La nueva herramienta de vigilancia de enfermedades ayuda a detectar cualquier virus infeccioso humano

El problema era que simplemente no hay muchas partículas de virus Zika en la sangre de un paciente enfermo. Buscarlo en muestras clínicas puede ser como pescar un pez pequeño en un océano.

Un nuevo método computacional desarrollado por científicos del Instituto Broad ayuda a superar este obstáculo. Construido en el laboratorio del investigador del Instituto Amplio Pardis Sabeti, el método "CATCH" se puede usar para diseñar "cebos" moleculares para cualquier virus conocido por infectar a los humanos y todas sus cepas conocidas, incluidas las que están presentes en abundancia en muestras clínicas. como Zika. El enfoque puede ayudar a los pequeños centros de secuenciación en todo el mundo a realizar la vigilancia de enfermedades de manera más eficiente y rentable, lo que puede proporcionar información crucial para controlar los brotes.

El nuevo estudio fue dirigido por la estudiante graduada del MIT Hayden Metsky y la investigadora postdoctoral Katie Siddle, y aparece en línea en Biotecnología de la naturaleza.

"A medida que la secuenciación genómica se convierte en una parte crítica de la vigilancia de la enfermedad, herramientas como CATCH nos ayudarán a nosotros ya otros a detectar brotes antes y generarán más datos sobre patógenos que pueden compartirse con las comunidades más amplias de investigación científica y médica", dijo Christian Matranga, autor principal del nuevo estudio que se ha unido a una empresa local de biotecnología.

Los científicos han podido detectar algunos virus de baja abundancia mediante el análisis de todo el material genético en una muestra clínica, una técnica conocida como secuenciación "metagenómica", pero el enfoque a menudo omite el material viral que se pierde en la abundancia de otros microbios y en la enfermedad del paciente. ADN propio.

Otro enfoque es "enriquecer" las muestras clínicas para un virus en particular. Para hacer esto, los investigadores usan un tipo de "cebo" genético para inmovilizar el material genético del virus objetivo, de modo que otro material genético pueda ser lavado. Los científicos en el laboratorio de Sabeti habían utilizado con éxito cebos, que son sondas moleculares hechas de cadenas cortas de ARN o ADN que se emparejan con fragmentos de ADN viral en la muestra, para analizar los genomas del virus Ébola y Lassa. Sin embargo, las sondas siempre se dirigieron a un solo microbio, lo que significa que tenían que saber exactamente lo que buscaban y no estaban diseñadas de manera rigurosa y eficiente.

Lo que necesitaban era un método computacional para diseñar sondas que pudiera proporcionar una visión integral de los diversos contenidos microbianos en muestras clínicas, mientras que enriquecían a microbios de baja abundancia como el Zika.

"Queríamos volver a pensar cómo estábamos diseñando realmente las sondas para realizar la captura", dijo Metsky. "Nos dimos cuenta de que podíamos capturar virus, incluida su diversidad conocida, con menos sondas de las que habíamos usado antes. Para hacer de esta una herramienta efectiva para la vigilancia, decidimos intentar atacar a unos 20 virus a la vez, y finalmente escalamos Hasta las 356 especies virales conocidas por infectar a los humanos ".

Corto para "Agregación compacta de objetivos para hibridación integral", CATCH permite a los usuarios diseñar conjuntos personalizados de sondas para capturar material genético de cualquier combinación de especies microbianas, incluidos virus o incluso todas las formas de todos los virus que se sabe que infectan a los humanos.

Para ejecutar CATCH de manera integral, los usuarios pueden ingresar genomas de todas las formas de todos los virus humanos que se han cargado en la base de datos de la secuencia GenBank del Centro Nacional de Información Biotecnológica. El programa determina el mejor conjunto de sondas en función de lo que el usuario desea recuperar, ya sea que se trate de virus o solo de un subconjunto. La lista de secuencias de sondas se puede enviar a una de las pocas compañías que sintetizan las sondas para la investigación. Los científicos e investigadores clínicos que buscan detectar y estudiar los microbios pueden usar las sondas como los anzuelos de pesca para capturar el ADN microbiano deseado para la secuenciación, enriqueciendo así las muestras para el microbio de interés.

Las pruebas de conjuntos de sondas diseñadas con CATCH mostraron que, después del enriquecimiento, el contenido viral era 18 veces más datos de secuenciación que antes del enriquecimiento, lo que permite al equipo ensamblar genomas que no podrían generarse a partir de muestras no enriquecidas. Validaron el método examinando 30 muestras con contenido conocido que abarca ocho virus. Los investigadores también demostraron que se podrían "rescatar" muestras de virus Lassa del brote de Lassa 2018 en Nigeria que resultó difícil de secuenciar sin enriquecimiento mediante el uso de un conjunto de sondas diseñadas por CATCH contra todos los virus humanos. Además, el equipo pudo mejorar la detección viral en muestras con contenido desconocido de pacientes y mosquitos.

Utilizando CATCH, Metsky y sus colegas generaron un subconjunto de sondas víricas dirigidas a Zika y chikungunya, otro virus transmitido por mosquitos que se encuentra en las mismas regiones geográficas. Junto con los genomas de Zika generados con otros métodos, los datos que generaron utilizando sondas diseñadas por CATCH les ayudaron a descubrir que el virus Zika se había introducido en varias regiones meses antes de que los científicos pudieran detectarlo, un hallazgo que puede informar los esfuerzos para controlar futuros brotes. .

Para demostrar otras posibles aplicaciones de CATCH, Siddle utilizó muestras de una variedad de virus diferentes. Siddle y otros han estado trabajando con científicos en África occidental, donde son comunes los brotes virales y las fiebres difíciles de diagnosticar, para establecer laboratorios y flujos de trabajo para analizar los genomas de patógenos en el lugar. "Nos gustaría que nuestros socios en Nigeria puedan realizar eficientemente la secuenciación metagenómica de diversas muestras, y CATCH les ayuda a aumentar la sensibilidad para estos patógenos", dijo Siddle.

El método también es una forma poderosa de investigar las fiebres no diagnosticadas con una causa viral sospechada. "Estamos entusiasmados con la posibilidad de utilizar la secuenciación metagenómica para arrojar luz sobre esos casos y, en particular, la posibilidad de hacerlo localmente en los países afectados", dijo Siddle.

Una de las ventajas del método CATCH es su adaptabilidad. A medida que se identifican nuevas mutaciones y se agregan nuevas secuencias a GenBank, los usuarios pueden rediseñar rápidamente un conjunto de sondas con información actualizada. Además, aunque la mayoría de los diseños de sondas son propietarios, Metsky y Siddle han hecho públicos todos los que diseñaron con CATCH. Los usuarios tienen acceso a las secuencias de sondas reales en CATCH, lo que les permite a los investigadores explorar y personalizar los diseños de las sondas antes de que se sinteticen.

Sabeti y sus colegas investigadores están entusiasmados con el potencial de CATCH para mejorar los estudios a gran escala de alta resolución de comunidades microbianas. También tienen la esperanza de que el método algún día pueda ser útil en aplicaciones de diagnóstico, en las cuales los resultados se devuelven a los pacientes para que tomen decisiones clínicas. Por ahora, se sienten alentados por su potencial para mejorar la vigilancia genómica de brotes virales como Zika y Lassa, y otras aplicaciones que requieren una visión completa del contenido microbiano de bajo nivel.

El software CATCH es de acceso público en GitHub. Su desarrollo y validación, supervisado por Sabeti y Matranga, se describe en línea en Biotecnología de la naturaleza.