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在不断变化的疫情形势下改善COVID监测

纳什维尔Aegis Sciences Corporation的实验室和Illumina新推出的COVIDSeq v4如何随突变而变

在不断变化的疫情形势下改善COVID监测
2021年11月3日

Matthew Hardison博士切身体会到了病毒迅速变异带来的损失。2021年8月,他和他的护士妻子以及3个年幼的孩子患上了COVID-19——具体而言,是感染了德尔塔变异株。Hardison博士和他的妻子完成了疫苗接种,但德尔塔变异株特别可怕。

“德尔塔变异株的传播及其对新冠疫情的影响再怎么强调都不为过,”Hardison说,他是Aegis Sciences Corporation实验室运行高级副总裁。他的实验室位于田纳西州纳什维尔,该实验室负责追踪全美国的阳性病例和新出现的病毒株。“短短几周内,我们看到阳性率从7月的低于2%增加到超过16%,由于这一新的极为强大的变异株不受抑制的传播,我们的样本量增加了5倍。”

在他的家庭感染德尔塔变异株康复后几天,Mu变异株被命名。所以新冠病毒不断出现变异株。

随着病毒的传播实验室工作量不断增加
2020年春天,Aegis Sciences Corporation主要是一家毒理学公司,有一个小型分子实验室,有6名员工。分子团队主要为小型制药公司和消费者健康管理公司提供服务。Aegis可以进行桑格测序和新一代测序,使用包含10个和20个基因的panel,每年处理几百个样本。值得注意的是,Aegis也开发了药物遗传学药物panel和多个新型精神药物panel。

“疫情爆发时,我们具有独特的优势,我们已经在应对正在发生的阿片类药物流行。因此,我们把监测冠状病毒视为我们的责任,继续扩展我们的能力。这项工作并不总是能得到医疗保险或私人保险公司的足够报销,但检测是非常关键一步。”

Hardison博士的团队开始专注于纳什维尔当地社区和田纳西州。他们的首批样本来自COVID-19集中爆发地区的监狱及周边地区。

在美国国立卫生研究院(NIH)和美国卫生与公众服务部(HHS)的诊断加速(RADx)计划的支持下,Aegis在约4个月的时间将其检测通量从每天约1.5万个样本扩大到每天约11万个样本。

基于这一成功,Aegis与Walgreens在2020年秋建立了合作关系,联合建立全国监测网络(现在他们可以在全部50个州和波多黎各的超过4000个Walgreens药店进行检测)。除了Walgreens,Aegis还可以为数千家长期护理机构、急症中心和各州的卫生部门提供服务。

Aegis Sciences Corporation | 图片来源: Abigail Bobo

在2020/2021年冬季爆发后,他们提高了对其他国家开始发现的新出现的SARS-CoV-2变异株的关注。2021年4月,Aegis开始与美国疾控中心(CDC)合作,提供了多达48万条序列。“我们刚开始拥有一台Illumina MiSeq™,后来又购买了2套NovaSeq™ 6000平台,我们从那时起就一直忙个不停。”他们在不到6周的时间内安装了仪器,并验证并启动了Illumina COVIDSeq™检测。

“不断演变的威胁需要不断改善的解决方案”
病毒可能会发生突变,变得更具致死性,更具传染性,或者更易于出现“免疫逃逸”——或者三者兼具。

新一代测序(NGS)可用于识别聚集性疫情,预测传播途径,监测给定社区中COVID-9的传播情况。NGS可识别更具传染性的毒株以及PCR诊断的风险——NGS可确定可能造成假阴性检测结果的毒株,识别变异株出现“免疫逃逸”的风险。

“几乎每天都有新的变异出现。这些新的变异继续改变疫情形势,因此快速行动,正确应对非常重要,”Illumina副总裁,著名科学家Gary Schroth说。“不断演变的威胁需要不断改善的解决方案。”

行业领先的生物技术公司例如Illumina以及像Aegis公司的实验室与CDC和公共卫生合作组织SPHERES(SARS-CoV-2 Sequencing for Public Health Emergency Response, Epidemiology, and Surveillance)建立了合作伙伴关系。Illumina和Aegis是合作解决这一公共卫生危机的500家公共机构和私人机构之一。合作成员讨论的主题包括检测方法、软件解决方案、废水测序和技术设计。

突变可能会影响基于扩增子的检测中的引物结合位点,例如COVIDSeq。这种情况发生时,引物可能失去扩增该序列的效率,造成覆盖度、均一性降低,甚至对基因组某些区域的覆盖出现缺口。

“我们的检测性能依赖于我们可以获取的检测耗材和试剂,”Hardison说。“因为Illumina帮助我们迅速提高检测效率,与他们合作改进检测性能是水到渠成的事。

“Illumina当时在开发新的引物集,我们与Aegis的团队合作测试新的引物,”Schroth说。“Aegis用两个引物集对数百个样本进行了测序,然后比较了数据。我们合作分析发现新的引物集的性能显著提高,特别是对于德尔塔变异株。”

Aegis的NGS团队最初主要关注高CT(循环阈值)值的阳性样本,它提示具有较低的病毒载量。正是这些样本造成了大部分漏检。“利用新的引物集,我们发现对高CT值样本的检测性能提高约40%至50%,”Hardison说。“这将极大地帮助我们向CDC提供更多关于阳性样本的数据。”

新推出的COVIDSeq™ v4引物池可提供用于SARS-CoV-2扩增的最新ARTIC v4引物集。该引物集可提高SARS-CoV-2全基因组测序的覆盖度,减少病毒基因组缺口。从而提高变异识别精确度,促进发现新变种。

“当我们可以向CDC提供更高质量的数据时,我们便可以更好更及时地跟踪全球新出现的变异,”Hardison说。

Aegis Sciences Corporation | 图片来源:Abigail Bobo

监测和改善数据质量的力量
到目前为止,GISAID收到了全球提交的460万条SARS-CoV-2序列。其中140万条来自美国,仅Aegis就贡献了20多万条序列,使其成为全世界最大的开展COVID测序工作的机构之一。

“我们看着英国或以色列或者其他在我们之前发现德尔塔变异株的国家,我们感叹道,‘哇,看它传播得多快!看看它带来了影响多大!’我们真的需要在这里对其进行监测,并表示‘我们在密苏里州发现了它。我们在弗罗里达州发现了它。我们在德克萨斯州发现了它。现在我们可以以以往2倍、4倍、8倍、16倍的速度发现它,”Hardison说。“如果我们的分析速度以这种水平增长,也许我们可以更快地做出响应,实施公共卫生措施或者暂停大型聚会,获得足够的时间至少减缓或阻止该变异株的传播。”

基因组监测数据可以帮助当地、各州和联邦机构应对COVID-19。利用这些数据,他们可以更好地分配资源,快速实施预防政策。

“这非常符合Aegis公司的理念,”Hardison说。“这样不仅可以帮助临床医生做出更好的决策。也可以帮助公共卫生官员做出更好的决策。我真心相信,这样我们可以改变人们的生活。”

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