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 гольяна в океане.
Новый вычислительный метод, разработанный учеными Института Броуда, помогает преодолеть это препятствие. Разработанный в лаборатории исследователя Института Броуд Пардиса Сабети, метод «CATCH» можно использовать для создания молекулярных «приманок» для любого вируса, который, как известно, заражает людей и все их известные штаммы, включая те, которые присутствуют в небольших количествах в клинических образцах. такие как Зика. Такой подход может помочь небольшим центрам секвенирования по всему миру более эффективно и экономично проводить эпиднадзор за болезнями, что может предоставить важную информацию для борьбы со вспышками.
Новое исследование, проведенное аспирантом Массачусетского технологического института Хайденом Метски и докторантом Кэти Сиддл, опубликовано в Интернете в журнале Nature Biotechnology.
«Поскольку геномное секвенирование становится критически важной частью эпиднадзора за болезнями, такие инструменты, как CATCH, помогут нам и другим выявлять вспышки раньше и генерировать больше данных о патогенах, которые могут быть переданы более широкому сообществу научных и медицинских исследователей», – сказал Кристиан Матранга, соавтор. старший автор нового исследования, который присоединился к местному биотехнологическому стартапу.
Ученые смогли обнаружить некоторые вирусы с низким содержанием, проанализировав весь генетический материал в клиническом образце, метод, известный как «метагеномное» секвенирование, но этот подход часто упускает из виду вирусный материал, который теряется среди множества других микробов и пациентов. собственная ДНК.
Другой подход – «обогатить» клинические образцы на определенный вирус.
Для этого исследователи используют своего рода генетическую «приманку», чтобы иммобилизовать генетический материал целевого вируса, чтобы другой генетический материал мог быть смыт. Ученые из лаборатории Сабети успешно использовали приманки, которые представляют собой молекулярные зонды, состоящие из коротких цепочек РНК или ДНК, которые соединяются с кусочками вирусной ДНК в образце, для анализа геномов вирусов Эбола и Ласса. Однако зонды всегда были направлены на один микроб, а это значит, что они должны были точно знать, что они ищут, и они не были разработаны с учетом строгих и эффективных требований.
Им был нужен вычислительный метод для разработки зондов, который мог бы обеспечить исчерпывающее представление о разнообразном микробном содержании в клинических образцах, в то же время обогащая их для микробов с низкой численностью, таких как вирус Зика.
«Мы хотели переосмыслить то, как мы на самом деле разрабатывали зонды для захвата», – сказал Метски. «Мы поняли, что можем улавливать вирусы, включая их известное разнообразие, с меньшим количеством зондов, чем использовали раньше. Чтобы сделать это эффективным инструментом для наблюдения, мы затем решили попробовать воздействовать на около 20 вирусов за раз, и в конечном итоге мы увеличили количество вирусов до 356 видов, которые, как известно, заражают людей."
Сокращенно от «компактного агрегирования целей для комплексной гибридизации» CATCH позволяет пользователям создавать собственные наборы зондов для захвата генетического материала любой комбинации микробных видов, включая вирусы или даже все формы всех вирусов, которые, как известно, заражают людей.
Чтобы по-настоящему комплексно запустить CATCH, 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 в одну из немногих компаний, которые синтезируют зонды для исследований. Ученые и клинические исследователи, стремящиеся обнаружить и изучить микробы, могут затем использовать зонды, такие как рыболовные крючки, для улавливания желаемой микробной ДНК для секвенирования, тем самым обогащая образцы для интересующего микроба.
Тесты наборов зондов, разработанных с помощью CATCH, показали, что после обогащения вирусное содержание составляло в 18 раз больше данных секвенирования, чем до обогащения, что позволило команде собрать геномы, которые нельзя было получить из необогащенных образцов. Они подтвердили метод, изучив 30 образцов с известным содержанием, охватывающим восемь вирусов. Исследователи также показали, что образцы вируса Ласса из вспышки Ласса 2018 года 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 вирус, переносимый комарами, обнаруженный в тех же географических регионах. Наряду с геномами вируса Зика, созданными с помощью других методов, данные, полученные с помощью зондов, разработанных CATCH, помогли им обнаружить, что вирус Зика был занесен в несколько регионов за несколько месяцев до того, как ученые смогли его обнаружить, и это открытие может послужить основой для усилий по борьбе с будущими вспышками.
Чтобы продемонстрировать другие возможные применения CATCH, Сиддл использовал образцы различных вирусов. Сиддл и другие работали с учеными в Западной Африке, где распространены вирусные вспышки и трудно диагностируемые лихорадки, над созданием лабораторий и рабочих процессов для анализа геномов патогенов на месте. «Мы хотели бы, чтобы наши партнеры в Нигерии могли эффективно выполнять метагеномное секвенирование из различных образцов, а CATCH помогает им повысить чувствительность к этим патогенам», – сказал Сиддл.
Этот метод также является мощным способом исследования невыявленной лихорадки с подозрением на вирусную причину. «Мы очень рады возможности использовать метагеномное секвенирование, чтобы пролить свет на эти случаи, и, в частности, возможность сделать 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 изменять дизайн набора зондов с учетом актуальной информации. Кроме того, несмотря на то, что большинство конструкций датчиков являются собственными, Metsky и Siddle 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-исследователи воодушевлены потенциалом CATCH для улучшения крупномасштабных исследований микробных сообществ с высоким разрешением. Они также надеются, что однажды этот метод сможет найти применение в диагностике, когда результаты будут возвращены пациентам для принятия клинических решений.
На данный момент их воодушевляет его потенциал для улучшения геномного надзора за вирусными вспышками, такими как Зика и Ласса, а также за другими приложениями, требующими всестороннего обзора микробного содержания низкого уровня.
Программное обеспечение CATCH публично доступно на GitHub.
Его разработка и проверка, проводимая под руководством Сабети и Матранга, описана в Интернете в журнале Nature Biotechnology.