Во время вспышки вируса Зика в 2015-2016 годах представители органов здравоохранения изо всех сил пытались сдержать эпидемию и обуздать разрушительное воздействие патогена на беременных женщин. В то же время ученые всего мира пытались понять генетику этого загадочного вируса.
Проблема заключалась в том, что в крови больного пациента просто не так много частиц вируса Зика. Искать его в клинических образцах все равно, что ловить рыбу в океане.
Новый вычислительный метод, разработанный учеными Института Броуда, помогает преодолеть это препятствие. Метод «CATCH», созданный в лаборатории исследователя Института Броуда Пардиса Сабети, может использоваться для разработки молекулярных «приманок» для любого вируса, который, как известно, заражает людей, и всех его известных штаммов, включая те, которые присутствуют в небольшом количестве в клинических образцах. например Зика. Этот подход может помочь небольшим центрам секвенирования по всему миру более эффективно и с минимальными затратами вести эпиднадзор за болезнями, что может предоставить важную информацию для борьбы со вспышками.
Новое исследование было проведено аспирантом Массачусетского технологического института Хейденом Метски и исследователем с докторской степенью Кэти Сиддл, и оно опубликовано в Интернете в Nature Biotechnology.
«Поскольку секвенирование генома становится важной частью наблюдения за заболеваниями, такие инструменты, как CATCH, помогут нам и другим обнаруживать вспышки раньше и генерировать больше данных о патогенах, которыми можно будет поделиться с более широким научным и медицинским исследовательским сообществом», - сказал Кристиан. Матранга, соавтор нового исследования, присоединившийся к местному биотехнологическому стартапу.
Ученым удалось обнаружить некоторые малочисленные вирусы, проанализировав весь генетический материал в клиническом образце, метод, известный как «метагеномное» секвенирование, но этот подход часто пропускает вирусный материал, который теряется в изобилии вирусов. другие микробы и собственная ДНК пациента.
Другой подход заключается в «обогащении» клинических образцов определенным вирусом. Для этого исследователи используют своего рода генетическую «приманку», чтобы обездвижить генетический материал целевого вируса, чтобы можно было смыть другой генетический материал. Ученые из лаборатории Сабети успешно использовали приманки, представляющие собой молекулярные зонды, состоящие из коротких нитей РНК или ДНК, которые соединяются с фрагментами вирусной ДНК в образце, для анализа геномов вирусов Эбола и Ласса. Однако зонды всегда были направлены на один микроб, а это означало, что они должны были точно знать, что ищут, и они не были разработаны строго и эффективно.
Что им было нужно, так это вычислительный метод для разработки зондов, которые могли бы обеспечить всестороннее представление о разнообразном микробном содержании в клинических образцах, в то же время обогащая микробы с низким содержанием, такие как вирус Зика.
«Мы хотели переосмыслить то, как мы на самом деле разрабатывали зонды для захвата», - сказал Метски. «Мы поняли, что можем захватывать вирусы, в том числе их известное разнообразие, с меньшим количеством зондов, чем мы использовали раньше. Чтобы сделать это эффективным инструментом для наблюдения, мы затем решили попробовать нацеливаться на около 20 вирусов одновременно, и в конечном итоге мы масштабировали до 356 видов вирусов, которые, как известно, заражают людей."
Сокращение от «Compact Aggregation of Targets for Complete Hybridization», CATCH позволяет пользователям создавать собственные наборы зондов для захвата генетического материала любой комбинации микробных видов, включая вирусы или даже все формы всех известных вирусов, заражающих людей..
Чтобы запустить CATCH действительно всесторонне, пользователи могут легко вводить геномы всех форм всех человеческих вирусов, которые были загружены в базу данных последовательностей GenBank Национального центра биотехнологической информации. Программа определяет лучший набор зондов на основе того, что пользователь хочет восстановить, будь то все вирусы или только их подмножество. Список последовательностей зондов можно отправить одной из немногих компаний, синтезирующих зонды для исследований. Ученые и клинические исследователи, стремящиеся обнаружить и изучить микробы, могут затем использовать зонды, как рыболовные крючки, чтобы поймать желаемую микробную ДНК для секвенирования, тем самым обогащая образцы интересующим микробом.
Испытания наборов зондов, разработанных с помощью CATCH, показали, что после обогащения вирусный контент составляет в 18 раз больше данных секвенирования, чем до обогащения, что позволяет команде собрать геномы, которые невозможно получить из необогащенных образцов. Они проверили метод, изучив 30 образцов с известным содержанием восьми вирусов. Исследователи также показали, что образцы вируса Ласса из вспышки Ласса в 2018 году в Нигерии, которые оказалось трудно секвенировать без обогащения, можно «спасти» с помощью набора зондов, разработанных CATCH, против всех человеческих вирусов. Кроме того, команде удалось улучшить обнаружение вирусов в образцах с неизвестным содержанием от пациентов и комаров.
Используя CATCH, Метски и его коллеги создали подмножество вирусных зондов, направленных на Зика и чикунгунья, еще один переносимый комарами вирус, обнаруженный в тех же географических регионах. Наряду с геномами Зика, сгенерированными другими методами, данные, которые они получили с помощью зондов, разработанных CATCH, помогли им обнаружить, что вирус Зика был завезен в несколько регионов за несколько месяцев до того, как ученые смогли его обнаружить, и это открытие может помочь в борьбе с будущими вспышками..
Чтобы продемонстрировать другие потенциальные применения CATCH, Сиддл использовал образцы различных вирусов. Сиддл и другие работали с учеными в Западной Африке, где обычны вирусные вспышки и трудно диагностируемые лихорадки, над созданием лабораторий и рабочих процессов для анализа геномов патогенов на местах. «Мы хотели бы, чтобы наши партнеры в Нигерии могли эффективно проводить метагеномное секвенирование различных образцов, а CATCH помогает им повысить чувствительность к этим патогенам», - сказал Сиддл.
Этот метод также является эффективным способом исследования невыявленной лихорадки с подозрением на вирусную причину. «Мы воодушевлены потенциалом использования метагеномного секвенирования, чтобы пролить свет на эти случаи, и, в частности, возможностью делать это локально в пострадавших странах», - сказал Сиддл..
Одним из преимуществ метода CATCH является его адаптивность. По мере выявления новых мутаций и добавления новых последовательностей в GenBank пользователи могут быстро перепроектировать набор зондов с актуальной информацией. Кроме того, хотя большинство конструкций зондов являются собственностью компании, Метски и Сиддл сделали общедоступными все те, которые они разработали с помощью CATCH. Пользователи имеют доступ к фактическим последовательностям зондов в CATCH, что позволяет исследователям исследовать и настраивать конструкции зондов до того, как они будут синтезированы.
Сабети и его коллеги воодушевлены потенциалом CATCH для улучшения крупномасштабных исследований микробных сообществ с высоким разрешением. Они также надеются, что однажды этот метод сможет найти применение в диагностических целях, когда результаты возвращаются пациентам для принятия клинических решений. На данный момент они воодушевлены его потенциалом для улучшения геномного наблюдения за вирусными вспышками, такими как Зика и Ласса, и другими приложениями, требующими всестороннего просмотра низкоуровневого микробного содержимого..
Программное обеспечение CATCH общедоступно на GitHub. Его разработка и проверка под руководством Сабети и Матранги описаны в Интернете в Nature Biotechnology.