تساعد أداة مراقبة الأمراض الجديدة في اكتشاف أي فيروس يصيب الإنسان

كانت المشكلة ، ليس هناك الكثير من جزيئات فيروس زيكا في دم مريض مريض. يمكن أن تبحث عنه في العينات السريرية مثل صيد أسماك البلمة في المحيط.

تساعد طريقة حسابية جديدة طورها علماء معهد Broad على التغلب على هذه العقبة. بنيت في مختبر "برودست سابيتي" الباحث في معهد "برود" ، ويمكن استخدام طريقة "كاتش" لتصميم "الطعوم" الجزيئية لأي فيروس معروف بأنه يصيب البشر وجميع سلالاتهم المعروفة ، بما في ذلك تلك الموجودة في وفرة منخفضة في العينات السريرية ، مثل زيكا. ويمكن أن يساعد هذا النهج مراكز التسلسل الصغيرة في جميع أنحاء العالم على مراقبة الأمراض السلوكية بشكل أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة ، والتي يمكن أن توفر معلومات حاسمة للسيطرة على الفاشيات.

وقادت الدراسة الجديدة من قبل طالب الدراسات العليا في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا هايدن ميتسكي وباحث ما بعد الدكتوراه كاتي سيدل ، ويبدو على الانترنت في الطبيعة التكنولوجيا الحيوية.

"بما أن التسلسل الجيني يصبح جزءًا هامًا من مراقبة الأمراض ، فإن أدوات مثل CATCH ستساعدنا والبعض الآخر على الكشف عن الفاشيات في وقت مبكر وتوليد المزيد من البيانات عن مسببات الأمراض التي يمكن مشاركتها مع مجتمعات الأبحاث العلمية والطبية الأوسع" ، قال كريستيان ماترانج ، كبير مؤلفي الدراسة الجديدة الذي انضم إلى شركة محلية ناشئة في مجال التكنولوجيا الحيوية.

تمكن العلماء من اكتشاف بعض الفيروسات ذات الوفرة المنخفضة من خلال تحليل جميع المواد الوراثية في عينة سريرية ، وهي تقنية تعرف باسم "ميتاجينوم" metagenomic ، لكن النهج غالباً ما يخطئ في المواد الفيروسية التي تضيع في وفرة الميكروبات الأخرى ، الحمض النووي الخاص بها.

نهج آخر هو "إثراء" العينات السريرية لفيروس معين. للقيام بذلك ، يستخدم الباحثون نوعا من "الطعم" الجيني لشل حركة المواد الوراثية للفيروس الهدف ، بحيث يمكن غسل المواد الجينية الأخرى. استخدم العلماء في مختبر Sabeti بنجاح الطعوم ، وهي مجسات جزيئية مصنوعة من خيوط قصيرة من الحمض النووي RNA أو الحمض النووي DNA تقترن مع أجزاء من الحمض النووي الفيروسي في العينة ، لتحليل جينوم فيروس إيبولا ولاسا. ومع ذلك ، كانت المسابير موجهة دائماً إلى ميكروب واحد ، مما يعني أنه كان عليهم أن يعرفوا بالضبط ما الذي كانوا يبحثون عنه ، وأنها لم تصمم بطريقة صارمة وفعالة.

كان ما يحتاجون إليه هو طريقة حسابية لتصميم المجسات التي يمكن أن توفر رؤية شاملة للمحتوى الميكروبي المتنوع في العينات السريرية ، في حين يتم التخصيب بالنسبة للميكروبات منخفضة الوزن مثل زيكا.

وقال ميتسكي: "أردنا إعادة التفكير في كيفية تصميمنا للتحقيقات في عملية الاستيلاء". "لقد أدركنا أننا قادرون على التقاط الفيروسات ، بما في ذلك تنوعها المعروف ، مع عدد أقل من المجسات التي استخدمناها من قبل. ولجعل هذه أداة فعالة للمراقبة ، قررنا بعد ذلك محاولة استهداف 20 فيروس في وقت واحد ، وفي النهاية قمنا بتوسيع نطاق يصل إلى 356 نوعًا فيروسيًا معروف بإصابة البشر ".

اختصار لـ "التجميع المدمج للأهداف للتهجين الشامل" ، يسمح CATCH للمستخدمين بتصميم مجموعات مخصصة من المجسات لالتقاط المواد الجينية لأي مجموعة من الأنواع الميكروبية ، بما في ذلك الفيروسات أو حتى جميع أشكال الفيروسات المعروفة بإصابة البشر.

لتشغيل نظام CATCH بشكل شامل ، يمكن للمستخدمين إدخال الجينوم بسهولة من جميع أشكال جميع الفيروسات البشرية التي تم تحميلها إلى قاعدة بيانات تسلسل GenBank لمركز المعلومات الحيوية الوطنية. يحدد البرنامج أفضل مجموعة من المجسات استنادًا إلى ما يريد المستخدم استرداده ، سواء أكانت كل الفيروسات أم مجموعة فرعية فقط. يمكن إرسال قائمة تسلسلات التحقيق إلى واحدة من الشركات القليلة التي تقوم بتجميع مجسات الأبحاث. ويمكن للباحثين والباحثين السريريين الباحثين عن اكتشاف الجراثيم ودراستها أن يستخدموا المجسات مثل خطافات الصيد للقبض على الحمض النووي الميكروبي المطلوب للتسلسل ، مما يؤدي إلى إثراء العينات الخاصة بالميكروبات ذات الأهمية.

أظهرت اختبارات مجموعات الفحص المصممة باستخدام CATCH أنه بعد التخصيب ، كان المحتوى الفيروسي يشتمل على 18 مرة من بيانات التسلسل أكثر مما كان عليه قبل التخصيب ، مما سمح للفريق بتجميع جينومات لا يمكن توليدها من عينات غير مخصبة. قاموا بالتحقق من صحة هذه الطريقة من خلال فحص 30 عينة بمحتوى معروف يمتد عبر ثمانية فيروسات. وأظهر الباحثون أيضا أن عينات من فيروس لاسا من فاشية لاسا عام 2018 في نيجيريا والتي ثبت أنها صعبة التسلسل دون تخصيب اليورانيوم يمكن "إنقاذه" باستخدام مجموعة من المسابر المصممة من قبل CATCH ضد كل الفيروسات البشرية. بالإضافة إلى ذلك ، تمكن الفريق من تحسين الكشف الفيروسي في عينات ذات محتوى غير معروف من المرضى والبعوض.

باستخدام CATCH ، أنتج Metsky وزملاؤه مجموعة فرعية من المسابير الفيروسية الموجهة إلى Zika و chikungunya ، وهو فيروس آخر يحمله البعوض في نفس المناطق الجغرافية. إلى جانب جينات Zika المولَّدة بطرق أخرى ، ساعدت البيانات التي تم إنشاؤها باستخدام مجسات مصنّعة بمساعدة CATCH في اكتشاف أن فيروس Zika قد تم إدخاله في عدة مناطق قبل أن يتمكن العلماء من اكتشافه ، وهو اكتشاف يمكن أن يثري الجهود للسيطرة على الفاشيات المستقبلية. .

لإظهار التطبيقات المحتملة الأخرى لـ CATCH ، استخدم Siddle عينات من مجموعة من الفيروسات المختلفة. تعمل Siddle وغيرها مع علماء في غرب إفريقيا ، حيث تنتشر الفاشيات والحمى التي يصعب تشخيصها ، لإنشاء مختبرات وسير عمل لتحليل الجينوم الممرض في الموقع. وقال سيدل: "نرغب في أن يتمكن شركاؤنا في نيجيريا من إجراء تسلسل ميتاجينيوم بكفاءة من عينات متنوعة ، ويساعدهم CATCH في تعزيز حساسية هذه العوامل الممرضة".

الطريقة هي أيضا وسيلة قوية للتحقيق في الحمى غير المشخصة مع سبب فيروسي يشتبه. "نحن متحمسون لإمكانية استخدام التسلسل الميتاجينومي لإلقاء الضوء على تلك الحالات ، وعلى وجه الخصوص ، إمكانية القيام بذلك محليا في البلدان المتضررة" ، وقال Siddle.

ميزة واحدة من طريقة CATCH هي قدرتها على التكيف. مع تحديد الطفرات الجديدة وإضافة تتابعات جديدة إلى GenBank ، يمكن للمستخدمين إعادة تصميم مجموعة من المجسات بسرعة مع أحدث المعلومات. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن معظم تصميمات التحقيق هي ملكية خاصة ، فإن Metsky و Siddle قد أتاحتا للجمهور جميع التصميمات التي صممتها مع CATCH. يمكن للمستخدمين الوصول إلى تسلسلات التحقيق الفعلية في CATCH ، مما يسمح للباحثين باستكشاف وتخصيص تصاميم المسبار قبل تركيبها.

إن Sabeti وزملائه الباحثين متحمسين لإمكانية قيام CATCH بتحسين الدراسات عالية الدقة على نطاق واسع للمجتمعات الميكروبية. كما أنهم يأملون في أن هذه الطريقة يمكن أن يكون لها فائدة يوم واحد في تطبيقات التشخيص ، حيث يتم إرجاع النتائج إلى المرضى لاتخاذ القرارات السريرية. في الوقت الحالي ، يشجعهم قدرته على تحسين المراقبة الجينية للفاشيات الفيروسية مثل Zika و Lassa ، والتطبيقات الأخرى التي تتطلب رؤية شاملة للمحتوى الميكروبي منخفض المستوى.

برنامج CATCH متاح للجمهور على GitHub. يوصف تطويره والتحقق منه ، تحت إشراف Sabeti و Matranga ، على الإنترنت في الطبيعة التكنولوجيا الحيوية.