2023年8月29日
研究者がコミュニティ内を循環するウイルスをモニタリングする場合、すでに病気の人だけを検査しても全体像が明らかになったり、公衆衛生当局が積極的に働くのを助けたりすることはありません。“ヒトの検査は本当に重要なことですが、人の体調が悪いこと、医療へのアクセスの違い、その他の社会的特徴に本質的に偏っていると、TGen Northとして知られるトランスレーショナルゲノミクス研究センターの病原体・微生物学部門のアソシエートディレクターであるCrystal Hepp博士は述べています。アリゾナ州フラッグスタッフである彼女のラボは、米国南西部の廃水サンプリングで見つかった病原体が地域の診療所で発症している疾患と相関していることを示すために作業しています。
病原体および微生物学部門のシーケンスプロジェクトは、感染症の理解と特性評価の向上を目指しており、環境サンプルに焦点を当てることがよくあります。その目的は、人間のリスクが最も高い場所と時期をチームが推定するのに役立つデータを生成することです。その後、公衆衛生当局はこの情報を使用して、予防策を講じ、感染を防ぎ、可能であればワクチン接種を受けるよう人々に促すことができます。
このラボでは、ウエストナイルウイルス、SARS-CoV-2、アデノウイルス41、ノロウイルスなどの病原体を監視しています。“ノロウイルスの感染拡大は毎年起こり、コロラド川のグランドキャニオンを通過するラフターは最近大きな打撃を受けました”とHepp氏は述べています。2022年、200を超えるラフターが病気になったため、この地域ではノロウイルスをより綿密に監視し始めました。彼女のチームは、廃水検査の実施により、アリゾナ州北部の公衆衛生当局に、ノロウイルスの季節が前年よりも2023年早く開始したことを知らせることができました。これにより、より早期の緩和計画が可能になりました。
TGenの廃水サーベイランスプロジェクトは、アリゾナ州全域の複数の市、郡、州パートナーと協力して、2019年に設立されました。また、パンデミックの始まりから、SARS-CoV-2の増加を特定できるプロトコルを組織化して設計する準備が整いました。このプロトコルでは、地域の廃水中のSARS-CoV-2の増加を、感染者数の増加の約10日前に特定できました。
インフルエンザの研究
もう一つの呼吸器系ウイルスであるインフルエンザAは、北アリゾナ大学（NAU）と協力して実施された2022年のTGen研究の対象であり、Heppはインフォマティクス、コンピューティング、およびサイバーシステム学部の准教授も任命されました。研究のために、チームはインフルエンザA陽性と判明している廃水と臨床サンプルの両方にアクセスできました。進行中の原稿の筆頭著者であり、Heppのグループの一員であるDaryn Ericksonは、どのインフルエンザAのサブタイプが循環しているかを知りたがりました。
イルミナの呼吸器病原体感染性疾患/抗菌薬耐性（ID/AMR）パネルまたはRPIPを用いて、全ゲノムシーケンス用の複数の高ウイルス量サンプルを調製しました。このパネルは、インフルエンザ、SARS-CoV-2、呼吸器合胞体ウイルス、細菌、真菌、2,000を超える抗菌薬耐性マーカーなど、280を超える呼吸器病原体を対象としています。RPIPキットの非常に良い点は、ターゲットリストがどの程度広く、単一のサンプルからインフルエンザAの異なるサブタイプを引き出すことができるかということです。“A型インフルエンザが陽性であったことは分かっていました。それまで何も知らなかっただけです。”
RPIPはベイトキャプチャー法を採用しており、プローブを使って特定のライブラリー分子をキャプチャーし、シーケンサーに運びます。ミスマッチが大きくなり、進化している病原体の同定に役立ちます。また、PCRベースのアプローチと比較して、より多くのプローブやターゲットを処理できます。イルミナMiSeqシステムでサンプルをランした後、イルミナExplify解析パイプラインはデータを処理して、ウイルスの全ゲノムからインフルエンザAのH3N2サブタイプであると判断しました。
次に、この全ゲノム出力を使用して、43のプライマーペアのパネルであるH3N2のタイルアンプリコンスキームをデザインしました。アンプリコンシーケンスは、廃水と診療所の両方から取得した残りのサンプルを増幅し、それらがすべてH3N2サブタイプであることを確認する、より迅速かつ実現可能な方法でした。
急速に進化するインフルエンザ
TGenは、アンプリコンパネルを使用して、2012年に採取したH3N2陽性サンプルを検査することもできましたが、パネルはゲノムを増幅できませんでした。“インフルエンザAウイルスは急速に変異し、私たちが設計したプライマーは、より現代的なインフルエンザAゲノムを非常にターゲットにしていました”とErickson氏は述べています。
「RPIPのワークフロー」では、タイル状のアンプリコンシーケンスプロトコールがより特異的である一方で、インフルエンザのより多様なサブタイプを検出できたことがわかりました」とHepp氏は説明しています。将来的には、アンプリコンシーケンスを使用して、新しい株の初期特性評価のために、同様のインフルエンザターゲットとRPIPを特性化するでしょう。
Ericksonは、インフルエンザA H3N2シーケンスをより大きな状況に当てはめ、数年にわたって米国全土の他のH3N2ゲノムと遺伝的にどのように関連しているかを調べるために、系統樹を作成しました。これらのサンプルには異なるクラスターが同定され、そのうちの1つはアリゾナ州北部での短期間のH3N2の感染拡大のようです。しかし、一部の州では他の州よりも多くのデータがあるため、解析は限定的であると指摘しています。今後は、アリゾナ州と他の米国および世界のゲノムをより幅広く比較する予定です。これにより、予防接種率や州内および州外への旅行などの地域特性に関連する伝播ダイナミクスをより完全に理解できるようになります。
すべてのウイルスに対するサーベイランス
2023年8月までに、NAUとTGenの共同チームは、2週間に1回、学齢期の子供と長期療養施設の居住者を対象にCOVID-19検査をプールした進行中のプロジェクトをまとめています。2022年8月、他の呼吸器系ウイルスの検査を開始し、学校やその地域社会に、特定の時間にどのような脅威が循環しているかを知らせることができました。チームはこれらのサンプルの一部をRPIPワークフローで試しました。特に呼吸器系病原体を同定したい場合です。
2020 年8月、米国のCOVID-19感染者は一時的に減少しましたが、COVID様症状のあるクリニックに来院する人の数は依然として多くなっています。ヘップは、医師の診察の際、医療スタッフがこの混乱について話し合っているのを耳にしたことがあり、彼女のラボでは廃水中のSARS-CoV-2ウイルス量も非常に低いものの、汎アデノウイルスアッセイを実施しており、アデノウイルスウイルス量が極めて高いと述べました。一部のアデノウイルスはCOVIDのような症状を引き起こす可能性があるため、その情報は有用であり、さまざまな意思決定者に迅速に回覧されました。多くの人が症状を経験していたため、COVID検査が失敗したのではないかとHepp氏は述べています。しかし、いくつかの病原体がCOVIDのような疾患を引き起こす可能性があるため、関心のある1つのターゲットを超える病原体の検査により、全体的な状況認識を高めることができます。
家族内に季節性の呼吸器症状や消化器症状を引き起こす可能性のあるヒトウイルスが複数存在するため、汎アデノウイルスアッセイを実施していました。その結果、このアッセイは、COVID陽性検査がない場合に、軽度のCOVID様症状の原因を検出した可能性が高いことがわかりました。しかし、若干の幸運により、アッセイがルーチンサーベイランスに組み込まれたことも認識しています。以前に確認した1回限りの質問に対して、プライマーとプローブを社内に用意しました。RPIPの1つの良い点は、多数のアッセイを統合することです。これにより、下水検査にどのアッセイを含めるべきかを推測する手間が省けます。
将来を見据えて、Heppのチームは、パンデミック中に循環した多くの呼吸器系ウイルスをカタログできるように、過去数年間に収集した知識とデータに基づいて構築したいと考えています。彼らのビジョンは、継続的なコミュニティやヘルスケアの実践に統合できる追加のサーベイランスツールやバイオインフォマティクスパイプラインを提供することで、ヒトに感染する可能性のあるウイルスの幅広さに対する認識を高めることです。このビジョンにより、チームは、機関、機関、国境を越えて公平に配布および適用できるソリューションの開発に関心を持っています。
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