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微生物基因组学, Cellular & Molecular Biology, 公司

COVID监测先驱:犹他州公共卫生实验室

在模范公共卫生实验室中为基因组测序铺平道路

COVID监测先驱:犹他州公共卫生实验室
2021年2月10日

“当我们在2019年12月到2020年1月间第一次听说SARS-CoV-2时,我们的反应是‘知道么,我们要对它进行测序,’”犹他州卫生部门下属犹他公共卫生实验室(PHL)的首席科学官兼NGS及生物信息学主任Kelly Oakeson回忆道。“我们知道我们可以应用从细菌工作中学到的许多知识,因此我们很快就展开了测试。这不仅会在地方级发挥作用,测试数据还可用于全国范围的监测。”

刚开始鉴定这种病毒时,他们希望了解是一个人还是社区中的一群人将病毒带入医疗保健机构,以及应该如何采取措施遏制病毒。

最初,Oakeson只有一位实验室科学家Anna Sangster,她不仅完成所有的SARS-CoV-2测序,还要完成菌株分离和诊断检测。“Anna当时疯狂工作,每天工作12小时。一心想杀死病毒。”他也只有一个生物信息学家Erin Young,他开发了内部分析流程,“从零开始,飞速完成,以便我们能弄清楚生成的SARS-CoV-2数据。”

基于NGS的检测是追踪、减缓和防止病毒传播的最有效方式之一。尽管聚合酶链式反应(PCR)检测更常见,但基于NGS的检测被证明在准确性、敏感性和特异性方面都更为出色。它可以充分解释病毒来源、传播和菌株进化,以及患者是否会受合并感染影响。关于传播的信息有助于公共卫生人员准确锁定疫情爆发聚集地,广泛应用时可提供是否应实施或取消限制措施的信息。

因此Oakeson团队的快速行动至关重要。他经常会感受到巨大的压力,度过了许多不眠之夜,但他很高兴他们能如此快速地行动并扩展工作。他们是第一个实施和验证COVIDSeq的公共卫生实验室。在2020年期间,PHL又雇佣了1位生物信息学家和2位实验室科学家。Oakeson也有能力以引入更多设备。目前他们有3台MiSeq™ 系统、一台NextSeq™ 550、一台iSeq™ 100 系统和一台NovaSeq™ 6000及对应的所有液体处理功能。Oakeson还购买了硬件和“快得离谱”的DRAGEN™ 服务器

就测序能力而言,他们是美国目前最出色的公共卫生实验室之一。“我们希望能够将这个项目扩展成为全国公共卫生实验室的模范”

在缺少协调的全国性监测系统情况下,在NGS和监测工作中最成功的实验室是那些已经拥有支持和基础设施的实验室。

除此之外,Oakeson还有拥有更多——犹他州卫生部门的强力支持、基础设施和领导能力——尽管5年前他刚到实验室时,他们只有一台MiSeq测序仪和一位工作人员。虽然小但很强大,他们实施了一项强大的测序项目来寻找细菌病原体,还参与了CDC PulseNet项目对食源性疾病进行监测。他们还帮助医院和长期护理机构进行抗生菌耐药性测序,同时也研究传染病,甚至帮助美国红十字会鉴定血源性病原体的暴发来源。

自然而然,Oakeson的实验室现在参与了多个专注于了解冠状病毒的组织。其中一些是官方的,例如CDC先进分子检测项目,在该项目中他的团队为美国7个山区州提供实验室测序和生物信息学培训,以及CDC’s SPHERES联盟(为公共卫生紧急响应、流行病学和监测测序),而另一些是自发的,例如有200名成员的州立公共卫生生物信息学(StaPh-B)工作组。在该工作组中,公共卫生生物信息学家和实验人员通过Slack讨论他们的日常挑战。“我们努力成为知识的最佳管理人,帮助传播和分享尽可能多的知识。”

到2021年2月为止,美国在SARS-CoV-2测序方面落后于其他37个国家。我们只对所有病例的0.3%进行了测序,而对5%的阳性病例进行测序正在成为标准,像英国这样的发达国家正在对多达7%至10%的病例进行测序。2021年1月,在上海的MiniSeq平台上对病毒进行首次测序的1年后,WHO向各国发出建议,要求增加SARS-CoV-2病毒的常规系统性测序。

2021年伊始,随着3种新毒株的传播,测序需求会变得更加迫切。尤其是B.1.1.7的传播呈上升趋势,Illumina与Helix和CDC合作,在它刚传入美国时就鉴定出了74例。Oakeson的实验室鉴定了2例B.1.1.7病例,正积极寻找P.1和B.1.351。

我们努力成为我们知识的最佳管理人,并分享尽可能多的知识。

目前,研究人员仍然相信3个获批的疫苗对这些新型变异病毒有效。但关键是要控制住病毒。在接种疫苗后,还应继续进行全球基因组学监测,因为疫苗可能会对未来的突变无效,并需要诊断或重新设计疫苗。Oakeson认为每年应该对足够的流感病毒测序,以便为下一年流感疫苗的应用和改变提供参考。“测序是了解您是否需要为新型变异加强疫苗的唯一方法。”

展望未来,Oakeson希望他的病毒测序工作会有助于为未来的大流行建立基础设施。他们还将把部分精力用于自环境中的遗传物质进行测序。“现在,随着我们测序能力的增强,我们可以进行深度鸟枪法宏基因组学测序,这将会很庞大。”他们将进行微生物来源追踪(分析人类和野生动物对水的污染),继续对新生儿进行筛查,研究新生儿猝死综合征(SIDS)标志物,总体上将基因组学更多地应用于研究和医疗。

“我们有理由将基因组学更多地应用于医疗、公共卫生以及医学的每个方面。还会有更多的病毒爆发。会有更多的有害细菌突然出现。抗菌素耐药菌和酵母菌一个大问题。我们必须把重点放在确定其机制、抗菌素会对其产生什么影响,并监测下一次大流行。”

Oakeson正在解码病毒并探索其奥秘,他希望一般公众有新的理解或认知。“基因组测序让我们更加了解病原体的机理,以及我们如何阻止它们传播,然后改变一些行为,让我们对其他人更有同情心,”他说。“我们都是密切相关的——人类、动物、环境。我真心希望我们不要失去集体意识和团结合作意识。”

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