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次世代シーケンシングを活用したSARS-CoV-2感染チェーンの特定

Written by | Published: 04.23.2021

標準的なPCR検査によって、サンプルがSARS-CoV-2に対して陽性か陰性かを判断することはできますが、ウイルス株の起源に関する情報は得られません。しかし、次世代シーケンサ（NGS）を用いた解析は、潜在的な感染パターンやクラスターの全体像を構築するための追加情報を得ることができるため、世界中の研究者がウイルスの伝播状況を追跡するのに役立ちます。これは疾病管理のための戦略を検討し、新たなホットスポットの発生を抑えるために特に重要です。

ウィスコンシン州ラクロス群にあるGundersen Medical FoundationのKabaraがん研究所所長Paraic A. Kenny博士は研究の中心をがん研究から、彼らの地域でSARS-CoV-2陽性となったサンプルの配列解析に切り替えました。Kenny博士のチームは、Ion Torrent™ Ion AmpliSeq™ SARS-CoV-2 Research Panelを使用して、アイオワ州北東部に位置する肉詰め工場を起源としたSARS-CoV-2の1株が、6週間にわたって3つの州に広がっていったことを追跡しました。彼らの研究はmedRxivでプレプリントとして公開されています。
Kenny博士に、彼のチームの研究やSARS-CoV-2のまん延を分析することで公衆衛生当局がウイルスのまん延にどのように対応できるようになるかについてお話しいただきました。

Q: 次世代シーケンシングはSARS-CoV-2を分析するための他の装置とどう違いますか？
Kenny博士： 標準的なPCRによる分析は、サンプルがSARS-CoV-2に対して陽性であるかどうかを判断するための優れた仕事をします。これは簡便で、信じられないほど価値があります。しかし、シーケンシング研究はさらに詳しい情報をもたらします。SARS-CoV-2は、1カ月に約2箇所の割合で感染サイクルごとにゆっくりと変異を蓄積していきます。これらの突然変異は遺伝性であるため、同じウイルスに感染した別の人のサンプルでもこの変異がみとめられます。シーケンシングによって誰が陽性か陰性かを把握するだけでなく、分子のフィンガープリントの役目を果たすゲノム上の変異を使用して、感染者を遺伝子クラスターに割り当てられ、より明確な伝達経路の構築を開始できます。これはウイルスが地域レベルのコミュニティー内だけでなく、全国および世界全体にどのように広がっているかを把握するのに役立ちます。

Q: 何を明らかにするために、ウイルスの配列解析を始めましたか？
Kenny博士： 私たちの研究チームは、3州21郡から提供された既知の陽性サンプルの遡及的シーケンスをまず始めました。私のバックグラウンドはがんゲノミクスでしたので、私のチームがウイルスサンプルをシーケンスしたのはこれが初めてでした。われわれが使用したサーモフィッシャーサイエンティフィックのIon Torrent Ion AmpliSeq SARS-CoV-2 Research Panelは非常にシンプルなワークフローですぐに使用できたため、ウイルスシーケンスへの研究の移行を簡単に行えました。われわれの最初の研究目標は、ウイルスがこの地域にどのように到達したのかを知り、ウイルスがどのように広がっているのかを理解することでした。

Q: 典型的な感染伝播の鎖（transmission chain）はどのようなものですか？またKenny博士らが特定したアイオワ州ポストビルの食肉加工工場で発生したウイルス株は典型的なものと比べてどう違いますか？
Kenny博士： 私たちのチームは3月下旬にウイルスのシーケンスを開始しました。最初の数週間で、地域全体から30〜40の症例について配列を決定し、6〜7つの独立したウイルス亜株の存在を見いだしました。これらの亜系統のほとんどは、旅行してウイルスを持ち帰った個人に限定されていました。私たちが解析することができたtransmission chainのほとんどは、公衆衛生の介入によって緩和される前の、1人もしくは2人への感染といった短いものでした。その後、4月の最初の週に食肉加工工場に関連する最初のサンプルを受け取りました。その後の数週間で、この郡から同じウイルス亜株を持つ15のサンプルを特定しました。これは、私たちがマッピングして同定していたウイルスとは著しく異なっていました。論文として発表することができるデータに達するまでに、私たち研究チームは自分たちの地域で14のウイルス亜系統をマッピングすることができました。この食肉加工工場のウイルス株は、感染の広がりが食肉加工工場内に限られていたこと、またこの地域全体にどれだけ広がっていたかという点で、これまでのウイルスと大きく異なっていました。そしてわれわれは、3州にまたがる7郡の13の異なる都市でこの亜系統の27サンプルを解析しました。

Q: ウイルス伝播の起源を特定することはなぜ重要なのでしょうか？
Kenny博士： 世界的な危機をコントロールすることは非常に難しいです。しかしウイルスシーケンシングによって、より理解を深められる可能性があり、意思決定を行う当事者が前進するために役立つ可能性があります。国家レベルでは、政府が中国からの空の旅を遮断しましたが、ヨーロッパからについては開放したままになっていたため、米国全体に急速に広がった感染の複数の連鎖を引き起こしたという事例をあげることができます。次世代シーケンサーを用いた解析によって、国家レベルにおいてそれが正しい措置であったかどうかについての科学的洞察を提供するのに役立ち、将来的に次の危機に対応するための情報を提供するのに役立つ可能性があります。

地方レベルでは、私たちが見つけたデータは特定の状況下において、感染拡大が軽減されない強いリスクを浮き彫りにしています。食肉加工工場は、ウイルスのまん延を助長するリスクの高い環境を共有していた大きなグループの一例です。しかし、ウイルスのまん延を緩和するためにできることは多くあったと思います。病気の人が家にいることを罰するのではなく、このような業界向けのしっかりとした公衆衛生ガイドラインを確立するかどうかにかかわらず、1つの食肉加工工場を起源として発生した多くの感染ケースがあるということを知っておくことは、危機が長く続くにつれてSARS-CoV-2のまん延を緩和する方法を特定するために役立ちます。

Q: 感染まん延の監視の一つとして廃水由来のサンプルをシーケンスすることについてどう思いますか？
Kenny博士： 私たちのチームでも廃水由来のサンプルからシーケンスを行いました。私たちは、バーで交流していた若者に起因する可能性のあるウイルス亜系統の局所的な強い広がりを目撃しました。私たちのデータの再調査は、この特定の亜系統を定義する突然変異が症例の著しい急増の前に廃水において検出可能であったことを明らかにしており、このアプローチがある程度有効な予測につながる可能性を示唆しています。
廃水は、鼻腔スワブと比較して扱いが難しいサンプルですが、研究サンプルに使用したものと同じアッセイを使用してシーケンスできます。シーケンサーはRNAの由来については気にしませんが、課題は廃水から十分なRNAを抽出して堅牢なシーケンスデータを取得することにあります。

Q: ウイルス株と潜在的な突然変異を分析することで、ワクチン開発にどのように情報を与えることができますか？
Kenny博士： 世界中の研究所のデータから、ウイルスゲノムの一部の領域は他の領域に比べて変異しやすいことが明らかになってきています。ワクチン開発のために、研究者は恐らく、より保存されていて安定した領域に焦点を合わせるでしょう。現在、シーケンシング情報からそれを推測することは困難であるため、これらの変異のいずれかが臨床的に意味があるかどうかについての確固たるデータはありません。シーケンシングは仮説を生成するための優れたツールですが、病原性の違いについて確固たる結論を引き出すには、ラボでの機能研究が必要です。私たちの現在の仮定は、すべてではないにしても、ほとんどの突然変異が、ウイルスがどこにいたのかを把握することを可能にするマーカーとして機能する瘢痕を単に反映しているということです。

効果的な治療法またはワクチンが開発され、それらが実施された後でも生じたウイルス株をサンプリングすることは、臨床的な介入に耐性のある株を特定するのに役立ち、さらなる戦略が必要な次のステップにおいて、重要な情報を与える可能性があります。

まとめ

Ion AmpliSeq-CoV-2 Research Panelの詳細については、こちらをご覧ください。

その他下記のページで次世代シーケンスを用いたSARS-CoV2研究について紹介しております。
・Genexus 次世代シーケンスシステムで新型コロナウイルス（SARS-CoV-2）を探究する

・GeneStudio S5システムによるSARS-CoV-2研究

 

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