全球紧急追踪新型冠状病毒变异株

基因组测序工作在发展中国家受到限制,但科学家们正在积极行动提供帮助

A health care worker in blue PPE processes COVID test samples.

2021年1月,印度新德里英迪拉·甘地国际机场建立的SpiceHealth基因组测序实验室,一名医疗工作者使用移液器处理COVID-19测试样本。

在美国和其他疫苗广泛普及的国家,COVID疫情似乎正在消退。但一些感染率高的发展中国家已成为病毒变异株的热点地区,这些变异株可能更具传播性或对疫苗具有抵抗力,而且这些变异株可以迅速跨越国界。例如,最初在印度发现的B.1.167.2变异株(现称为Delta)已蔓延到包括美国在内的70多个国家和地区

许多发展中国家缺乏病毒监测能力——即监测新变异株的传播和演变的努力。这一过程需要昂贵的基因组测序技术和训练有素的工作人员,而许多国家并不具备这些条件。例如,尼泊尔仅对其报告的60多万例病例中的0.01%进行了测序。麻省理工学院和哈佛大学博德研究所专门研究基因疗法和细胞工程的博士后研究员阿丽娜·陈表示,新变异株可能会使遏制疫情方面来之不易的进展付诸东流。“能够重新感染 ранее感染过的人的变异株也可能降低疫苗的效力,”她说。 

世界各地的科学家和组织现在正致力于在发展中国家建立搜寻变异株的能力。他们正在积极调动资金、培训和设备,送到最需要这些资源的地方,并渴望建立持久的病毒监测基础设施。“COVID是催化剂,”泛美卫生组织(PAHO)的微生物学家和病毒疾病顾问海罗·门德斯-里科说,该组织总部设在华盛顿特区。“但我们也需要调查未来肯定会出现的其他病原体。”


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在印度,27个实验室现在联合起来创建了印度 SARS-CoV-2 基因组学联盟 (INSACOG)。该小组计划对该国所有 COVID 阳性病例的 5% 进行测序(目前的比率仅为 0.09%)。病毒学家、印度阿育王大学特里维迪生物科学学院院长沙希德·贾米尔表示,原则上,将现有的监测能力整合到一个保护伞下可能会使这一目标成为可行。但他表示,训练有素的现场工作人员不足,实验室也急需基因组分析所需的化学试剂。

国际专家现在正在介入提供帮助。最近,一个名为 INDIA COVID SOS 的非营利性志愿者团体成立,旨在协助该国的疫情应对工作。该组织旨在扩大印度以及邻近南亚国家的基因组监测规模。哈佛医学院流行病学家阿迪蒂·哈兹拉共同领导该组织的测序团队,该团队定期与印度测序联盟的主任举行视频会议。她说,一个关键目标是将病毒监测扩展到更多居住在农村地区的人们。

农村地区的监测也是非洲的优先事项。“非洲大陆数百万人居住在偏远地区,这些地区也是疾病爆发的热点地区,”尼日利亚卡拉巴尔大学医学博士、高级讲师阿卡尼涅·奥图说。几个新的合作伙伴关系旨在促进非洲国家的测序工作。奥图强调了非洲病原体基因组学倡议 (Africa PGI),该倡议于去年启动,得到了国际捐助组织和私营公司的支持。非洲的大部分测序能力集中在南非、肯尼亚、尼日利亚、摩洛哥和埃及。非洲 PGI 由非洲疾病控制和预防中心领导,正着手创建一个泛非测序中心网络,为非洲大陆 54 个国家服务。

在拉丁美洲国家——目前这些国家的 COVID 感染率是世界上最高的——泛美卫生组织正在牵头建立 COVID-19 基因组监测区域网络。该地区的一些国家已经拥有相当强大的测序能力,但该网络正在领导努力,在完全不存在监测能力的地方建立监测能力,中美洲大部分地区就是这种情况。门德斯-里科说,在此期间,巴西和智利的两个大型参考实验室正在“由泛美卫生组织出资”对其他国家送来的样本进行测序。 

除了建立伙伴关系和网络外,科学家们还在探索低成本测序技术,这些技术可以很容易地在现场部署。迄今为止,几乎所有已测序的 SARS-CoV-2 病例都依赖于放置在温控实验室中的大型昂贵仪器。作为替代方案,INDIA COVID SOS 正在鼓励更广泛地使用英国牛津纳米孔技术公司生产的手持式测序设备。该设备名为 MinION,可以使用电池组供电,一次可处理 96 个样本,并使用软件生成可以存储在笔记本电脑上的全基因组序列。“我们正在寻找廉价、高效、可扩展且便携的技术,这就是一个例子,”哈兹拉说。

波士顿生物技术公司 Ginkgo Bioworks 的计算生物学家基思·罗比森同意 MinION 是发展中国家——尤其是农村地区——的实用选择。这种便携式技术在最近刚果民主共和国和其他西非国家爆发的埃博拉疫情期间得到了广泛应用。“你可以用它在任何地方生成序列,”他说。罗比森指出,MinION 也有其缺点:数据的质量不如实验室仪器提供的数据。“然而,如果你有许多相同的序列副本,这也可以通过计算进行纠正,”他说。

丹麦技术大学微生物学博士后研究员图埃·斯帕霍尔特·约根森认为,可能并不总是需要全基因组序列。他说,迄今为止确定的所有重要的 SARS-CoV-2 突变都位于编码该微生物著名的刺突蛋白的相同基因组片段上。约根森说,科学家们可以使用一种称为 Sanger 测序的替代方法来简单地靶向病毒基因组的这一片段。这种方法曾用于 2003 年完成的人类基因组测序工作,至今仍被世界各地的实验室采用。与同时对数百万个基因片段进行测序的全基因组方法不同,Sanger 方法一次对一个片段进行测序。“Sanger 不能取代全基因组测序,但你可以用它以一小部分的成本进行有针对性的分析,”约根森说。“几十年来,人们一直在小型实验室中使用它。我将使用它来监测已知的变异株,[以]鉴定用于全基因组测序的样本,以及用于医院中[感染者]的接触者追踪。”

约根森和他的同事现在正在与卢旺达的卫生官员合作,制定在该国扩大基于 Sanger 的 COVID 监测的计划。“如果卢旺达出现一种新的变异株并开始[在其他]非洲地区传播,那么我们希望了解它,”他说。

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