Nyní můžeme vidět, jak virus mutuje jako nikdy předtím

Věda

Sledování vývoje koronaviru, písmeno po písmenu, znamená revoluci v pandemické vědě.

Ilustrace oční bulvy při pohledu na genetické sekvenování.

Getty / Paul Spella / Atlantik

Na začátku byl jeden.



The první genom za virus způsobující záhadnou nemoc, kterou jsme dosud nepojmenovali COVID-19 sdílené vědci 10. ledna 2020. Tento jediný genom varoval svět před nebezpečím nového koronaviru. Byl to základ nových testů, když se země snažily najít virus ve svých vlastních hranicích. A stala se šablonou pro vakcíny, tytéž se nyní dostávají každý den k milionům lidí. Tento první genom koronaviru mohl být nejdůležitějšími 30 000 dopisy zveřejněnými v celém roce 2020.

Od té doby počet sekvenovaných genomů jednoduše explodoval na 700 000. Za něco málo přes rok se virus, který způsobuje COVID-19, stal nejvíce sekvenovaným virem všech dob – prudce překonal tak dlouholeté soupeře, jako je HIV a chřipka. Každý den jsou po celém světě sekvenovány tisíce genomů koronavirů; několik jich bylo vygenerováno během minuty, kterou vám trvalo přečíst tyto tři odstavce. Byla to revoluce, říká Judith Breuerová, viroložka z University College London.

Nyní prožíváme první pandemii v historii lidstva, kdy vědci mohou sekvenovat dostatečně rychle a zběsile, aby mohli sledovat vývoj nového viru v reálném čase – a na základě těchto informací rozhodně jednat. Viry neustále získávají mutace – genetické překlepy – a příležitostně zmutují do zajímavé varianty. Bylo to sekvenování, které identifikovalo odlišnou a více přenosnou variantu ve Spojeném království. Bylo to sekvenování, které v reakci vyvolalo přísnější uzamčení. A nyní je to sekvenování, které sleduje šíření variant, včetně těch, které byly poprvé nalezeny v Jižní Africe a Brazílii, které mají mutace otupující imunitu z vakcín a předchozích infekcí.

Bez sekvenování bychom mohli vidět záhadné nové vlny nebo reinfekce, jen abychom divoce a zpětně spekulovali o tom, proč; nyní vědci mohou vysledovat tyto epidemiologické trendy ke změnám v genetickém kódu koronaviru písmeno po písmenu – a udělat to dostatečně rychle, aby ovlivnili politiku a potenciálně zpomalili varianty, než se ujmou. Toto systematické sekvenování pozitivních testů na COVID-19 se nazývá genomický dohled.

Vzestup genomického sledování zaskočil i vědce tak trochu. Kdyby věděli, že se varianty stanou novinkami na titulní stránce, možná by přišli s lepšími názvy než B.1.1.7, 20I/501Y.V1 a VOC 202012/01, což jsou matoucí všechny názvy pro stejnou britskou variantu . (Není divu, že ji veřejnost i nadále jednoduše nazývala variantou pro Spojené království, navzdory oficiální napomenutí abyste se vyhnuli zeměpisným názvům.) WHO právě diskutuje o a nové schéma pojmenování variant . Takové schéma neexistuje, protože jsme nikdy předtím nemuseli veřejně mluvit o variantách – protože jsme nikdy předtím neidentifikovali varianty dostatečně rychle, aby záležely na reakci na pandemii.

Nevyzpytatelné varianty jmen jsou malým, i když ilustrativním příkladem výzev, které přináší vytažení genomického dozoru z akademických laboratoří a jeho zavedení do veřejného zdraví. Sekvenování je v dnešní době snadné, říkali mi vědci znovu a znovu. Analýza je těžká. A až na několik významných výjimek je ještě těžší přesvědčit veřejnost, aby přinesla skutečné oběti na základě některých měnících se písmen ve virovém genomu. Pandemie ukázala sílu genomického dozoru, ale také odhalila problémy spojené s jeho ovládáním. V budoucnu, až se poučíme z COVID-19, se genomický dohled nad nemocemi může stát rutinou a byrokratickou záležitostí. To by mohl být největší vědecký odkaz pandemie.

Ale tentokrát, v této pandemii, úspěchy genomického sledování závisely na lidské intuici a lidské předvídavosti a občasné šťastné přestávce.

Jedním z takových příkladů je příběh o spojených objevech variant ve Spojeném království a Jižní Africe. Minulou zimu Tulio de Oliveira, bioinformatik z University of KwaZulu-Natal v Jižní Africe, začal sledovat shluk záhadných případů zápalu plic v Číně. A když se tento první virový genom dostal v lednu na internet, začal připravovat svou laboratoř na sekvenování koronaviru v Jižní Africe.

De Oliveira byl jedním z malého kádru vědců po celém světě, kteří již měli značné zkušenosti s tímto druhem věcí. Předtím sekvenoval genomy virů, jako je Zika, dengue, chikungunya a žlutá zimnice, které cirkulují v Jižní Americe. (De Oliveira je původem z Brazílie.) Jiní provedli podobnou práci na chřipce, ebole, západním Nilu a horečce Lassa. Ale většinou byly tyto studie spíše malé a retrospektivní – a probíhaly poklidným tempem akademické obce. V době zveřejnění výsledků byla epidemie obvykle dávno pryč.

Tento nový koronavirus byl nouzový a de Oliveira tomu chtěl předcházet. Během týdnů jeho tým dokončil psaní softwaru pro sestavení genomů nového viru, který byl přepraven mezi spolupracovníky z Brazílie a zásobený laboratorními chemikáliemi v očekávání zastavení letecké dopravy. De Oliveira si představoval systémové sekvenování vzorků COVID-19 v Jižní Africe. Aby se tam dostal, musel si zajistit zákonné a etické povolení k odběru pozitivních vzorků COVID-19 z vládních testovacích laboratoří. Tyto vzorky pak musely být znovu zpracovány pro sekvenování. Typický COVID-19 testuje rychlost čtení pouze několika úryvků genomu koronaviru; sekvenování znamená přečíst všech 30 000 písmen.

V březnu loňského roku, kdy se v Jižní Africe začal objevovat COVID-19, byl de Oliveiraův tým připraven vyrazit. Klíčovou otázkou pro genomický dohled v prvních dnech bylo jednoduše to, jak se COVID-19 dostal do země. Vědci tedy použili genomy rekonstruovat cestu viru: Koronavirus byl zavlečen několikrát, většinou z Evropy. V průběhu roku 2020 pandemie narůstala a slábla a de Oliveira a jeho kolegové neustále shromažďovali sekvence.

V listopadu se objevil zcela nový vzor. Lékaři v jihoafrickém Eastern Cape de Oliveira řekli, že případy opět rostou, zdánlivě z ničeho nic. Změnil se virus? Mohlo to zmutovat? Jeho tým během týdne rychle přešel na sekvenční vzorky z 50 klinik v regionu a zjistili překvapivý nedostatek rozmanitosti. Vzorky ze všech 50 klinik byly úzce příbuzné, s téměř všemi stejnými mutacemi. Vypadali jako jedna varianta. Protože měl k dispozici data z předchozích sedmi měsíců, věděl de Oliveira, že je to zvláštní; normálně, kdyby odebral vzorky z 50 klinik, mohl by najít 30 nebo 40 různých verzí viru. A protože měl data z celé republiky, viděl, že tato varianta se nyní vkrádá i do dalších regionů. Všechny ty měsíce sekvenování se vyplatily, ale zprávy byly špatné. Virus se opravdu změnil. A nová varianta se ujala.

Začátkem prosince de Oliveira sdíleli některé předběžné výsledky se starým kolegou Andrewem Rambautem, který se specializuje na vývoj nových virů. Ti dva se překrývali v Oxfordu asi před 15 lety; Rambaut je nyní na University of Edinburgh ve Spojeném království. De Oliveira označil jednu konkrétní mutaci nazvanou N501Y, která se nachází v klíčové oblasti spike proteinu, který se váže přímo na lidské buňky.

Na tip de Oliveira Rambaut začal prohledávat sekvence koronaviru ve Spojeném království, které má největší a nejlépe financovaný program genomického sledování na celém světě. (De Oliveira na tom ve skutečnosti modeloval jihoafrický sledovací program. Ale samozřejmě máme mnohem méně zdrojů, řekl, takže Jižní Afrika sekvenovala jen zlomek vzorků než Spojené království.) Šest tisíc mil daleko, N501Y se objevil i v britské databázi – v sekvencích z Kentu, kde případy přibývaly i přes pokračující blokování.

Během týdnů, oznámila Velká Británie objev své vlastní, více přenosné varianty, která vznikla nezávisle na variantě Jižní Afriky. Zpráva obletěla celý svět. Mnoho zemí, včetně USA, přesunuta, aby omezila cestování do Spojeného království a hledat variantu v rámci svých vlastních hranic.

Spojené království má největší sekvenační program COVID-19 na světě, a to v nemalé míře proto, že již mělo mnoho špičkových odborníků v této oblasti. Všichni pracujeme s Brity, protože jsou zatraceně dobří, říká Kristian Andersen, mikrobiolog ze Scripps Research v San Diegu. Spojené království vlastními silami vytvořilo více než jednu třetinu všech genomů pro tento koronavirus, a to díky konsorciu akademických a veřejných laboratoří tzv. COVID-19 Genomics UK nebo COG-UK.

Nápad na COG-UK přišel k Sharon Peacock, mikrobioložce z University of Cambridge, když první vlna začala zasahovat Evropu. 4. března poslala e-mail pěti kolegům, aby si promluvili. Opravdu jsem chtěla kontrolu zdravého rozumu, řekla mi. Dosud nebylo jasné, že virus vybuchne v nekontrolovanou pandemii. Itálie ještě nebyla uzavřena. Život stále běžel normálně. Skutečně stálo za to bezprecedentní celostátní úsilí o sledování? Vědci si nemysleli, že koronavirus zmutoval velmi rychle. Sekvenování nemusí najít nic víc než hromadu nesmyslných mutací.

Peacockovi kolegové se však shodli, že národní genomický dohled stojí za pokus. Sekvenování, které poskytuje mnohem více informací než jednoduchý pozitivní nebo negativní test, by jim mohlo poskytnout alespoň podrobný pohled na to, jak se virus šíří.

Konsorcium se nutně nesnažilo hledat varianty. Varianty byly teoretickou možností, ale nikdo nevěděl, kdy a kde by mohly vzniknout. Zpočátku se tedy výzkumníci více zajímali o to, jak se koronavirus do země dostal – z velké části přes jiné evropské země, jako je Itálie, Španělsko a Francie, spíše než přímo z Číny, jak se ukázalo. A zajímalo je, jak se virus šíří, velkými i malými způsoby. Jedna studie našli shluk COVID-19 mezi šesti dialyzovanými pacienty, kteří měli všichni schůzky ve stejné dny v týdnu. Jejich viry byly velmi podobné, ale odlišné od linie kolující jinde v nemocnici, což naznačovalo, že tito dialyzovaní pacienti byli všichni infikováni stejným způsobem – buď během dialýzy, nebo během společné přepravy do nemocnice. Zásadní je, že vyloučením přenosu odjinud v nemocnici by se úředníci mohli zaměřit na základní problém spíše než vydávat zatěžující plošné politiky. Nemocnice uzavřela čekárnu na dialýzu, více rozprostřela pacienty a prosadila univerzální maskování při převozu.

Ale jak počet případů raketově stoupal, otázka, jak se virus dostal do země, začala být poněkud diskutabilní. Virus už byl všude. A více případů znamenalo více sekvencí – tedy tolik sekvencí. Nikdy jsme nepoužili sekvenování v tomto měřítku, řekl mi Peacock.

Žádný člověk nemůže projít tisíci genomů koronavirů generovaných denně, aby hledal náznaky obtížných mutací. Dokonce výpočetní nástroje pro srovnávání genomů se pod tíhou všech dostupných dat prohýbají. Vědci často mapují příbuzné genomy jako větve v evolučním stromu. Ale v určitém okamžiku se tyto stromy stanou neovladatelnými. Naše analytické nástroje na to nejsou stavěny, říká Emma Hodcroft, molekulární epidemioložka na univerzitě v Bernu a spoluvývojářka Další kmen , projekt s otevřeným zdrojovým kódem, který vizualizuje sekvence patogenů. Tip, který pomohl vést k objevu varianty pro Spojené království, přišel koneckonců od de Oliveiry, který na návrh lékařů v první linii sekvenoval menší, lépe zvládnutelný počet vzorků v Jižní Africe.

Úzké spojení mezi lékaři, úředníky veřejného zdraví a sekvenačními laboratořemi je zásadní pro úspěch genomického sledování. Lékaři a úředníci veřejného zdraví si mohou všimnout trendů v terénu, které odrazují genomy, kteří zase mohou odhalit mutace, které jsou důvodem pro nové politiky. Ale tyto světy nejsou nutně zvyklé spolu mluvit. A stromy, které odborníci na genomický dohled preferují pro vizualizaci příbuzných genomů, je těžké interpretovat, protože neúplné vzorkování znamená, že chybí celé větve.

Ve skutečnosti i odborníci měli problémy s interpretací dat. Loni v únoru vědci ve státě Washington objevili první případ místního přenosu COVID-19, o kterém na základě jeho virové sekvence předpokládali, že pochází z případu muže, který se vrátil z Číny před šesti týdny. To naznačovalo, že se virus tiše šíří ve Washingtonu déle než měsíc. Bylo to velké probuzení. Ale jako dodatečné sekvenování doplnil chybějící větve, úplnější – a jiný – obraz těch raných dnů objevil se . Spíše než ne, druhý případ nepocházel z prvního. Samostatné zavedení COVID-19 pravděpodobně zasadilo místní přenosový řetězec ve Washingtonu.

To je stále problém i v menším měřítku, například když se nemocnice snaží přesně určit původ svého propuknutí. Scénář A, ve kterém se zaměstnanci navzájem infikují o přestávkách na kávu, vyžaduje jiné zásahy než scénář B, ve kterém více pacientů přenáší virus na personál na konkrétním oddělení. Breuer, virolog na University College London, vede a COG-UK studie zjistit, zda genomický dohled může skutečně pomoci nemocnicím identifikovat a opravit nedostatky v kontrole infekcí.

Surové virové sekvence nebo stromy jsou však pro nemocnice docela k ničemu; její tým místo toho vymyslel automatizované zprávy, které převádějí data na pravděpodobnost, že jeden případ souvisí s dalšími ve stejné nemocnici. Breuer uznává, že chvíli trvalo, než byly tyto zprávy správné, a stále mohou být lepší. Mezitím nemocnice samy zjišťují, jak integrovat tento nový datový tok do svých zásad. Je to o to těžší, když jsou zaneprázdněni tím, že se snaží držet krok s tlakem pandemie. Když vás zavalí případy, je pro týmy velmi těžké dívat se na data, říká. Zprávy jsou méně užitečné, protože lidé nemají čas se na ně dívat.

Toto je praktický problém, na který během této pandemie opakovaně narážel genomický dohled. Vědci mohou generovat tolik dat, kolik chtějí, ale přimět veřejnost, aby na základě těchto informací jednala, je úplně jiná výzva.

Když Spojené království a Jižní Afrika zazněly na poplach ohledně nových variant, země po celém světě reagovaly radikálně odlišnými způsoby.

Na jednom konci spektra je Dánsko bere velmi vážně. Pokouší se sekvenovat téměř každý pozitivní vzorek v zemi, a to díky rozsáhlému národnímu programu sledování, který se zapojuje do národního systému zdravotní péče. To je jedna opravdu, opravdu velká výhoda. Máme čtyři nebo pět velkých nemocnic, a jakmile je kontaktujete, máte v Dánsku v podstatě vše, říká Mads Albertsen, mikrobiolog z univerzity v Aalborgu, který překonfiguroval svou laboratoř pro sekvenování COVID-19. Od prosince Dánsko sleduje podíl varianty pro Spojené království, B.1.1.7, neustále narůstají údaje o sekvenování .

V důsledku toho země zavedla přísné uzamčení, i když celkový počet případů COVID-19 od prosince klesl. Obchody zůstaly zavřené, stejně jako školy pro žáky pátých tříd a starší. Počet lidí, kteří se mohli shromáždit, byl snížen z 10 na pět. Kdybychom neměli čísla na B.1.1.7, otevřeli bychom společnost mnohem více, říká Albertsen. pouze Dánsko začala 1. března zmírňovat některá omezení jako součást pomalého, kalkulovaného znovuotevření. Země má stále jednu z nejnižších nakažených v Evropě. Jsem velmi rád, že vláda používá data, která jsem vygeneroval o variantách, řekl mi Albertsen. Ale je také trochu děsivé, že nám nakládají tolik na ramena. Genomika nikdy předtím nebyla zodpovědná za data, která řídí otevírání a zavírání celých zemí.

Spojené státy zaujaly k variantám mnohem nedbalejší přístup. Když jsem se zeptal Andersena, mikrobiologa ze Scripps Research, jestli USA jednají na základě informací z genomického sledování, odpověděl bez obalu: Ne, nejsme. (Andersen, který pochází z Dánska, také radí dánské vládě.) Poukázal na to, že stejný problém se v pandemii objevuje znovu a znovu: Zdá se, že USA nejsou schopny plánovat, co se stane, pokud se varianty stanou dominantními; reagujeme pouze na to, co se právě děje. Státy s rostoucím podílem B.1.1.7, jako je Florida, nezavádějí nová omezení jako Dánsko. A minulý týden Texas a Mississippi zrušily své maskovací mandáty.

Stejně jako jiné části pandemické reakce bylo sekvenování v USA extrémně kusé. Andersen spolupracuje s oddělením veřejného zdraví v San Diegu, kde sledují asi 2 procenta všech potvrzených případů – nepatrný zlomek ve srovnání s Velkou Británií nebo Dánskem, ale slušný ve srovnání se zbytkem USA Dobré pokrytí v jakékoli oblasti USA je pravděpodobně způsobeno čirou vůlí konkrétního vědce nebo laboratoře.

Na University of Michigan mi Adam Lauring řekl, že osobně jezdí a sbírá vzorky z testovacích laboratoří, aby je dostal do sekvenačních strojů. Je to součást snahy o sledování COVID-19 na akademické půdě a objev B.1.1.7 ze strany univerzity mezi studentskými sportovci podnítil dvoutýdenní pozastavení sportovního programu. Na Louisianské státní univerzitě Jeremy Kamil sekvenoval asi 2 000 genomů poté, co dostal na palubu univerzitního prorektora a spojil různé zdroje financování. Bohatství dat se nutně nepromítá do politiky veřejného zdraví. Například, říká Kamil, pokud najde pečovatelský dům s více samostatnými zavlečeními COVID-19, nemá žádný způsob, jak zařízení říct, aby zpřísnilo opatření na kontrolu infekce. Sekvenování dříve nebylo součástí sady nástrojů pro veřejné zdraví. Úředníci veřejného zdraví nevěděli, co děláme a jak by to bylo užitečné a jak by se s údaji dalo jednat, říká Vaughn Cooper, mikrobiolog, který provozuje sekvenační zařízení v Pittsburghu která zpracovává Kamilovy vzorky. To není kritika. Toto je stále nová technologie.

Aljaška je jedním ze států, kde ministerstvo zdravotnictví stanovilo sekvenování za prioritu, ale měl problém přimět lékaře a nemocnice, aby posílali vzorky. Poskytovatelé chtějí vědět, co z toho pro ně je, říká Jayme Parker, manažer státní laboratoře. A odpovědí bohužel není mnoho. Parker nemůže lékařům formálně sdělit, zda byl jejich pacient infikován jednou z variant, protože její laboratoři chybí klinická certifikace. A i kdyby mohla, lékaři s informacemi moc nenadělají; nemění to léčbu COVID-19. (Jedinou výjimkou je, že léčba monoklonálními protilátkami může být méně efektivní proti variantám v Brazílii a Jižní Africe, i když ty jsou v USA stále vzácné a použití protilátkové terapie je také nízké.) Když oddělení dostane vzorky, přijdou na různé typy tamponů v různých typech médií v různých nádobách. Aby byly připraveny pro dávkové sekvenování, je zapotřebí mnoho manipulace. Na začátku si pamatuji, jak jsem tamponem dostával kelímky na moč s fyziologickým roztokem, říká. To se stalo velmi neposlušným. Naproti tomu v Dánsku mi Albertsen řekl, že testovací laboratoře shromažďují všechny pozitivní vzorky do čistých misek s 96 malými jamkami, které jsou téměř připraveny k použití.

Genomický dohled, zdůrazňuje Parker, je užitečný na úrovni populace, ale vyžaduje přesvědčování lidí, aby se zapojili na individuální úrovni. S fragmentárními americkými systémy zdravotní péče a veřejného zdraví to znamená propojit nespočet jednotlivých bodů: fyzicky dostat vzorky do správné laboratoře, vyřídit veškerou právní a etickou dokumentaci a poté interpretovat výsledky veřejnosti. Čím déle trvá spojení těchto bodů, tím více času zabere získání vzorku sekvenačním potrubím. Pokud úředníci nevidí údaje o prevalenci B.1.1.7 dříve, řekněme měsíc poté, co pacient poprvé zachytil variantu, omezuje to, jak rychle mohou přizpůsobit reakci. Pokud se však sekvenují do dnů, pak mohou teoreticky upřednostnit sledování pacienta B.1.1.7 kontakty pro zpomalení varianty . Ale čím zaostává genomický dohled, tím méně je užitečný pro veřejné zdraví. V určitém okamžiku se to zase stane akademickým.

Údaje o sekvenování jsou navíc užitečné pouze ve spojení s epidemiologickými údaji. Chcete-li zjistit, zda se varianty šíří nebo způsobují závažnější onemocnění, musíte také vědět, kdy lidé onemocněli, kde jsou, jak onemocněli a jak se tyto vzorce v průběhu času mění. V posledních týdnech v USA vědci objevil několik variant s možná znepokojujícími mutacemi v Kalifornii, New Yorku a Louisianě, ale chybí jim kontext k posouzení, zda jde o skutečné hrozby. Spojené království a Jižní Afrika byly schopny tak rychle vyhodnotit důležitost svých variant díky jejich systematickému sledovacímu systému.

Nedávno CDC začalo zintenzivňovat své národní úsilí v oblasti genomického dozoru. Přidalo se smlouvy s národními testovacími společnostmi, jako je Helix. A minulý měsíc Bidenova administrativa oznámila 200 milionů dolarů jako zálohu za úsilí CDC o sekvenování. Andersen řekl, že doufá, že USA dosáhnou sekvenování 2 procent všech pozitivních na národní úrovni, se sítí sentinelových míst, která mohou na určitých místech sekvenovat ve větším objemu.

Budování této infrastruktury poprvé je těžké; stavět to za chodu, ještě víc. Když však udeří další pandemický virus, genomický dohled by mohl být připraven jít – tak připravený, že další virus by mohl rychle předběhnout COVID-19 jako nejsekvenovanější virus všech dob. Nebo ještě lépe, virus bude uzavřen a už nikdy nebudeme mít dostatek případů na sekvenování 700 000 genomů za rok.