Кашель, лихорадка, боль, слабость и затрудненное дыхание - таковы были симптомы 41-летнего мужчины, когда он был госпитализирован в больницу Уханя в конце декабря 2019 года. Согласно статье в журнале Nature, ранее здоровый мужчина заболел шестью днями ранее, но тесты на грипп и другие инфекции оказались отрицательными. У ученых была тайна на руках. Решение проблемы путем выявления причины заболевания человека стало бы первым шагом к обузданию вспышки, возникшей в Ухане той зимой. И благодаря передовой технологии секвенирования генома исследователи выполнили эту задачу с поразительной скоростью.
Команда в Шанхае проанализировала образец, взятый у пациента из Ухани, менее чем за два дня, используя “новейшую высокопроизводительную технологию секвенирования”, чтобы выделить неизвестные патогены из массы генетического материала в образце. Что они обнаружили: генетическая последовательность, очень похожая на коронавирус летучих мышей, связанный с SARS, патоген, который мы теперь знаем как вирус, вызывающий COVID-19.
Благодаря развивающимся технологиям, подобным тем, которые используются для выявления SARS-CoV-2, ученые имеют все больше возможностей для более раннего выявления патогенов, вызывающих вспышки, и отслеживания их по мере развития. Скорость, с которой исследователи определили патоген, ответственный за COVID-19, резко контрастирует с первой вспышкой атипичной пневмонии в 2002 году, когда исследователи идентифицировали коронавирус, сначала выделив его из клеточных культур. AХронология вспышки CDC гласит, что новый коронавирус не был идентифицирован в качестве предполагаемого виновника атипичной пневмонии до конца марта 2003 года, через четыре месяца после появления случаев необъяснимой пневмонии в Китае и почти через полтора месяца после того, как китайские чиновники здравоохранения предупредили ВОЗ о вспышке. Что касается COVID-19, то прошло чуть больше недели с тех пор, как китайские власти предупредили ВОЗ, чтобы исследователи проанализировали SARS-CoV-2 и широко обнародовали свои результаты.
Достижения в области биологического надзора и методов определения характеристик, а также более глубокое понимание того, как патогены взаимодействуют с людьми-хозяевами, означают, что правительства имеют больше возможностей, чем когда-либо, для обнаружения новых патогенов до того, как они вызовут пандемии. Это важно, потому что изменение климата, ухудшение состояния окружающей среды и геополитическая напряженность означают, что нам, вероятно, придется противостоять новым угрозам заболеваний по мере усиления этих факторов.
Переход от известного к неизвестному. В настоящее время Соединенные Штаты и мировое сообщество используют списки известных патогенов и токсинов биологического происхождения, чтобы помочь расставить приоритеты в оборонных исследованиях, борьбе с терроризмом и усилиях правоохранительных органов. Хотя это помогло странам и организациям выделять скудные ресурсы на целевые исследования патогенов, которые являются чрезвычайно смертоносными, исключительно заразными или проявляют другие признаки, вызывающие огромную озабоченность для общественного здравоохранения и национальной безопасности, растет беспокойство по поводу того, что сосредоточение внимания только на известной области биологических угроз не учитывает биологические события, которые могут возникать из неизвестных организмов, которые могут циркулировать в природе, обрабатываться в лабораториях или создаваться государственными или негосударственными противниками.
Поэтому исследователи и политики пытаются найти способы идентификации и характеристики новых патогенов и лучше понять, как возбудители болезней влияют на биохимические процессы у людей и животных. Эти технологии могут ускорить возможности общественного здравоохранения и обороны для обнаружения, идентификации и реагирования как на известные, так и на неизвестные биологические угрозы. В идеале, их использование позволило бы нам обнаруживать и реагировать достаточно быстро, чтобы смягчить или даже предотвратить появление болезни вообще.
Выявление потенциального возбудителя, вызывающего беспокойство, является первым ключевым компонентом этого подхода. Мы уже можем сделать это с некоторой степенью надежности для известных патогенов, используя детекционные анализы - тесты, которые помогают идентифицировать известный патоген в образце. Анализы подразделяются на две основные категории, которые включают иммуноанализы (проверка реакции антител человеческого образца на специфические антигены) и молекулярные анализы (амплификация специфически идентифицированного вирусного геномного материала, обнаруженного в образце, если он присутствует в образце, с помощью таких методов, как ПЦР-тесты).
В случае с новым патогеном вышеупомянутые варианты не обязательно сработают, потому что новые патогены, по определению, неизвестны. К счастью, достижения в области наук о жизни и вычислительных возможностей теперь позволяют нам по-новому понимать и идентифицировать генетические строительные блоки патогенов. Один хорошо обсуждаемый метод, известный как метагеномное секвенирование следующего поколения, позволяет упорядочить все нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК — в образце и использовать эту информацию для “одновременной идентификации генетического материала” в совершенно разных типах организмов. Этот подход позволяет идентифицировать не только известные патогены, но и потенциально новые патогены, сопоставляя их на предмет сходства с базами данных, полными геномов патогенов. Фрагменты нового коронавируса в образце могут в какой-то степени совпадать с каталогизированными фрагментами ранее идентифицированных и секвенированных коронавирусов в базе данных, например, было обнаружено, что РНК в образце пациента из Ухани в значительной степени соответствует коронавирусу, подобному SARS летучей мыши.
После того, как исследователи идентифицируют новый патоген, им необходимо охарактеризовать его. Определение характеристик - это процесс понимания того, как генетическая структура патогена влияет на его физические характеристики. Это позволяет ученым идентифицировать ключевые признаки, которые затем предлагают уникальные подсказки или цели для диагностики и лечения патогена.
Исторически ученые выращивали патогены в различных лабораторных условиях, начиная от клеточных культур и заканчивая исследованиями на животных, чтобы обнаружить наблюдаемые, обнаруживаемые физические признаки, включая наличие токсинов или генов устойчивости к антибиотикам. Однако эти методы могут быть как трудоемкими, так и дорогостоящими. Во время пандемии COVID-19 цепочки поставок животных оказались запутанными, что усложнило работу лабораторий.
Прогресс в области биотехнологии и вычислительной биологии предлагает альтернативы более традиционным подходам. Один из таких подходов, опять же, основан на применении технологии секвенирования - на этот раз для характеристики частей или всего генетического материала патогена. Это может дать значительное представление о том, как генетическая информация организма (его генотип) и взаимодействие организма с окружающей средой вносят непосредственный вклад в наблюдаемые физические свойства патогена (его фенотип) и подпадают под область биологических и информационных исследований, известную как биоинформатика. В сочетании с все более тщательными и точными методами, такими как секвенирование всего генома, у ученых есть инструменты, которые могут охарактеризовать весь генетический код организма в упрощенном процессе. Таким образом, они могут получить представление о том, на что способен патоген, и какие методы могут помочь предотвратить его — без проведения обширных лабораторных испытаний.
Цельногеномное секвенирование значительно продвинулось вперед благодаря прогрессу в вычислительной мощности и быстро снижающимся экономическим затратам, необходимым для секвенирования всего генома. Исторически использовавшийся в качестве исследовательского инструмента, ученые и исследователи начали использовать полногеномное секвенирование для клинических применений в таких областях, как исследования рака, а также в общественных приложениях, таких как сеть PulseNet CDC, чтобы помочь “обнаруживать и расследовать вспышки пищевого происхождения.” Тем не менее, определение характеристик по-прежнему ограничено географическими районами, обладающими значительными технологическими возможностями, и теми странами, которые могут позволить себе расходы на секвенирование всего генома, которые в 2016 году составили около 1000 долларов за один запуск.
Хотя идентификация и характеристика являются двумя необходимыми возможностями для борьбы с новыми патогенами, ученые также поняли, что сосредоточение внимания на патогенах - не единственный способ укрепить защиту от новых болезней. Набирает обороты альтернативный метод: понимание характеристик различных инфекций внутри организма-носителя, независимо от того, известен ли патоген - идея, получившая название “независимая от угроз” биологическая защита. По словам исследователей из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории, если бы сотрудники здравоохранения, использующие этот метод, столкнулись с угрозой заболевания, вместо того, чтобы ссылаться на список вредных патогенов, подобных списку избранных агентов правительства США, и спрашивать “что это такое”, они бы спросили: “вредно ли это и насколько это вредно?”
По данным национальной лаборатории, биологическая защита, не зависящая от угроз, фокусируется на использовании передовых методов для измерения, анализа и выявления “общих закономерностей заражения и заболеваний” у животных и людей-хозяев. Если ученые смогут идентифицировать сигналы заражения вирусами или бактериями на клеточном уровне, они могут разработать контрмеры или методы диагностики и наблюдения за новыми патогенами.
Метод основан на выявлении так называемых “сигнатур, не зависящих от биоагентов” - например, скажем, молекул, которые указывают на присутствие бактерий. Эти сигнатуры будут включать различные данные, “которые описывают характеристики и реакции хозяина или в целом идентифицируют присутствие класса патогенов”, - написали исследователи национальной лаборатории в 2021 году.
Хотя предстоит проделать гораздо больше работы, чтобы понять биохимические изменения в организме хозяина в той степени, которая необходима для того, чтобы сделать биологическую защиту без учета угроз широко применимым подходом, уже есть достижения, которые подчеркивают ее потенциал. Например, в 2021 году израильские исследователи получили одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов на проведение теста для различения бактериальных и вирусных инфекций — важное различие для клиницистов при определении способа лечения заболевания.
Преимущество не зависящей от угроз биологической защиты заключается в том, что она эффективно сокращает почти бесконечный ландшафт биологических угроз, сужая фокус до специфических взаимодействий патоген-хозяин - взаимодействий, которые позволяют патогенам проникать в клетки хозяина только ограниченным числом способов, которыми они могут проникать в клетки хозяина, захватывать клеточные механизмы, размножаться внутри клеток и выходить из организма. Клетки для дальнейшего размножения. Тем не менее, необходимо провести значительный объем фундаментальных исследований, чтобы систематически отображать, понимать и идентифицировать сигнатуры, не зависящие от биоагентов. Даже по мере того, как знания о сигнатурах, не зависящих от биоагентов, растут благодаря дальнейшим исследованиям, реакция хозяев может значительно отличаться из-за различных биохимических профилей, возникающих в результате таких состояний, как перенесенные инфекции, а также состояния здоровья, которые могут изменить иммунологический ответ человека. Поэтому в ближайшей перспективе может быть трудно создать обобщающую модель.
Поскольку мир продолжает сталкиваться с биологическим событием за биологическим событием, необходимо предпринять значительные действия для предотвращения наихудших потенциальных последствий. Новые и развивающиеся технологии, основанные на не зависящих от патогенов подходах к биологической защите и здравоохранению, могут предложить новые способы обнаружения, характеристики и снижения рисков, связанных с появлением новых патогенов в самых разных условиях, от фермерских полей и городов до зарубежных военных баз и больниц. Некоторые полезные технологии и идеи, такие как биологическая защита от патогенов, все еще находятся в зачаточном состоянии, другие, подобно тому, как секвенирование всего генома остается дорогостоящим и недоступным, особенно в более бедных странах.
Взятые вместе, этим новым методам и технологиям для выявления и характеристики новых угроз предстоит пройти значительный путь, прежде чем они смогут начать выполнять свои потенциальные обещания, но правительство США и другие страны должны инвестировать в них. От этого может зависеть борьба со следующим потенциальным пандемическим патогеном.
Подробнее ➤
