて購入されることの多い製品

サポートを受けながら、ニーズに合った適切な感染症サーベイランスソリューションを見つけてください。

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注目のゲノムサーベイランス出版物

サル痘ウイルスのマルチプレックスPCR法アンプリコンシーケンス(PrimalSeq)V.2.
2022年に複数国で発生したサル痘ウイルスの系統解析と微小進化の徴候
下水のゲノムシーケンスで地域に蔓延するSARS-CoV-2バリアントを検出する
新たに出現した菌株の早期検出に大規模ゲノムサーベイランスが必要
サーベイランスとプローブキャプチャーベースのNGSによるコウモリコロナウイルスの発見
参考文献