Wie verfolgt Genomic Epidemiology die Ausbreitung von COVID-19 lokal und global?

Das neuartige Coronavirus fordert die Genomsequenzierungstechnologie und die Datenverarbeitung heraus wie nie zuvor.

Im Dezember 2019 wurden erstmals neue Fälle von schwerer Lungenentzündung in Wuhan, China, festgestellt, und die Ursache war eindeutig ein neuartiges Beta-Coronavirus im Zusammenhang mit dem Coronavirus des schweren akuten respiratorischen Syndroms (SARS), das 2002 aus einem Fledermausreservoir austrat Im ersten Monat des Ausbruchs führten 2.641 Fälle von COVID-19 zu 1.832 Krankenhauseinweisungen, 207 Einweisungen auf die Intensivstation und 126 Todesfällen. Die Coronavirus-Krankheit 2019 (COVID-19), die durch SARS-CoV-2 verursachte Krankheit, wurde von der Weltgesundheitsorganisation am 30. Januar 2020 zu einem öffentlichen Gesundheitsnotstand von internationaler Bedeutung und am 11. März 2020 zu einer Pandemie erklärt. Covid 19 hat zu weltweiten Lockdowns, wirtschaftlichen und sozialen Unruhen geführt, die dazu geführt haben, dass der Gesundheitssektor überrannt wurde.

Mehrere Ausbrüche deuten darauf hin, dass Vorbereitungs- und Reaktionsstrategien modernisiert werden müssen. Moderne Fortschritte in der DNA-Sequenzierung, Genomik, Epidemiologie und Big-Data-Analysen bieten neue Modelle zur Verfolgung symptomatischer und asymptomatischer Übertragungsnetzwerke und zur Identifizierung von Ausbreitungs- und Risikopopulationen, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, die Virusübertragung zu unterbrechen oder zu verzögern, um soziale und wirtschaftliche Auswirkungen zu verringern Störungen und reduzieren Morbidität und Mortalität.

Proben und epidemiologische Daten

Genetiker sind seit Jahrzehnten in der Lage, virale Genome zu sequenzieren, aber die neuesten Fortschritte in der Technologie implizieren, dass sie dies jetzt innerhalb von Stunden oder Tagen tun können. Genauso schnell können Wissenschaftler auf der ganzen Welt ihre Erkenntnisse über ein globales Open-Source-Netzwerk namens Nextstrain teilen. Diese Geschwindigkeit und Zusammenarbeit waren bahnbrechend und ermöglichten es, diese „genomische Epidemiologie“ in Echtzeit zu nutzen, während sich die COVID-19-Pandemie entfaltet. Ein Großteil der Macht der genomischen Epidemiologie beruht auf der Tatsache, dass die meisten Viren viele Fehler machen, wenn sie ihre Genome kopieren, sodass Variationen in der Sequenz – also neue Mutationen – relativ häufig auftauchen. Dies gilt insbesondere für Viren, die RNA als genetisches Material verwenden, wie es Coronaviren tun. Nur sehr wenige dieser Mutationen beeinflussen, wie das Virus wirkt – die meisten haben überhaupt keine offensichtlichen Folgen – aber Forscher können sie als Marker verwenden, um einen Stammbaum des Virus zu erstellen und zu sehen, wie sich das Virus im Laufe der Zeit verändert hat und wie es sich ausgebreitet hat Gebietsschema zu Gebietsschema.

Zu Beginn des COVID-19-Ausbruchs begannen Forscher auf der ganzen Welt, an Patienten getestete Viren zu sequenzieren und einen Stammbaum des Virus auf Nextstrain zu erstellen. Fast sofort konnten sie sehen, dass der Baum kurz war – die Virussequenzen hatten noch nicht viele unterschiedliche Mutationen erworben, was bedeutet, dass das neue Coronavirus, SARS-CoV-2, Menschen noch nicht lange infiziert hatte. Darüber hinaus hatte der Baum einen einzigen Stamm, was darauf hinweist, dass wahrscheinlich jedes Virus, das Menschen infiziert, Anfang Dezember 2019 von einem einzigen Fall abgefallen ist. Die genetische Mutabilität des SARS-Cov-2-Virus bedeutet auch, dass Epidemiologen diese Variationen in ihrem Genom verwenden können, um die Geschwindigkeit von zu verfolgen das Virus während einer Epidemie. Das liegt daran, dass die meisten Mutationen im Wesentlichen zufällig sind, sodass jeder Zweig des Virusbaums wahrscheinlich seinen eigenen einzigartigen Satz von Mutationen hat. Wenn das Virus einer Person beispielsweise die Mutationen A, B und C enthält, könnte diese Person es von jemandem bekommen haben, dessen Virus A und B oder A und C trägt, aber nicht von jemandem, dessen Virus A, B, C und D hat .

Auf der genetischen Spur

Zu Beginn der aktuellen Pandemie verzeichnete Nextstrain das Vorhandensein identischer oder nahezu identischer Coronavirus-Genome von Menschen in so weit auseinander liegenden Ländern wie Kanada, Australien und Großbritannien. Die Genome waren so ähnlich, dass Wissenschaftler zu dem Schluss kamen, dass sie eine gemeinsame Quelle haben müssen. Diese rote Flagge führte zu weiteren Verhören, die ergaben, dass alle Kranken in letzter Zeit in den Iran gereist waren. Beim Covid-19-Virus sammelt jede Viruslinie etwa 30 neue Mutationen pro Jahr an, was ungefähr einer neuen Mutation pro zwei Gliedern in der Übertragungskette entspricht. Infolgedessen kann dieselbe virale Genomsequenz bei verschiedenen Menschen gefunden werden, sodass Genom-Tracker die Übertragung auf nur eine Handvoll Verdächtiger eingrenzen können. Zusätzliche Unsicherheit ergibt sich aus der Tatsache, dass Forscher bei einer weit verbreiteten Pandemie wahrscheinlich nicht Viren von jedem infizierten Individuum sequenzieren können.

Viraler Stammbaum

Genome können sehr gut bei der Beantwortung einer wichtigen Frage der öffentlichen Gesundheit zu Beginn einer Epidemie sein: Werden neue Infektionen an einem bestimmten Ort von Reisenden eingeschleppt oder sind sie hausgemacht? Letzteres – das Ergebnis des Virus, das innerhalb der Gemeinschaft zirkuliert – würde einen Bedarf an sozial distanzierenden Maßnahmen schaffen, die jetzt so vielen von uns bekannt sind.

Ende Februar fanden Sequenzierer beispielsweise Patienten in Deutschland und Italien, die dieselbe ungewöhnliche Virusmutation aufwiesen. Da der deutsche Patient früher erkrankt war, ließ dies einige Forscher vermuten, dass sich das Virus von Deutschland nach Italien ausgebreitet hatte. In Wirklichkeit könnten sich sowohl deutsche als auch italienische Patienten das Virus von einer dritten Person eingefangen haben, die jedoch mysteriös ist und deren Virus nicht sequenziert wurde. Dennoch haben diese Einschränkungen die genomische Epidemiologie nicht davon abgehalten, eine Schlüsselrolle bei der COVID-19-Pandemie zu spielen. Der Ansatz hat den Beamten des öffentlichen Gesundheitswesens geholfen, den Erreger zu identifizieren, seine Reisen zu verfolgen und die Ausbreitung in der Gemeinschaft umgehend zu erkennen. Und in den kommenden Monaten kann die Methode noch mehr beitragen. Ein Beitrag wird wahrscheinlich von längerfristigen Studien kommen, wo Mutationen in das Genom fallen. Denken Sie daran, dass die meisten genetischen Veränderungen für das Virus wenig oder gar keinen Unterschied machen: Sie sind im Sprachgebrauch der Evolutionsbiologen „neutral“. Aber Mutationen, die die Form von Schlüsselproteinen verändern, wie das Spike-Protein auf der Oberfläche des Virus, das an Rezeptoren in unseren Zellen bindet, spielen eher eine Rolle.

Durch die Verwendung genomischer Breadcrumbs zur Verfolgung der Übertragung des Virus hoffen Epidemiologen zu erkennen, welche Aktivitäten das Virus am wahrscheinlichsten verbreiten. Die Wissenschaftsgemeinschaft konzentriert sich darauf, so viele genomische Daten wie möglich zu finden. Der nächste Schritt könnte darin bestehen, Verbindungen zwischen den genomischen Sequenzen von SARS-CoV-2 und seinen viralen Eigenschaften zu entdecken. Dies könnte Wissenschaftlern helfen zu verstehen, ob eine bestimmte Mutation zu einer schwereren Infektion oder einer Reihe von Symptomen führt.