Die Metagenomsequenzierung verändert die Überwachung von Krankheitserregern

Eine computergenerierte Darstellung eines ganzen Influenzavirus (Grippevirus), in halbtransparentem Blau mit marineblauem Hintergrund. | Bildnachweis: Dan Higgins/CDC

Wenn wir ein globales lebensveränderndes Ereignis unserer Generation definieren wollen, wird COVID-19 wahrscheinlich ganz oben auf der Liste stehen. Wir alle wurden Zeuge der Verwüstung, die die COVID-19-Pandemie anrichtete, und zwar in einem Ausmaß, das so beispiellos war, dass fast überall Menschen ihre Arbeit unterbrachen und gemeinsam nach Antworten suchten, um der Krise schnell ein Ende zu setzen.

Einer der ersten Durchbrüche bei der endgültigen Identifizierung von SARS-CoV-2 als Erreger von COVID-19 gelang durch die Anwendung unvoreingenommener Genomsequenzierungstechnologien auf infizierte Patientenproben. Bei diesen Proben gingen die Wissenschaftler nicht den zeitaufwändigeren mikrobiologischen Weg; Stattdessen wurden sie in einem Bruch mit der Tradition direkt einer Genomsequenzierung und bioinformatischen Analyse unterzogen, was den Wissenschaftlern half, das Virus schnell zu identifizieren.

Dieser neue Ansatz – Metagenomik genannt – war nicht nur schnell, sondern konnte auch direkt an Patientenproben angewendet werden, ganz ohne Erste Kenntnis des Infektionserregers. Tatsächlich machte das Ausmaß der Sequenzierung während der Pandemie SARS-CoV-2 zu einem der am häufigsten sequenzierten Organismen in der Weltgeschichte. Die Technik und ihre Einführung veränderten auch die Art und Weise, wie die Pathogenidentifizierung danach durchgeführt wurde, drastisch.

Genomtechnologie an vorderster Front

Wissenschaftler in Ländern auf der ganzen Welt haben seitdem zahlreiche Technologien entwickelt, die auf der Genomsequenzierung basieren – einschließlich des sehr beliebten CovidSeq-Assays – und daraus mehrere nationale und internationale Aktivitäten zur Überwachung des SARS-CoV-2-Genoms hervorgegangen. GISAID, ein beliebtes Repository im Internet, an das SARS-Co-V-2-Genomsequenzdaten übermittelt werden können, ist ein Beweis für solche Genomüberwachungsaktivitäten mit hohem Durchsatz.

(„Hochdurchsatz“ bezieht sich auf Sequenzierungstechniken, mit denen große DNA-Mengen gleichzeitig analysiert werden können, einschließlich eines gesamten Genoms auf einmal.)

Die Bedeutung und Wirkung der Art und Weise der Überwachung von SARS-CoV-2 wurde auch deutlich, als nationale und internationale Organisationen begannen, auf der Grundlage der Genomdaten öffentliche Gesundheitsrichtlinien umzusetzen. Indien hat außerdem ein nationales SARS-CoV-2-Genomsequenzierungs- und Überwachungsprogramm initiiert, das durch mehrere staatliche und private Initiativen ergänzt wird.

Der Erfolg lieferte eine Vorlage für den Einsatz hochentwickelter Genomtechnologien als vorderste Instrumente zur Überwachung bekannter und unbekannter Organismen und zur unvoreingenommenen Verfolgung neu auftretender Krankheitserreger mit hohem Durchsatz.

Die nigerianische Studie

In einer Zeitung vom 4. August in NaturkommunikationWissenschaftler des nigerianischen Zentrums für Krankheitskontrolle verwendeten metagenomische Sequenzierung zur Überwachung und Erkennung von Krankheitserregern in drei Patientenkohorten. Sie untersuchten 593 fieberhafte nigerianische Personen mit unvoreingenommener Sequenzierung.

Bei der ersten Kohorte handelte es sich um eine bevölkerungsweite Überwachung von Personen, die Symptome im Zusammenhang mit Lassa-Fieber aufwiesen, einem viralen hämorrhagischen Fieber, das durch das in westafrikanischen Ländern endemische Lassa-Virus verursacht wird. Die zweite Kohorte bestand aus Personen aus Ausbrüchen mit Verdacht auf eine infektiöse Ursache. Die dritte Kohorte bestand aus Menschen mit klinisch schwierigen, aber nicht diagnostizierten Erkrankungen.

Die Wissenschaftler konnten 13 verschiedene Viren identifizieren, von denen die einzelnen Personen befallen waren. Der genomische Ansatz half ihnen auch dabei, den zweiten und dritten dokumentierten Fall des humanen Blut-assoziierten Dicistrovirus, den das Team als humanes Blut-assoziiertes Dicistrovirus 2 bezeichnete, unter den Kohorten zu lokalisieren.

Die Wissenschaftler identifizierten außerdem Pegivirus C als häufige Koinfektion bei Patienten mit Lassa-Fieber und stellten fest, dass das Vorhandensein von Pegivirus C mit einer geringeren Viruslast bei Patienten verbunden war. Weitere Untersuchungen ergaben das Vorhandensein von Gelbfieberviren und Mpoxviren bei Patienten.

Tatsächlich ermöglichte der Metagenom-Sequenzierungsansatz den Wissenschaftlern auch, Virusinfektionen bei einigen Personen auszuschließen und ihre Symptome stattdessen mit einer Pestizidvergiftung in Verbindung zu bringen.

Die Studie demonstrierte die Leistungsfähigkeit metagenomischer Sequenzierungsuntersuchungen für die Erkennung von Krankheitserregern und die Krankheitsdiagnose sowie für die Aufklärung von Reaktionen auf Ausbrüche im öffentlichen Gesundheitswesen.

Vogelgrippe aufspüren

Im Jahr 2022 erlebte die Welt einen globalen Ausbruch des MPox-Virus. Es wurde einem Super-Spreader-Ereignis zugeschrieben und drohte dem Planeten mit einer weiteren Epidemie, die aber glücklicherweise „verpuffte“. Ein Grund dafür ist, dass Wissenschaftler die während der COVID-19-Pandemie perfektionierten Genomsequenzierungstechnologien anwenden konnten, um den Ursprung und die Ausbreitung des MPOX-Virus zu verstehen.

Aviäre Influenzaviren sind ein weiterer Hauptkandidat für die Genomüberwachung, da sie saisonale Ausbrüche der Aviären Influenza oder Vogelgrippe auslösen. Aufgrund der hohen Mobilität und Migration ihrer Wirte – darunter sowohl Wildvögel als auch Geflügel – können Vogelgrippeviren bei Vögeln und einigen Tieren ohne große Vorwarnung zu Massensterben führen. Diese Ausbrüche stellen ein Risiko für die menschliche Gesundheit sowie für den Lebensunterhalt und die Biosicherheit der Menschen dar.

Im letzten Jahrzehnt haben sich Vogelgrippeviren auch schnell auf den Menschen ausgebreitet. Während Schnellnachweis-Kits und Impfstoffe für diese Viren weit verbreitet sind, müssen sie durch ein gut organisiertes Genomüberwachungsprogramm ergänzt werden, damit Wissenschaftler identifizieren können, welche Virusstämme im Umlauf sind, und die Auswirkungen der Impfung überwachen können.

Der weltweite Einsatz einer groß angelegten Infrastruktur zur Genomsequenzierung während der COVID-19-Pandemie kommt uns jetzt zugute, da er es uns ermöglicht, die genomische Überwachung der Vogelgrippe an der Quelle durchzuführen. Beispielsweise haben Wissenschaftler des Institut Pasteur du Cambodge in Kambodscha Anfang des Jahres die Leistungsfähigkeit einer solchen Überwachung demonstriert, als es ihnen gelang, die vollständige Genomsequenz des kambodschanischen H5N1-Virus in weniger als 24 Stunden zu entschlüsseln.

Der Schlüssel zur frühzeitigen Reaktion

Solche Initiativen wurden auch für andere saisonale pathogene Viren diskutiert, darunter Zika und Denguefieber. In jüngerer Zeit haben Experten Genomsequenzierungstechnologien als vorderste Instrumente eingesetzt, um unter anderem die Erkennung und Überwachung von Lumpy-Skin-Erkrankungen bei Rindern und das Auftreten arzneimittelresistenter Tuberkulose voranzutreiben.

Es ist ermutigend, dass mehrere Initiativen weltweit die Geschwindigkeit, Genauigkeit und den hohen Durchsatz fortschrittlicher Genomsequenzierungstechnologien nutzen, um Krankheitserreger aus verschiedenen Umweltquellen wie Abwasser, Luft, Boden und Tieren zu erkennen.

Da die Genomüberwachung die Art von Informationen liefert, die Experten nutzen können, um eine frühe Reaktionsstrategie zu entwickeln, neu auftretende Virusstämme zu identifizieren und eine risikobasierte Überwachung wichtiger Tierarten durchzuführen, werden Genomtechnologien wahrscheinlich zu einer tragenden Säule unseres Arsenals gegen Krankheitserreger der Zukunft .

Die Autoren sind ehemalige Wissenschaftler am CSIR Institute of Genomics and Integrative Biology. Alle hier geäußerten Meinungen sind persönlich.