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Genomische Überwachung: Was es ist und warum wir mehr davon brauchen, um Coronavirus-Varianten zu verfolgen und die COVID-19-Pandemie zu beenden
Genomische Überwachung: Was es ist und warum wir mehr davon brauchen, um Coronavirus-Varianten zu verfolgen und die COVID-19-Pandemie zu beenden
Anonim

„Was man nicht misst, kann man nicht reparieren“ist eine Maxime in der Geschäftswelt. Und das gilt auch für die Welt der öffentlichen Gesundheit.

Zu Beginn der Pandemie hatten die Vereinigten Staaten Mühe, die Nachfrage zu erfüllen, Menschen auf SARS-CoV-2 zu testen. Dieses Versagen bedeutete, dass die Beamten nicht die wahre Anzahl der Menschen kannten, die COVID-19 hatten. Sie mussten auf die Pandemie reagieren, ohne zu wissen, wie schnell sie sich ausbreitete und welche Interventionen die Risiken minimierten.

Jetzt stehen die USA mit einer anderen Art von Test vor einem ähnlichen Problem: der genetischen Sequenzierung. Im Gegensatz zu einem COVID-19-Test, der eine Infektion diagnostiziert, entschlüsselt die genetische Sequenzierung das Genom des SARS-CoV-2-Virus in Proben von Patienten. Die Kenntnis der Genomsequenz hilft den Forschern, zwei wichtige Dinge zu verstehen – wie das Virus in Varianten mutiert und wie es von Mensch zu Mensch wandert.

Vor der COVID-19-Pandemie war diese Art der Genomüberwachung hauptsächlich der Durchführung kleiner Studien mit antibiotikaresistenten Bakterien, der Untersuchung von Ausbrüchen und der Überwachung von Influenzastämmen vorbehalten. Als Genom-Epidemiologen und Experten für Infektionskrankheiten führen wir diese Art von Tests jeden Tag in unseren Laboren durch, um herauszufinden, wie sich das Coronavirus entwickelt und sich in der Bevölkerung bewegt.

Gerade jetzt, da immer wieder neue besorgniserregende Coronavirus-Varianten auftauchen, spielt die Genomüberwachung eine wichtige Rolle, um die Pandemie unter Kontrolle zu bringen.

Reisen und Veränderungen des Virus verfolgen

Die Genomsequenzierung beinhaltet die Entschlüsselung der Reihenfolge der Nukleotidmoleküle, die den genetischen Code eines bestimmten Virus buchstabieren. Für das Coronavirus enthält dieses Genom eine Kette von etwa 30.000 Nukleotiden. Jedes Mal, wenn sich der Virus repliziert, werden Fehler gemacht. Diese Fehler im genetischen Code werden Mutationen genannt.

Die meisten Mutationen verändern die Funktion des Virus nicht wesentlich. Andere können wichtig sein, insbesondere wenn sie lebenswichtige Elemente codieren, wie zum Beispiel das Coronavirus-Spike-Protein, das als Schlüssel zum Eindringen in menschliche Zellen dient und eine Infektion verursacht. Spike-Mutationen können beeinflussen, wie infektiös das Virus ist, wie schwer die Infektion werden kann und wie gut aktuelle Impfstoffe davor schützen.

Forscher suchen insbesondere nach Mutationen, die Virusproben von anderen unterscheiden oder mit bekannten Varianten übereinstimmen.

Wissenschaftler können die genetischen Sequenzen verwenden, um zu verfolgen, wie das Virus in der Gemeinde und in Gesundheitseinrichtungen übertragen wird. Wenn beispielsweise zwei Personen virale Sequenzen haben, die keine oder nur sehr wenige Unterschiede aufweisen, deutet dies darauf hin, dass das Virus von einem zum anderen oder von einer gemeinsamen Quelle übertragen wurde. Auf der anderen Seite, wenn es viele Unterschiede zwischen den Sequenzen gibt, haben sich diese beiden Personen das Virus nicht voneinander eingefangen.

Mit dieser Art von Informationen können Beamte des öffentlichen Gesundheitswesens Interventionen und Empfehlungen für die Öffentlichkeit maßschneidern. Genomische Überwachung kann auch im Gesundheitswesen wichtig sein. Unser Krankenhaus zum Beispiel verwendet genomische Überwachung, um Ausbrüche zu erkennen, die sonst mit herkömmlichen Methoden übersehen werden.

Überwachung kann warnen

Aber woher wissen Forscher, ob Varianten auftauchen und sich die Menschen Sorgen machen sollten?

Nehmen Sie die Variante B.1.1.7, die erstmals im Vereinigten Königreich entdeckt wurde und eine starke genomische Überwachung hat. Ermittler des öffentlichen Gesundheitswesens entdeckten, dass eine bestimmte Sequenz mit mehreren Änderungen, einschließlich des Spike-Proteins, in Großbritannien auf dem Vormarsch war. Selbst während einer nationalen Abschaltung verbreitete sich diese Version des Virus schneller als seine Vorgänger.

Die Wissenschaftler untersuchten das Genom dieser Variante weiter, um festzustellen, wie sie die Distanzierungsempfehlungen und andere Interventionen im Bereich der öffentlichen Gesundheit überwunden hat. Sie fanden bestimmte Mutationen im Spike-Protein – mit Namen wie ∆69-70 und N501Y – die es dem Virus erleichterten, menschliche Zellen zu infizieren. Vorläufige Untersuchungen deuten darauf hin, dass diese Mutationen zu einer höheren Übertragungsrate führen, was bedeutet, dass sie sich viel leichter von Mensch zu Mensch ausbreiten als frühere Stämme.

Impfstoffentwickler und andere Wissenschaftler nutzten dann diese genetischen Informationen, um zu testen, ob die neuen Varianten die Wirkung der Impfstoffe verändern. Glücklicherweise haben vorläufige Untersuchungen, die noch nicht von Experten begutachtet wurden, ergeben, dass die Variante B.1.1.7 für aktuelle Impfstoffe anfällig bleibt. Besorgniserregender sind andere Varianten wie P.1. und B.1.351, das zuerst in Brasilien bzw. Südafrika entdeckt wurde und einige von den Impfstoffen produzierte Antikörper umgehen kann.

Aufbau eines genomischen Überwachungssystems

Um besorgniserregende Varianten zu erkennen und eine Reaktion der öffentlichen Gesundheit darauf zu entwickeln, ist ein robustes genomisches Überwachungsprogramm erforderlich. Das bedeutet, dass Wissenschaftler Virusproben von etwa 5 % der Gesamtzahl der COVID-19-Patienten sequenzieren, die als repräsentativ für die am stärksten von der Krankheit gefährdeten Bevölkerungsgruppen ausgewählt wurden. Ohne diese genomischen Informationen können sich neue Varianten zügellos und unentdeckt im ganzen Land und weltweit verbreiten.

Wie schneidet die USA im Bereich der Genomüberwachung ab? Nicht sehr gut und weit hinter anderen entwickelten Ländern, die bei der Anzahl der sequenzierten SARS-CoV-2-Genome pro Fallzahl auf Platz 34 liegen. Selbst innerhalb der USA gibt es große Unterschiede zwischen den Bundesstaaten bei den pro Fallzahl sequenzierten Genomen, die von Tennessee bei 0,09% bis Wyoming bei 5,82% reichen.

Aber das soll sich ändern. Die Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten arbeiten in Zusammenarbeit mit anderen Behörden der Bundesregierung mit privaten Labors, staatlichen und lokalen öffentlichen Gesundheitslabors, Hochschulen und anderen zusammen, um die Kapazitäten zur Genomüberwachung in den USA zu erhöhen.

Das vom Weißen Haus gesetzte neue nationale Ziel von 5 % zu erreichen, ist jedoch nicht so einfach wie eine hohe Rechnung für ein Labor zur Durchführung der Tests zu bezahlen. Labore müssen die Proben sammeln, oft aus verschiedenen Quellen: öffentliche Gesundheitslabore, Krankenhäuser, Kliniken, private Testlabore. Sobald der Sequenzierungstest durchgeführt ist, verwenden Bioinformatiker fortschrittliche Programme, um wichtige Mutationen zu identifizieren. Als nächstes führen Fachleute des öffentlichen Gesundheitswesens die genomischen Daten mit den epidemiologischen Daten zusammen, um festzustellen, wie sich das Virus ausbreitet. All dies erfordert Investitionen in die Ausbildung von Mitarbeitern, die diese Aufgaben als Team ausführen.

Letztlich muss ein erfolgreiches Genom-Überwachungsprogramm schnell sein, um nützlich zu sein, und die Daten müssen sofort öffentlich zugänglich gemacht werden, um Entscheidungen von Gesundheitsbehörden und Impfstoffherstellern in Echtzeit zu treffen. Ein solches Programm ist eines der Instrumente der öffentlichen Gesundheit, das dazu beitragen wird, die aktuelle Pandemie unter Kontrolle zu bringen und die USA in die Lage zu versetzen, auf zukünftige Pandemien zu reagieren.

Alexander Sundermann, Clinical Research Coordinator & DrPH Student in Epidemiology, University of Pittsburgh; Lee Harrison, Professor für Epidemiologie, Medizin und Infektionskrankheiten und Mikrobiologie, University of Pittsburgh, und Vaughn Cooper, Gründer und Geschäftsführer von EvolvingSTEM; Professor für Mikrobiologie und Molekulargenetik, University of Pittsburgh

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