Der Krankheitsdetektiv

Der Krankheitsdetektiv

Der Krankheitsdetektiv

Joe DeRisi erinnert sich sehr gut daran, als seine Besessenheit von mysteriösen Krankheiten begann. Als Teenager in den 1980er Jahren, außerhalb …


Joe DeRisi erinnert sich sehr gut daran, als seine Besessenheit von mysteriösen Krankheiten begann. Als Teenager in den 1980er Jahren, außerhalb von Sacramento aufgewachsen, wurde er von Nachrichtenmeldungen über die AIDS-Epidemie gefesselt, die sich in ihren frühen Jahren weltweit ausbreitete. . .
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Joe DeRisi erinnert sich sehr gut daran, als seine Besessenheit von mysteriösen Krankheiten begann. Als Teenager in den 1980er Jahren, außerhalb von Sacramento aufgewachsen, wurde er von Nachrichten über die AIDS-Epidemie gefesselt, die sich in ihren frühen Jahren auf der ganzen Welt ausbreitete und Tausende von Menschen tötete, während Wissenschaftler sich bemühten, die Ursache zu ermitteln. “Ich meine, was ist es?” sagt DeRisi. „Ist es ein Virus? Niemand wusste! Dieses ganze Konzept, dass wir eine Epidemie oder Pandemie haben könnten, aber nicht herausfinden konnten, was dahinter steckt – das hat mich mein ganzes Leben lang begleitet. ”

Heute ist DeRisi Professor für Biochemie, der Infektionskrankheiten an der University of California in San Francisco studiert, und Co-Präsident des Chan Zuckerberg Biohub, einem Forschungsinstitut im Stadtviertel Mission Bay. Schlank und weißhaarig mit 51, neigt er dazu, in schnellen Ausbrüchen zu sprechen, manchmal mit einer kalifornischen Kiffer-Atmosphäre. Als ich ihn im Mai im Biohub traf, hatte er, wie viele Genetiker, gerade ein anstrengendes Jahr an Covid-19 hinter sich, in dem er sein Labor in eine Einrichtung verwandelte, die täglich mehr als 2.600 Schnelltests verarbeiten konnte. „Die Dinge haben sich definitiv beruhigt“, sagte DeRisi, als er mich in den Biohub führte. „Es war eine Zeit lang ziemlich intensiv dort. ”

Als wir einen Blitz-Rundgang durch das Labor machten, winkte DeRisi einer Reihe teurer genetischer Sequenzer zu, darunter einem von der Größe eines Kühlschranks. „Langweilige graue Kisten“, verkündete er, bevor er weiterging. Auf einem Tisch ganz hinten stand eine viel kleinere Einheit, schlicht weiß und ungefähr so ​​groß wie eine Milchkiste, mit einem einfachen Touchscreen. Nicht lange nachdem DeRisi 2016 Präsident des Biohub wurde, startete DeRisi ein Projekt, das darauf abzielte, unbekannte Krankheiten zu erkennen, lange bevor sie normalerweise entdeckt würden. Die weiße Box, verbunden mit einem ausgeklügelten Analysesystem, das DeRisi entwickelt hatte, ermöglichte es Forschern aus der ganzen Welt, all die verschiedenen DNA oder RNA, die aus fast jeder Probe gewonnen wurden – Rachenabstriche, Blutabnahmen oder anderes Material – zusammenzusetzen und zu scannen unbekannte Krankheitserreger.

Das medizinische Wort für solche Krankheiten ist „idiopathisch“: Zustände, deren Symptome beschrieben werden können, die aber keine bekannte Ursache haben. Bevor Krankheitserreger verstanden wurden, waren die meisten Krankheiten per Definition idiopathisch, einschließlich des Schwarzen Todes, von dem wir heute wissen, dass er durch ein Bakterium (Yersinia pestis) verursacht wurde, von dem die Ärzte jedoch damals vermuteten, dass er durch das Anstarren eines Kranken verursacht wurde, die Ausrichtung der Planeten, schlechte Gerüche oder das Tragen von spitzen Schuhen. Erschreckend ist, wie viele mysteriöse Infektionen es heute noch gibt. Mehr als ein Drittel der akuten Atemwegserkrankungen sind idiopathisch; Gleiches gilt für bis zu 40 Prozent der Magen-Darm-Erkrankungen und mehr als die Hälfte der Fälle von Enzephalitis (Gehirnschwellung). Es wird angenommen, dass bis zu 20 Prozent der Krebserkrankungen und ein erheblicher Teil der Autoimmunerkrankungen, einschließlich Multipler Sklerose und rheumatoider Arthritis, virale Auslöser haben, aber die überwiegende Mehrheit davon muss noch identifiziert werden.

Global können die Zahlen noch schlimmer sein und die Einsätze oft höher. „Angenommen, eine Person kommt mit Fieber und grippeähnlichen Symptomen ins Krankenhaus in Sierra Leone“, sagt DeRisi. „Nach ein paar Tagen oder einer Woche sterben sie. Was hat diese Krankheit verursacht? Meistens erfahren wir es nie. Denn wenn die Ursache nicht etwas ist, das wir kultivieren und testen können“ – wie Hepatitis oder Halsentzündung –, „bleibt es im Grunde nur ein Rätsel. ”

Während die Ursache von Covid-19 schnell als Coronavirus identifiziert wurde, stellt DeRisi fest, dass dies nicht unbedingt bei jedem Keim der Fall sein wird, der die nächste Pandemie verursacht. Und frühere Strategien zur Erkennung potenziell gefährlicher Viren waren nicht immer sehr systematisch. „Verschiedene Präventionsprojekte haben in der Vergangenheit einfach zufällige Roadkills am Straßenrand aufgefangen und nach Viren gesucht“, sagte mir DeRisi. „Oder sie suchen nach allen Viren in Fledermäusen. “Obwohl es einen Platz für diese Art von Probenahmen gibt, ist es schwer zu sagen, welcher der vielen entdeckten Organismen tatsächlich ein Risiko darstellt”, sagte DeRisi. „Wir haben zum Beispiel ein Projekt, das die Gülle in Schweinefarmen untersucht“, fuhr er fort. „Und wir haben bisher mindestens 200 neue Viren identifiziert. Was großartig ist! Aber wir haben keine Ahnung, welche von ihnen, wenn überhaupt, die Fähigkeit haben, in Menschen zu springen – oder wie schlimm es wäre, wenn sie es täten. ”

Es wäre besser, sagt DeRisi, nach seltenen Fällen von mysteriösen Krankheiten beim Menschen zu suchen, die oft existieren, lange bevor ein Krankheitserreger Fuß fasst und sich ausbreiten kann. Basierend auf einer retrospektiven Analyse von Blutproben wissen Wissenschaftler heute, dass H. I. V. über ein Jahrhundert hinweg fast ein Dutzend Mal auftauchte, beginnend in den 1920er Jahren, bevor es global wurde. Zika war eine relativ harmlose Krankheit, bevor eine einzige Mutation im Jahr 2013 dem Virus die Fähigkeit gab, in Gehirnzellen einzudringen und diese zu schädigen. Cristina Tato, eine Immunologin, die das Rapid Response Team des Biohub leitet, weist darauf hin, dass Forscher im Südpazifik Monate vor der Explosion von Zika in Brasilien, die Entwicklungsprobleme und Mikrozephalie bei Säuglingen verursachte, eine Zunahme neurologischer Symptome bemerkten, ein übersehener Hinweis darauf, dass sich Zika veränderte .

„Bei Krankheitserregern können wir viel besser auf Dinge achten, von denen wir bereits wissen, dass sie da draußen sind“, sagte DeRisi. „Ebola, wir wissen. Zika, wir wissen. Das Schöne an diesem Ansatz“ – Blutproben von Krankenhauspatienten auf der ganzen Welt durch sein System, bekannt als IDseq – laufen zu lassen, „ist, dass es sogar bei Dingen funktioniert, die wir noch nie zuvor gesehen haben oder von denen wir denken, dass wir sie haben gesehen, die aber eigentlich etwas Neues sind. ”

Biologische Proben werden für die Sequenzierung vorbereitet.Kredit. . .Carlos Chavarría für die New York Times

Traditionell der Weg, dass Wissenschaftler Organismen in einer Probe identifiziert haben, besteht darin, sie zu kultivieren: Isolieren eines bestimmten Bakteriums (oder eines Virus oder Parasiten oder Pilzes); wachsen Sie es in einer Petrischale; und untersuchen Sie dann das Ergebnis unter einem Mikroskop oder verwenden Sie die Genomsequenzierung, um zu verstehen, was es ist. Da jedoch weniger als 2 Prozent der Bakterien – und noch weniger Viren – in einem Labor gezüchtet werden können, zeigt der Prozess oft nur einen winzigen Bruchteil dessen, was tatsächlich vorhanden ist. Es ist ein bisschen so, als würde man 100 verschiedene Arten von Samen pflanzen, die man in einem alten Glas gefunden hat. Ein oder zwei davon keimen und produzieren eine Pflanze, aber es gibt keine Möglichkeit zu wissen, was der Rest geworden sein könnte.

Und da verschiedene Bakterienarten bestimmte Bedingungen zum Wachsen benötigen, müssen Sie auch eine Vorstellung davon haben, wonach Sie suchen, um es zu finden. Dasselbe gilt für die genomische Sequenzierung, die auf „Primern“ beruht, die auf verschiedene Kombinationen von Nukleotiden (den Bausteinen von DNA und RNA) abgestimmt sind. Sogar das Betrachten eines Objektträgers unter einem Mikroskop erfordert eine Färbung, wodurch Organismen leichter zu erkennen sind – aber die Färbungen, die zum Beispiel zur Identifizierung von Bakterien und Parasiten verwendet werden, sind nicht die gleichen.

Die Praxis, bei der DeRisi dabei geholfen hat, dieses Problem zu umgehen, ist als metagenomische Sequenzierung bekannt. Im Gegensatz zur gewöhnlichen genomischen Sequenzierung, bei der versucht wird, die gereinigte DNA eines einzelnen bekannten Organismus zu buchstabieren, kann die metagenomische Sequenzierung auf eine unordentliche Probe von fast allem angewendet werden – Blut, Schlamm, Meerwasser, Rotz – die oft Dutzende oder Hunderte von verschiedene Organismen, alle unbekannt, und jeder mit seiner eigenen DNA. Um das gesamte fragmentierte genetische Material zu lesen, verwendet die metagenomische Sequenzierung eine ausgeklügelte Software, um die Teile durch Abgleichen überlappender Segmente zusammenzufügen.

Die zusammengesetzten Genome werden dann mit einer riesigen Datenbank aller bekannten genomischen Sequenzen verglichen, die vom staatlich geführten National Center for Biotechnology Information verwaltet wird, sodass Forscher alles in der Mischung identifizieren können. In diesem Szenario löst ein unentdeckter oder völlig neuer Virus kein Match aus, sondern wird stattdessen markiert. (Auch in diesen Fällen gehört der mysteriöse Erreger in der Regel zu einer bekannten Virusfamilie: Coronaviren zum Beispiel oder Filoviren, die hämorrhagische Fieber wie Ebola und Marburg verursachen.)

Die metagenomische Sequenzierung eignet sich besonders gut für das, was Wissenschaftler „Umweltprobennahme“ nennen: zum Beispiel jede Art von Bakterien zu identifizieren, die im Darmmikrobiom oder in einem Teelöffel Meerwasser vorhanden sind. Solche Studien haben gezeigt, wie groß die mikrobielle Welt ist und wie wenig wir darüber wissen. Eine Studie fand mehr als 1.000 verschiedene Arten von Viren in einer winzigen Menge menschlichen Stuhls; ein anderer fand eine Million in ein paar Pfund Meeressediment. Und die meisten waren Organismen, die noch niemand zuvor gesehen hatte.

Im Jahr 2002 entwickelten DeRisi und sein Mitarbeiter David Wang als Assistenzprofessor die erste medizinische Version dieses Tools, einen DNA-Mikroarray namens ViroChip, der entwickelt wurde, um alle bekannten Viren aus dem Blut oder Gewebe eines Patienten zu identifizieren und auch neue oder unbekannter Virus. In den Jahren nach der Entwicklung des ViroChip nutzte DeRisi ihn hauptsächlich zur Jagd nach unbekannten Krankheitserregern im Zusammenhang mit Atemwegserkrankungen, einschließlich Asthma. Einer seiner frühen Erfolge war die Identifizierung einer mysteriösen Krankheit aus Hongkong, die sich als SARS herausstellen sollte. Er löste auch medizinische Geheimnisse; In einem Fall fand er heraus, dass die Enzephalitis eines Bauarbeiters nicht durch Tuberkulose verursacht wurde, wie Ärzte über ein Jahr lang dachten, sondern durch einen Bandwurm von infiziertem Schweinefleisch, der in das Gehirn des Patienten eingewandert war.

Er beschäftigte sich auch mit Tierseuchen. Neben der Diagnose einer tödlichen neurologischen Erkrankung bei Schlangen untersuchte er eine Infektion, die Nymphensittiche und Papageien tötete, und löste einen bizarren Ausschlag von Todesfällen unter Haien und Fledermausrochen in der Bucht von San Francisco. Einmal untersuchte er sogar einen Fall von Enzephalitis bei einem Eisbären, wobei sich als Ursache eine Autoimmunerkrankung herausstellte. (DeRisi untersucht jetzt dieselbe Krankheit beim Menschen.)

Nach der Eröffnung des Biohubs im Jahr 2016 war eines der Ziele von DeRisi, die Metagenomik von einer seltenen Technologie, die von einer Handvoll Eliteuniversitäten verwendet wird, in etwas zu verwandeln, von dem Forscher auf der ganzen Welt profitieren könnten. Im Gegensatz zur herkömmlichen Genomsequenzierung, die jetzt billig ist, erfordert die Metagenomik enorme Rechenleistung und ist damit für alle außer den am besten finanzierten Forschungslabors unerreichbar. Das von DeRisi entwickelte Tool IDseq ermöglichte es Forschern überall auf der Welt, Proben mithilfe eines kleinen, handelsüblichen Sequenzers zu bearbeiten, ähnlich dem, den DeRisi mir in seinem Labor gezeigt hatte, und dann die Ergebnisse hochzuladen zur Analyse in die Cloud.

DeRisi ist mit diesem Cloud-basierten Ansatz der Metagenomik nicht allein – eine wachsende Zahl von Start-ups macht dasselbe. Aber er ist der Erste, der den Prozess so zugänglich macht, auch in Ländern, in denen Laborbedarf und Ausbildung knapp sind. DeRisi und sein Team testeten die Chemikalien, die zur Vorbereitung der DNA für die Sequenzierung verwendet wurden, und stellten fest, dass die Verwendung von nur der Hälfte der empfohlenen Menge oft gut funktionierte. Sie drucken auch einige der Werkzeuge und Ersatzteile der Labore in 3D und bieten fortlaufende Schulungen und technischen Support an. Die metagenomische Analyse selbst – normalerweise der teuerste Teil des Prozesses – wird kostenlos zur Verfügung gestellt.

Die Hauptinnovation von DeRisi liegt jedoch in der Rationalisierung und Vereinfachung der außerordentlich komplexen rechnerischen Seite der Metagenomik. „Die meisten Metagenomik-Programme sind wirklich schwer zu verwenden“, bemerkte ein ehemaliger Mitarbeiter. „Sie brauchen viel Übung und Training. ” IDseq ist auch schnell und kann Analysen in Stunden durchführen, die andere Systeme Wochen dauern würden.

„Was IDseq wirklich getan hat, war, die Arbeit im Nasslabor – das Sammeln von Proben, deren Verarbeitung und das Durchlaufen eines Sequenzers – mit der bioinformatischen Analyse zu verbinden“, sagt Jennifer Bohl, eine Forscherin, die am Laboratory of Malaria and Vector Research in Phnom Penh . arbeitete . „Ohne das passiert an vielen Stellen, dass die Forscher sagen: ‚Okay, ich habe die Proben gesammelt!‘ Aber weil sie sie nicht analysieren können, landen die Proben im Gefrierschrank. Die Informationen bleiben einfach dort hängen. ”

Durch ein von DeRisi entwickeltes Tool ist es nun für Forscher überall auf der Welt möglich, Proben mithilfe eines kleinen, handelsüblichen Sequenzers zu bearbeiten und die Ergebnisse dann zur Analyse in die Cloud hochzuladen.Kredit. . .Carlos Chavarría für die New York Times

Es dauerte nicht lange danachDeRisi hat den Prototyp für IDseq fertiggestellt und seinen ersten Test als globales Gesundheitstool durchgeführt – ein Testlauf, der einige faszinierende Ergebnisse lieferte. Alles begann im Herbst 2017, als er Farhad Imam, einen Kinderarzt und leitenden Programmbeauftragten der Gates Foundation, auf einer globalen Gesundheitskonferenz in Washington traf. Als sie die Herausforderungen beim Einsatz des Systems in Entwicklungsländern diskutierten, kam Imam auf die Idee, Senjuti Saha, einen Mikrobiologen der Child Health Research Foundation in Dhaka, Bangladesch, zu engagieren, um zu sehen, ob IDseq dazu beitragen könnte, ein Rätsel zu lösen .

Anfang des Jahres bemerkte die C. H. R. F. einen starken Anstieg der Fälle von Meningitis bei Kindern. Einige davon waren tödlich; viele verlassene Patienten behindert. „Wenn in Bangladesch ein Kind behindert ist, bricht die ganze Familie komplett auseinander“, erzählte mir Saha. „Die Mutter geht nicht mehr arbeiten. Die Geschwister fallen aus der Schule. Sie geraten in diesen Teufelskreis der Schulden. ”

Meningitis selbst ist keine Krankheit, sondern nur eine Beschreibung, die bedeutet, dass sich das Gewebe um das Gehirn und das Rückenmark entzündet hat. In den Vereinigten Staaten können bakterielle Infektionen Meningitis verursachen, ebenso wie Enteroviren, Mumps und Herpes simplex. Aber ein hoher Anteil der Fälle hat, wie Ärzte sagen, keine bekannte Ätiologie: Niemand weiß, warum das Gehirn und das Rückenmark des Patienten anschwellen.

Dies war beim Ausbruch von Dhaka der Fall. C. H. R. F. ist eines der führenden Mikrobiologielabore in Südostasien und für die Weltgesundheitsorganisation verantwortlich für die Verfolgung von Meningitis im Land. „Jeden Meningitis-Fall, der hereinkommt, kultivieren wir“, sagte mir Saha. „Wir führen Antigentests auf Pneumokokken, Neisseria meningitidis, Hemophilus influenzae und G. B. S. durch“ oder Streptokokken der Gruppe B – die vier Infektionen, die am wahrscheinlichsten eine Meningitis verursachen. „Dann machen wir einen viel empfindlicheren und spezifischeren Test auf Streptococcus pneumoniae-Bakterien, da dies den höchsten Anteil an Fällen verursacht. Und dann suchen wir auch in Echtzeit nach DNA-Fragmenten von einem dieser Krankheitserreger. ”

Als der Ausbruch begann, ging man davon aus, dass die Ursache wieder bakteriell sein würde, aber keiner der Tests konnte einen Erreger lokalisieren. Im Laufe des nächsten Jahres arbeitete Saha daran, das Rätsel zu lösen, manchmal in Zusammenarbeit mit anderen Labors. Eine Partnerschaft mit einer Organisation in China zerbrach, als die Gruppe nicht bereit war, ihre Techniken zu teilen. Eine andere Gruppe von Forschern in Kanada führte ihre eigenen Tests mit den Meningitis-Proben durch, konnte aber auch die Ursache nicht herausfinden. Nicht lange danach nahm Saha an einer Konferenz im British Museum teil, wo sie einen Vortrag mit dem Titel „The Dark Side of Meningitis“ hielt. „Es war ein negatives Gespräch“, erinnert sich Saha. „Wie: Warum reden alle nur über die erfolgreichen Fälle? Wir müssen jedes Jahr über Tausende von Fällen sprechen, bei denen wir keine Ahnung haben, was die Krankheit verursacht. ”

Vor dem Treffen mit DeRisi war Saha skeptisch gegenüber einer weiteren Zusammenarbeit. Aber die beiden verstanden sich auf Anhieb. Obwohl DeRisi ungeduldig sein konnte, mochte Saha, dass er direkt war und schätzte, dass seine „Ethik sehr stark ist. In seinem Kopf ist er wie:Das ist richtig; das ist falsch; das werde ich tun.“ Trotzdem ging sie vorsichtig vor. „Weil IDseq neu war und ich sehr akribisch bin, habe ich viele Kontrollen eingebaut“, erzählte sie mir. Von den 97 Liquorproben stammten nur 25 aus tatsächlichen Mystery-Meningitis-Fällen. Der Rest stammte entweder aus Fällen, für die Sahas Labor die Ursache bereits identifiziert hatte, oder waren überhaupt keine Meningitis. Mehrere waren einfach Wasser. „Die Idee war, dass all dies getestet und der Prozess geblendet wird“, sagt Saha. „Weil ich sehen musste, ob die Plattform funktioniert oder nicht. ”

Als Saha und ihr Team jedoch die mysteriösen Meningitis-Proben durch IDseq durchführten, war das Ergebnis überraschend. Anstatt wie erwartet eine bakterielle Ursache aufzudecken, zeigte ein Drittel der Proben Anzeichen des Chikungunya-Virus – insbesondere eines neuroinvasiven Stamms, der als äußerst selten galt. „Zuerst dachten wir,Es kann nicht wahr sein!“, erinnert sich Saha. „Aber in dem Moment, als Joe und ich merkten, dass es Chikungunya war, ging ich zurück und sah mir die anderen 200 Proben an, die wir ungefähr zur gleichen Zeit gesammelt hatten. Und wir haben das Virus auch in einigen dieser Proben gefunden. ”

Bis vor kurzem war Chikungunya eine vergleichsweise seltene Krankheit, die vor allem in Teilen Zentral- und Ostafrikas vorkommt. „Dann explodierte es einfach durch die Karibik und Afrika und über Südostasien bis nach Indien und Bangladesch“, erzählte mir DeRisi. Im Jahr 2011 wurden in Lateinamerika keine Fälle von Chikungunya gemeldet. 2014 waren es eine Million.

Gewöhnliches Chikungunya kann bleibende neurologische Schäden und lebenslange Gelenkschmerzen verursachen. DeRisi nannte die Krankheit „enorm verheerend“ und stellte fest, dass Chikungunya in der Kimakonde-Sprache, die in Tansania gesprochen wird, „verzerrt werden“ bedeutet. “ Aber eine neuroinvasive Version, die Hirnschäden verursachte und vor allem Kinder und Säuglinge betraf, war besonders alarmierend.

Chikungunya ist ein von Mücken übertragenes Virus, aber als DeRisi und Saha sich die Ergebnisse von IDseq ansahen, sahen sie noch etwas anderes: ein Primaten-Tetraparvovirus. Primaten-Tetraparvoviren sind beim Menschen fast unbekannt und wurden nur in bestimmten Regionen gefunden. Auch jetzt, so DeRisi, ist nicht klar, welche Auswirkungen das Virus auf die Menschen hat. „Vielleicht ist es gefährlich, vielleicht auch nicht“, sagt DeRisi. „Aber ich sage Ihnen was: Es ist jetzt auf meinem Radar. Also dieses Ding, das völlig unsichtbar gewesen wäre, nach dem niemand Ausschau halten konnte – jetzt halten wir Ausschau danach. ”

Diese Art von Entdeckung ist wichtig, bemerkt Farhad Imam, zum Teil, weil sie eine neue Epidemie abwehren kann, aber auch, weil sie eine Landschaft potenziell gefährlicher Viren aufdeckt, von der wir sonst nie erfahren würden. „Was uns fehlt, ist, dass es ein ganzes Universum von Krankheitserregern gibt, die beim Menschen Krankheiten verursachen“, bemerkt Imam, „von denen wir oft nicht einmal wissen, dass sie existieren. ”

“Wir sagen dir nicht, was du damit machen sollst. Aber es stimmt auch, dass, wenn wir genug Leute haben, die dies über die ganze Welt verteilt haben, es zu einem globalen Netzwerk zur Erkennung aufkommender Pandemien wird“, sagt DeRisi.Kredit. . .Carlos Chavarría für die New York Times

Nach Abschluss der Meningitis-Pilotstudie begannen DeRisi und Imam mit der breiteren Einführung von IDseq. „Der Plan war, Forscher auf der ganzen Welt Studien vorschlagen zu lassen, und wir werden 10 davon auswählen, um zu beginnen“, erinnert sich DeRisi. “Wir dachten, wir würden ein paar Dutzend Vorschläge bekommen, und stattdessen haben wir 350 bekommen.”

Eine Gruppe in Madagaskar wollte die in Fledermäusen gefundenen Organismen mit denen in Blutproben von Patienten vergleichen, um zu sehen, welche Viren möglicherweise überschwappen. Ein Forschungsinstitut in Brasilien, das oft Patienten mit mysteriösem Fieber sieht, wollte die Ursache wissen. „Das Verkaufsargument für Forscher ist: ‚Schauen Sie, mit dieser Technologie können Sie untersuchen, was in Ihrer Klinik passiert, egal ob es sich um Kinder mit Meningitis oder etwas anderem handelt‘“, sagte DeRisi. „Wir sagen Ihnen nicht, was Sie damit machen sollen. Aber es stimmt auch, dass, wenn wir genug Leute haben, die dies über die ganze Welt verteilt haben, es zu einem globalen Netzwerk zur Erkennung aufkommender Pandemien wird. Denn vielleicht konzentrierst du dich in Dhaka auf eine Meningitis bei Kindern, aber plötzlich tauchen all diese Erwachsenen mit einer seltsamen Atemwegserkrankung auf. Darauf werden Sie Ihre Aufmerksamkeit richten. ”

Im Labor zog DeRisi die IDseq-Ergebnisse für einige von Sahas Meningitis-Proben, die aus der Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeit der Patienten entnommen wurden. „Dies ist eine Heatmap“, sagte DeRisi und zeigte auf etwas, das wie ein unregelmäßig ausgefülltes Gitter aussah, mit einigen weißen Quadraten und anderen in Abstufungen von Gelb oder Rot. Oben zeigte ein Streifen dunkelrot-violetter Blöcke das Vorhandensein von Chikungunya, aber es gab auch Dutzende hellerer Quadrate, die alles widerspiegelten, von Sekundärinfektionen bis hin zu Bakterien, die auf der Haut leben. Jede Reihe, erklärte DeRisi, repräsentierte eine andere Mikrobe, die das System erkannt hatte, wobei die Farbe die Menge des gefundenen Virus repräsentierte. Einige davon waren bekannt: Alphapapillomavirus verursacht Warzen; Saccharomyces cerevisiae ist ein Pilz, der in Brot und Bier vorkommt.

Den Ländern die Möglichkeit zu geben, regelmäßig und in Echtzeit ihre eigenen metagenomischen Tests durchzuführen, könnte die Erkennung von Krankheitserregern dort erhöhen, wo am wahrscheinlichsten neue Pandemien auftreten. Aber die Heatmap zeigte auch, wie schwer es sein kann, zu bestimmen, welcher von vielen Organismen einen Menschen krank macht. Eine Gefahr der Metagenomik besteht darin, dass sie das gesamte genetische Material in einer Probe wahllos amplifiziert, was es schwierig macht zu wissen, welche der verschiedenen Bakterien oder Viren, die der Prozess erkennt, tatsächlich signifikant sind. Nasenabstriche zum Beispiel erfassen routinemäßig Anzeichen von Influenza- und Atemwegsviren – sowie Dutzende oder sogar Hunderte von Bakterienarten. Dies gilt insbesondere in den Teilen der Welt, in denen DeRisi IDseq anbieten möchte. Wie David Relman, Mikrobiologe an der Stanford University, bemerkt: „Wenn man in Ghana jemandem Blut abnimmt, der Fieber hat, weiß man wirklich nicht viel darüber, was normalerweise ohne Fieber in seinem Blut wäre – geschweige denn über andere Arten von Schadstoffen in der Umwelt. Wie interpretieren Sie also die Relevanz all der Dinge, die Sie sehen?“

Solche Kritiken haben einige dazu veranlasst, zu sagen, dass die Metagenomik einfach nicht für die Infrastruktur von Entwicklungsländern geeignet ist. Neben dem Problem der Kontamination haben viele Labore Schwierigkeiten, die für die Sequenzierung benötigten chemischen Reagenzien zu bekommen, entweder aufgrund der Kosten oder aufgrund von Versand- und Zollstaus. Auch das Hochladen von Daten kann anstrengend sein. „In Kambodscha haben wir Probleme mit dem Internet und große Probleme mit Stromausfällen“, sagt Bohl. „Die ständige Angst ist also, dass ich nach einem 48-Stunden-Lauf aufwache und es keine Informationen gibt, weil der Strom mitten in der Nacht ausgefallen ist. ”

Als ich das Saha gegenüber erwähnte, sagte sie, dass solche Bedingungen kein Argument für die Beschränkung des Zugangs seien. Imam stimmt zu. „Früher musste ein Forscher seine Proben buchstäblich an ein Labor im globalen Norden schicken – in das, was ich ‚eines der beiden Cambridges‘ nenne, Boston oder England – nur um eine Frage zu einer Krankheit in seinem eigenen Land zu beantworten. ” er sagt. „Dies bedeutet also wirklich eine Veränderung in Bezug darauf, wer Zugang zu metagenomischer Technologie hat und was damit getan werden kann. ”

Ein Labortechniker bei Chan Zuckerberg Biohub, einem Forschungsinstitut in Kalifornien. Das Labor ermöglicht Ärzten weltweit, neu auftretende Krankheitserreger zu erkennen. „Das Schöne an diesem Ansatz“, sagt DeRisi, „ist, dass er sogar bei Dingen funktioniert, die wir noch nie zuvor gesehen haben.“Kredit. . .Carlos Chavarría für die New York Times

Kurz nach dem Die ersten Covid-Sperren begannen im März 2020 in den USA. DeRisi und seine Gruppe richteten Slack-Kanäle ein, um mit IDseq-Teams auf der ganzen Welt zu sprechen, von denen fast alle damit begonnen hatten, die Technologie zu verwenden, um Coronavirus-Varianten zu verfolgen, sobald sie auftauchten. In Kambodscha sequenzierte Bohls Team das Genom des Virus von einem Patienten, der kürzlich aus Wuhan zurückgekehrt war – eine der frühesten Sequenzen, die auf Gisaid, einer Open-Access-Datenbank für Krankheitsvarianten, veröffentlicht wurden. In Bangladesch taten Saha und ihre Gruppe dasselbe und entdeckten eine Sorte mit zwei unbekannten Mutationen. „Das ist eine der Schönheiten des Systems“, bemerkt DeRisi. „Es ermöglicht Ihnen, sich im Handumdrehen zu drehen. ” Zu diesem Zeitpunkt war das SARS-CoV-2-Virus, das Covid-19 verursacht, mithilfe von Elektronenmikroskopie identifiziert worden; Es bestand keine Notwendigkeit, metagenomische Sequenzierung zu verwenden, um einen mysteriösen Agenten zu finden. Aber David Patrick von der University of British Columbia, ein Spezialist für Infektionskrankheiten, sagte mir: „Was wäre, wenn das nicht funktioniert hätte? Es wäre schön gewesen, ein zusätzliches Werkzeug im Kit zu haben. ”

Als sich das Coronavirus auf der ganzen Welt ausbreitete, meldeten sich auch die Africa Centers for Disease Control and Prevention, die eine kontinentweite Pathogen Genomics Initiative (P. G. I. ) beaufsichtigen, in der Hoffnung, das IDseq-Programm auf zusätzliche Labore auf dem ganzen Kontinent auszudehnen. Tato, der Forscher, der diesen Prozess in Senegal, Äthiopien, Ägypten und Nigeria beaufsichtigte, sagt, dass die Verfolgung von Covid zwar Teil des Interesses der afrikanischen CDC war, die Expansion jedoch auch auf anhaltende Epidemien wie Gelbfieber, Ebola und Lassa-Fieber abzielte . (Insbesondere die Gelbfieber-Infektionen in Nigeria wurden immer schwerer, was die Forscher dazu veranlasste, sich zu fragen, ob sich das Virus auf eine Weise entwickelt hatte, die es virulenter machte.) Aber die ggA forderte die Länder auch auf, Metagenomik breiter einzusetzen – zum Beispiel um untersuchen die riesige Sammlung von Proben, die im Laufe der Jahre vom Institut Pasteur in Dakar gesammelt wurden, sowohl von Patienten als auch von Wildtieren und Vögeln.

Selbst als Instrument für die öffentliche Gesundheit hat IDseq das Potenzial, aufschlussreich zu sein. In Nepal, sagte mir Tato, laufen Projekte, um die Ursachen sowohl der idiopathischen pädiatrischen Enzephalitis als auch einer mysteriösen Infektion zu ermitteln, die bei Säuglingen und Kindern zur Erblindung führt und von der angenommen wird, dass sie von Motten übertragen wird. (Der von den Motten übertragene Infektionserreger – Bakterien, Pilze oder andere Toxine – ist noch unbekannt.) „Sie haben diese neue Technologie und sie laufen einfach damit“, fügt Tato hinzu. „Sie finden immer wieder neue Dinge, die sie untersuchen wollen. ”

Der Einsatz von IDseq zur Bewältigung regionaler Gesundheitsprobleme gehört dazu, sagt DeRisi. „Schauen Sie, die meisten Dinge, die die Leute mit IDseq finden, werden nie zu einer Pandemie“, fuhr er fort. „Aber das heißt nicht, dass es nutzlos ist. Wir werden noch lernen, welche Krankheitserreger es gibt, wie sie sich verändern, wenn sie gefährlicher werden. All dies macht es wahrscheinlicher, dass wir eine aufkommende Pandemie erkennen können, bevor sie abhebt. ”

Die frühzeitige Entdeckung einer ansteckenden Krankheit erleichtert die Eindämmung, aber eine weit verbreitete Probenahme bedeutet auch, dass wir weniger wahrscheinlich überrascht werden. „Bei Ebola gibt es immer ein Problem: Wo versteckt sich das Virus, bevor es ausbricht?“ DeRisi erklärt. „Aber sobald wir mit der Stichprobenziehung von Menschen beginnen, die in größerem Umfang ins Krankenhaus eingeliefert werden – das heißt nicht nur Menschen in Nordkalifornien oder Boston, sondern auch in Uganda, Sierra Leone und Indonesien – wird die Wahrscheinlichkeit katastrophaler Überraschungen sinken. Wir werden anfangen zu sehen, was versteckt ist. ”

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Jennifer Kahn ist Autorin für das Magazin und leitet das Narrative Program an der U. C. Berkeley Graduate School of Journalism. Zuletzt schrieb sie über den Einsatz von Medikamenten, um die nächste Pandemie zu verhindern.

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