Field deployable viral genomic surveillance using panviral integrated indexed primers
Panviral integrated indexed Primer (PiiP) アッセイは、広範に反応するプライマーとポータブルな Oxford Nanopore シーケンシングおよびオフライン解析を組み合わせることで、カンボジアの生体鳥市場での展開によって実証された通り、資源の限られたフィールド環境における迅速な当日中のウイルスゲノム監視を可能にする。
原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 これは査読を受けていないプレプリントのAI生成解説です。医学的助言ではありません。この内容に基づいて健康上の判断をしないでください。 免責事項の全文を読む
ウイルスは目に見えない旅人であり、人間、動物、そして環境の間を移動し、誰かが気づく前にしばしばアウトブレイクを引き起こします。数十年にわたり、これらの脅威を捉えるには、サンプルを遠く離れたハイテク研究所に送り、専門家が数日から数週間かけて病原体の遺伝コードを解読する必要がありました。この遅れは、ウイルスが出現した瞬間と、科学者がそれを特定できる瞬きの間に、危険な空白を生み出します。世界中の多くの地域、特に人間と動物が密接に接触して生活している地域では、この空白が致命的になることがあります。ウイルスを発生したその場で迅速かつ正確に検出する能力は、長らく公衆衛生当局の目標でしたが、それを実現するために必要な装置は、伝統的に大きすぎたり、高価すぎたり、あるいは現場に持ち込むには複雑すぎたりしました。
最近の研究で述べられている新しいアプローチは、その空白を埋める方法を提示しています。科学者たちは、広範なスペクトルを持つ遺伝子検査と携帯型のシーケンサー（配列解析装置）を組み合わせた手法を開発し、その場でウイルスを特定することを可能にしました。この技術は、一つの特定の標的だけでなく、多くの異なる種類のウイルスに同時に結合するように設計された短い遺伝物質の鎖である「特殊なプライマー」を使用しています。これらのプライマーは、小型のハンドヘルド・シーケンサーによって読み取れるように、遺伝物質にタグを付けるシステムに連結されています。サンプルの採取からラップトップの画面上で結果を確認するまでの全工程は、インターネットや中央電源へのアクセスがない遠隔地であっても、今や一日で完結させることができます。
研究者たちは、野生生物、家畜、そして人間が混在し、新しい疾患の温床となっているカンボジアで、このシステム（Panviral integrated indexed Primer assayと呼ばれる）のテストを行いました。彼らはまず、既知のウイルスを添加した様々なサンプルを用いて、制御されたラボ環境でこのテストがどの程度機能するかを確認しました。鶏の喉の拭い液、コウモリの腸組織、蚊のホモジネート（均質液）、そして犬の脳組織を用い、鳥インフルエンザ、SARS-CoV-2、デング熱、狂犬病などのウイルスを添加して、テストがそれらを見つけられるかどうかを検証しました。結果は心強いものでした。テストは、ウイルスの量が非常に少ない場合でも、ほとんどすべてのサンプルにおいてウイルスを検出することに成功しました。また、デングウイルスを他の類似した虫媒介性ウイルスから区別するなど、異なる種類のウイルスを識別することもでき、汚れた市場の水のような複雑な混合物の中でも良好に機能しました。しかし、チームは、このテストはウイルスの「科（ファミリー）」を特定することには優れているものの、インフルエンザの正確な「亜型」を特定することには時として苦戦する場合があり、それは設計の一部として認めている限界であると指摘しました。
このシステムが従来のラボの外でも機能することを証明するため、チームはプノンペンの生きた鳥市場の真ん中に、ポータブルな実験室を設置しました。そのセットアップは控えめなもので、スーツケース3つ分に収まり、ポータブルバッテリーステーションによって電力が供給されていました。そこには、小型の遠心分離機、サンプルの加熱と冷却を行うサーマルサイクラー、DNAを可視化するためのゲル電気泳動装置、そしてハンドヘルド・シーケンサーが含まれていました。驚くべきことに、彼らはゲルの作成に必要なアガロースを溶かすために標準的な炊飯器さえも使用し、いかに現地の道具が科学的な用途に適応できるかを示しました。高温多湿の市場条件下で、チームは空気フィルター、鶏のケージの水、鳥の死骸の洗浄水を含む環境サンプルを収集しました。彼らはこれらのサンプルをその場で処理し、抽出からシーケンシングに至る全ワークフローを約6時間半で完了させました。
フィールドテストでは即座に結果が得られました。サンプルを採取してから数時間以内に、システムはH3、H7、H9といった亜型を含む循環インフルエンザウイルスや、鳥コロナウイルスを特定しました。最も重要な要素はスピードでした。チームは、日が暮れる前に、市場にどのようなウイルスが存在しているかという明確な状況を把握することができました。この迅速なターンアラウンド（処理時間）は、健康当局が、遠く離れた都市からの報告を数日間待つのではなく、アウトブレイクがまだ初期段階にあるうちに、封じ込めやさらなる検査に関する決定を下せる可能性を意味します。また、この研究は、ローカルなウイルス株を含むデータベースの重要性も浮き彫りにしました。自動ソフトウェアは、グローバルなライブラリに十分に代表されていないウイルスを見逃すことがあり、その場合は人間の専門家によるデータの再確認が必要となりました。
このシステムは、あらゆる問題を解決する魔法の杖ではありませんが、疾患の監視方法における大きな前進を象徴しています。それは、かつては装置の要塞を必要としたプロセスを、スーツケース一つに収まるものへと変え、ゲノム監視をアウトブレイクの最前線へと持ち込むことが可能であることを示しました。研究者たちは、このツールはあらゆる診断法に代わるものではなく、種を越えて移動することが知られている特定のウイルスグループをスクリーニングするための「早期警戒システム」として設計されていることを強調しました。このワークフローが熱帯の資源制約のある環境下でも機能することを証明したことで、この研究は、アウトブレイク検出の未来が、高層ビルのラボにあるのではなく、新しい疾患が発生する可能性が最も高いまさにその場所にこそあることを示唆しています。
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