Метагеномное секвенирование для выявления респираторных и энтеральных вирусов человека в воздухе, взятом из общественных мест

Индивидуальные тесты на диагностику вирусных инфекций имеют высокую стоимость и не подходят для рутинного применения в эпидемиологических целях, поскольку требуется одномоментное выполнение большого количества индивидуальных тестов для поулчения достаточного количества материала для анализа эпидемической обстановки. Однако для улучшения рутинного надзора за общественным здоровьем, реагирования на вспышки и готовности к пандемии возможно применение тестов на выявление вирусов в окружающей среде. На протяжении пандемии COVID-19 наряду с широко распространенными программами индивидуального тестирования на SARS-CoV-2 использовались стратегии экологического надзора, такие как отбор проб сточных вод и воздуха, для получения данных на уровне популяции. Эти стратегии экологического надзора в основном опирались на методы обнаружения специфических патогенов для мониторинга вирусов в пространстве и времени. Однако это дает ограниченное представление о вироме, присутствующем в образце окружающей среды, оставляя не выявленными большинство циркулирующих вирусов.

В данном исследовании авторы проанализировали возможность глубокого секвенирования, диагностирующего патогены, расширить возможности отбора проб воздуха для обнаружения многих вирусов человека.

С июля 2021 года по декабрь 2022 года авторы проводили сбор проб воздуха в нескольких общественных местах для рутинного мониторинга патогенов. Пробоотборники Thermo Fisher AerosolSense использовались для отбора проб воздуха в местах с высокой проходимостью в нескольких различных местах скопления людей, таких как дошкольное учреждение, спортивный комплекс на территории кампуса, аварийное жилье, пивоваренный завод, домашнее хозяйство и пять школ. Пробы воздуха отбирались еженедельно и раз в две недели. Авторы проанализировали в общей сложности 22 пробы воздуха в 10 местах скопления людей. В качестве контрольной группы были обработаны три фильтрующие подложки для проб воздуха из неиспользованных картриджей AerosolSense. Вирусную РНК выделяли из проб воздуха, а комплементарную ДНК (кДНК) готовили с помощью независимой от последовательности амплификации с одним праймером (SISPA) для глубокого секвенирования Oxford Nanopore и метагеномного анализа. Результаты секвенирования были отфильтрованы на предмет загрязнений и сопоставлены с 835 эталонными последовательностями вирусов, патогенных для человека, из NCBI для поиска общих циркулирующих РНК и ДНК вирусов.

Глубокое секвенирование позволило обнаружить человеческие вирусы в 19 из 22 (86%) образцов воздуха. Ни в одном из контролей вирусы человека обнаружены не были. Авторы определяли обнаружение вируса при совпадении в двух или более результатах, сопоставленных с вирусной эталонной последовательностью в двух или более непересекающихся геномных областях. Согласно этому определению в образцах воздуха были обнаружены в общей сложности 13 человеческих РНК-вирусов. Некоторые из этих вирусов ассоциируются с частыми и сезонными респираторными заболеваниями, которые создают нагрузку на систему здравоохранения, включая вирусы гриппа типов А и С, респираторно-синцитиальный вирус подтипов А и В, коронавирусы человека (NL63, HKU1 и 229E), риновирус и SARS-CoV-2. В 10 из 22 (45%) проб воздуха, взятых в данном исследовании, авторы также обнаружили человеческие вирусы, ассоциированные с энтеральными заболеваниями, включая ротавирус, астровирус человека и мамастровирус.

Рис.1. Выявленные вирусы из проб воздуха. Источник: Minor N.R. et al. Metagenomic sequencing detects human respiratory and enteric viruses in air samples collected from congregate settings // Sci. Rep. 2023. Vol. 13, № 1. P. 21398.

Наиболее неожиданной находкой стало выявление вируса гриппа C (ВГС) в дошкольном учреждении. ВГС – малоизученный вирус гриппа, который часто исключается из рутинных программ эпиднадзора респираторных патогенов, что подчеркивает одно важное ограничение вирусоспецифического поиска. Предыдущие исследования показали увеличение серораспространенности ВГС у детей с возрастом, и, таким образом, можно предположить, что это распространенная, но недостаточно изученная причина респираторных заболеваний, и в связи с особенностями патоген-специфичной диагностики эпидемиология данных случаев остается малоизвестной. Полученные авторами результаты относительно ВГС подчеркивают потенциал использования баз данных проб воздуха для обнаружения вирусов, о которых ранее было мало известно. Исторически сложилось так, что ВГС очень трудно обнаружить с помощью методов клеточных культур, поскольку он вызывает слабый цитопатический эффект, что может привести к недооценке распространенности ВГС. Авторы считают, что по мере распространения вирусодиагностического экологического надзора возможно изменение общей эпидемиологической картины.

Таким образом, в данной работе было продемонстрировано, что SISPA проб воздуха позволяет обнаружить распространенные и неожиданные респираторные и энтеральные вирусы человека, включая вирусы гриппа типов А и С, респираторно-синцитиальный вирус, коронавирусы человека, риновирус, SARS-CoV-2, ротавирус, мамастровирус и астровирус.

Источник: Minor N.R. et al. Metagenomic sequencing detects human respiratory and enteric viruses in air samples collected from congregate settings // Sci. Rep. 2023. Vol. 13, № 1. P. 21398.

Перевод и адаптация Шадеркина Анастасия, Сеченовский университет, Москва (команда Доквей).