決勝疫情蔓延前!利用次世代定序 (NGS) 監測病毒演變

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新冠病毒 SARS-CoV-2 篩檢除了快篩以外,常見以核酸檢測 (PCR) 確認染病者,然而,對於變種病毒的發現以及傳播鏈的溯源,基因定序這項技術功不可沒。

新冠病毒的每一條單股 RNA 都含有大約 30,000 個核苷酸。這些核苷酸蘊藏了病毒如何運作、複製和傳播的密碼。當病毒序列發生變化時,病毒的檢測、傳染性以及其對疫苗的反應都可能產生變化,然而快篩或是 PCR 類型的核酸檢測,都是對已知的病毒做確認,當需要監測新的突變以及確認感染者之間的關聯性時,則必需透過基因定序技術分析病毒 RNA 基因體。

第一個 SARS-CoV-2 病毒基因體由 Illumina 定序解密

全球基因定序和生物晶片 (Microarray) 龍頭 Illumina, 以技術賦能病原基因體定序,持續支持新冠疫情監測。2019 年底,該公司即接到上海市公共衛生臨床中心(SPHCC) 發來的需求,望協助其實驗室研究團隊部署高通量定序儀,對武漢 COVID-19 患者的病毒樣本進行深度轉錄組定序 (Transcriptome-seq)。2020 年 1 月 10 日,SPHCC 公佈了第一個 SARS-CoV-2 病毒基因體。當美國華盛頓州發現境內首例疑似新冠肺炎患者時,當地疾病控制人員透過公佈的病毒序列,連夜採用核酸檢測 (PCR) 確診了病情。

次世代定序持續監測病毒走向 可望阻止疫情蔓延

時至今日,病毒已經發展到新的階段。人類與病毒的抗爭迂迴曲折,每當發現新的病毒變異,人們就必須緊追不捨地,進行病毒監測。像是英國變種病毒株 B.1.1.7 的發現和據悉導致紐約疫情呈指數級上升的 B.1.526 變異株,促使美國將工作重心轉向監測病毒變異。

近期,由 Helix、加州大學舊金山分校傳染病學系的醫學教授 Charles Chiu 博士和斯克利普斯學院免疫學和微生物學系教授 Kristian G.Andersen 博士共同合作的一項研究發現,B1.1.7 變異株於去年 11 月抵達美國,截至 2021 年 1 月已擴散至 30 個州。據研究顯示,B1.1.7 變異株的傳播性提高了 35%–45%,每隔一周半翻一倍。根據接觸者追蹤顯示,即使大多數人沒有旅行史,變異株仍然在整個社區中傳播 ⁴。

Illumina 執行長 Francis deSouza 也提到,「當時人們才意識到,新冠病毒已經在美國本土傳播了數周、甚至數月。疫情持續影響著人們的生活,而我們還未意識到它的存在¹。」 因此,Illumina 在新冠疫情監測上投入了很多時間和心血,中國、美國、英國、澳洲、歐盟和新加坡等國家很早便採用 Illumina 的平台進行病毒監測,他們也堅信基因定序技術將成為阻止疫情蔓延的關鍵。

Illumina 首席醫學官 Phil Febbo 博士也解釋道:「唯有對一定比例的陽性檢體進行定序,累計並共用數據,這樣當病毒出現變異時,我們才能加以辨識³」。

這些最近的發展,驗證了基因定序的力量,特別是次世代定序 (NGS),並強調了提升病毒監測的意識,增加了採用定序的機會。最初的模型顯示,對 5% 的陽性樣本進行次世代定序,可能有助於在新的變異病毒變得普遍傳播之前,及時捕獲它們⁶。然而,由於疫苗具有「逃逸變異 」(vaccine “escape” variants) 的可能性,因此,定序比例很可能需要提高。

綜合以上可得知,2021 年的病原體次世代定序工作擁有難以估量的發展局勢。其中,在對 SARS-CoV-2 病毒突變進行次世代定序的檢測和鑒定過程中,Illumina COVIDSeq™ 扮演非常重要的角色,一台高通量的 NovaSeq™ 6000 定序儀一天內最多可處理三千個臨床樣本,因為 COVIDSeq 是使用病毒全基因序列進行陽性樣本的判別,因此能提供與傳統相當甚至更高的靈敏度和辨別率。它在檢測時可以提供 SARS-CoV-2 的全長序列,隨著對病毒定序的需求越來越普遍,整體採用率也不斷提高。該檢測方法已獲得美國 FDA 緊急使用授權使用,以及新加坡衛生科學局的臨時授權使用。在美國以外的地區,Illumina 提供此產品的科學研究使用 (RUO) 版本。越來越多的政府衛生當局正在使用病毒基因組學信息來製定衛生政策,如利用基因資料研判群聚感染的關聯,找出接觸者和傳播鏈,及提前識別新出現的高傳染性變異病毒株。

2021 年 2 月 1 日,美國 CDC 攜手 Illumina、Helix、Quest Diagnostics 以及 LabCorp 等產業龍頭企業擴大合作,承諾每周分析 6000 個病毒基因體 ²。該項工作的開展,將使目前的病毒定序量增加近 3 倍。僅在過去的一個月中,病毒定序就讓人們更加地瞭解美國境內病毒變異株的種類和比例。Febbo 博士再指出:「讓 Quest 和 LabCorp 這樣的大型診斷實驗室,以及美國各州的公共衛生實驗室一同參與定序監測,將有助於避免出現『基因組荒漠』(genomic deserts) 的情況 ²。」

為了應對日益嚴峻的病毒變異威脅,美國正在採取行動,推進病毒定序和監測工作。2021 年 3 月11日,美國總統拜登簽署了《2021年美國救援計劃法案》。其中包括 17.5 億美元的資金,用於支持美國 CDC 提高定序能力,識別病毒突變和傳播。為達到該目標,必須做到「高質量定序以確保病毒基因體和菌株分型準確」、「運轉時間短 (不超過5天) 以保證所獲資訊對制定公共衛生對策有用」、「科學界間應當保持公開透明,數據共用」、「政府應當報銷實驗室運行定序的費用」。

凝聚公有和私有力量,共同抗疫

對抗新冠肺炎疫情的戰役仍在持續進行中,期間若能將公有和私有力量相凝聚,協同衛生系統共同抗疫,這可望幫助人們應對未來的威脅。雖然時間緊迫,但監控病原體基因序列變異的技術,為人們帶來了更多武器去擊退 COVID-19。

參考文獻:
1. CNBC
2. Science Magazine
3. Radio.com
4. MedRxiv.com
5. NY Times
6. MedRxiv.com

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