蓋茨和扎克伯格助攻Covid-19追蹤器

奎克

為傳染病孵化的實驗室

曼寧在金邊的國家過敏和傳染病研究所瘧疾和媒介研究實驗室工作，這是美國國家過敏和傳染病研究所（NIAID）與柬埔寨國家寄生蟲學(xué)、昆蟲學(xué)和瘧疾控制中心數(shù)十年合作的一部分。在過去的幾個月中，他們一直在使用新的測序儀來查明除了登革熱病毒之外，哪些細(xì)菌是柬埔寨大量發(fā)燒的原因，機(jī)器可以逐一讀出DNA字母。

IDSeq是基于云的開放式源的生物信息學(xué)流水線，用于宏基因組測序。用非科學(xué)家的話來說，它是計算機(jī)代碼包，可以對從樣本中提取的所有遺傳物質(zhì)進(jìn)行梳理。例如，一根人的血液管，或者被粘上唾液的棉簽。它會將所有那些DNA和RNA雜亂無章的碎片與已知微生物的大量數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，告訴你哪些錯誤在混合中。運行IDSeq只需要擁有一個知道如何使用的音序器和一個互聯(lián)網(wǎng)連接。

IDSeq最初是加州大學(xué)舊金山分校生物化學(xué)家約瑟夫·德里西實驗室的一項研究項目，在那里17年前，他的團(tuán)隊建立了識別導(dǎo)致SARS的冠狀病毒的技術(shù)。最近，德力西的實驗室一直在推動臨床宏基因組測序的發(fā)展，開發(fā)了有助于解開在附近醫(yī)院接受治療的患者的醫(yī)學(xué)奧秘的測試方法，包括腦侵襲性worm蟲。

2016年當(dāng)兒科醫(yī)生普莉希拉·陳和她的丈夫——Facebook創(chuàng)始人馬克·扎克伯格承諾在10年內(nèi)抗擊傳染病投入30億美元時，他們選擇了德里西共同承擔(dān)他們的第一筆投資：一個新的6億美元的研究中心，稱為Chan Zuckerberg Biohub。加入Biohub之后不久，德里西帶來了一個龐大的設(shè)計師和工程師團(tuán)隊，將他實驗室中多年拼湊而成的代碼轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂泄I(yè)實力的軟件包。在2018年10月，他們向一小群測試用戶進(jìn)行了IDSeq的軟啟動，而Facebook財富為所有這些數(shù)據(jù)計算奠定了基礎(chǔ)。

為了讓更多科學(xué)家（尤其是在資源匱乏的地方）掌握這一技術(shù)，德里西與比爾·蓋茨和梅琳達(dá)·蓋茨基金會合作。該基金會的贈款已開始將10個來自南非、孟加拉國和馬達(dá)加斯加等國家的研究人員帶到Biohub，以學(xué)習(xí)如何使用IDSeq。除了培訓(xùn)外，贈款還為每個國際團(tuán)隊配備了一個小型音序器，可以帶回他們的家庭實驗室。

宏基因組測序派上用場

柬埔寨金邊的衛(wèi)生官員檢查了從中國香港出發(fā)的游輪上乘客的體溫

曼寧獲得了其中一項贈款，以擴(kuò)大她在柬埔寨調(diào)查未診斷出的發(fā)燒的工作。去年夏季末，正值柬埔寨歷史上最嚴(yán)重的登革熱流行高峰，她與實驗室里的兩名技術(shù)人員一起飛往舊金山，在Biohub接受了為期一周的培訓(xùn)。到2019年11月，她的團(tuán)隊已啟用IDSeq，并處理柬埔寨各地現(xiàn)場醫(yī)院發(fā)燒患者的血液樣本。

2020年1月初，德里西帶領(lǐng)Biohub團(tuán)隊訪問了曼寧的實驗室，并對他們遇到的任何問題進(jìn)行了故障排除。曼寧回憶說，在旅途中他們討論了新聞報道，當(dāng)時關(guān)于醫(yī)護(hù)人員生病的報道不多，因此他們希望這種情況會很快結(jié)束，并飛回了加利福尼亞，“然后事態(tài)的發(fā)展表明一切美好的愿望都破滅了。”曼寧說。

全球衛(wèi)生專家擔(dān)心，如果這種病毒傳播到技術(shù)水平較低的南太平洋鄰國將會發(fā)生什么。當(dāng)一種新疾病出現(xiàn)時，追蹤其傳播至關(guān)重要。這意味著不僅僅是收集新案件的數(shù)量，收集有關(guān)病毒的遺傳信息可以幫助公共衛(wèi)生官員了解該病毒如何到達(dá)其國家，并采取措施減緩其發(fā)展，它還可以幫助研究人員監(jiān)控病毒中可能使診斷測試效率降低的突變。

但是在資源匱乏的環(huán)境中，阻礙識別和控制此類病毒的爆發(fā)并不順暢。以寨卡病毒為例，該病毒在巴西報告第一例之前已經(jīng)在巴西傳播了兩年。研究人員只是在很久以后才發(fā)現(xiàn)這一點，方法是將整個美洲患者的病毒基因組拼湊在一起。

因此，流行病學(xué)家有理由相信，新冠肺炎病毒可能會繼續(xù)在馬來西亞、印度尼西亞和柬埔寨等國未被發(fā)現(xiàn)的情況下傳播，這些國家的公共衛(wèi)生基礎(chǔ)設(shè)施弱于中國，而且歷來缺乏測序能力。他們擔(dān)心，一些未被診斷的感染會悄無聲息地爆發(fā)。

隨著測序儀進(jìn)入曼寧實驗室，柬埔寨現(xiàn)在可以對患者樣品進(jìn)行宏基因組測序。1月26日，巴斯德研究所的技術(shù)人員從剛從武漢趕來發(fā)燒的60歲中國男子的鼻子和咽喉拭紙中提取病毒RNA。第二天衛(wèi)生部官員宣布，這些樣本對Covid-19呈陽性反應(yīng)，成為該國首例。

病毒序列

將同步到公共數(shù)據(jù)庫

近期，曼寧的實驗室收到了幾瓶從患者拭紙中提取的RNA。她的團(tuán)隊為進(jìn)行測序做好了準(zhǔn)備，將樣品通過他們的新機(jī)器運行，并將結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸?shù)絀DSeq。然后，他們等待IDSeq的算法篩選所有遺傳密碼塊，然后將每個片斷與GenBank（所有公共可用遺傳序列的集合）進(jìn)行比較。盡管當(dāng)時中國的科學(xué)家已經(jīng)對導(dǎo)致Covid-19的新冠肺炎病毒進(jìn)行了測序，并將基因組數(shù)據(jù)保存在GenBank中，但德力西的團(tuán)隊尚未更新其軟件以搜索數(shù)據(jù)庫的最新版本，他們想讓IDSeq盲測，看看它會變成什么樣。

兩個小時后結(jié)果出現(xiàn)了，電腦屏幕一張熱圖顯示的紅色陰影（表示最多的“讀數(shù)”）是GenBank中樣品與序列之間的匹配，證明是引起SARS的冠狀病毒，幾乎相等數(shù)量的讀段映射顯現(xiàn)是蝙蝠中發(fā)現(xiàn)的冠狀病毒。曼寧說：“可以說這是一種與SARS密切相關(guān)但尚未鑒定的新型冠狀病毒?！?/p>

大約一周后，IDSeq團(tuán)隊將其索引更新為GenBank的最新版本。該數(shù)據(jù)庫現(xiàn)在有將近85000個新的添加項，其中包括從世界各地的患者那里收集的54個Covid-19致冠狀病毒序列。當(dāng)團(tuán)隊運行他們的樣本時，該軟件返回了一個明確的答案：大多數(shù)讀取完全與前幾周在武漢出現(xiàn)的病毒相匹配。

這兩個測試共同證明IDSeq可以完成DeRisi所承諾的：檢測已知病原體的傳播并作為新興病原體的預(yù)警系統(tǒng)。Biohub還發(fā)布了柬埔寨冠狀病毒案的項目頁面，向公眾提供了該軟件的信息。

“我對此感到興奮。” 德力西說，IDSeq的主要目標(biāo)是使科學(xué)家有能力在自己的國家進(jìn)行先進(jìn)的分子診斷，以解決當(dāng)?shù)貑栴}。但是第二個目標(biāo)是在資源貧乏地區(qū)擴(kuò)大宏基因組測序的能力，這樣如果確實發(fā)生了大流行，全球的科學(xué)家就可以發(fā)現(xiàn)它。

德力西認(rèn)為：“證明該技術(shù)不僅適用于擁有許多服務(wù)器的發(fā)達(dá)國家，還可以在一些臨場應(yīng)用?！笔褂肐DSeq，再加上增加樣本中病毒物質(zhì)含量的新技術(shù)，曼寧的團(tuán)隊最終得以查詢在柬埔寨出現(xiàn)的該病毒株的整個基因組。上個月，當(dāng)他們將其添加到公共數(shù)據(jù)庫中時，科學(xué)家們正在使用它來追蹤病毒的傳播和突變方式，它是來自疫情中心附近的低收入國家的唯一序列。

曼寧表示目前她的小組隨時待命，對該國公共衛(wèi)生官員確認(rèn)的其他病例進(jìn)行排序。但直到最近，柬埔寨才開始積極測試Covid-19，此前一位前往柬埔寨的日本公民在返回日本后就對該病進(jìn)行了陽性檢測。據(jù)報道他與40名柬埔寨人接觸，目前正在醫(yī)療隔離中對其進(jìn)行監(jiān)視。柬埔寨衛(wèi)生部證實，其中一名被診斷出患有Covid-19。

隨著確診病例的到來，曼寧希望向GenBank貢獻(xiàn)更多的病毒序列。她說，團(tuán)隊目前正在對一個周末確認(rèn)的病例進(jìn)行測序。這個數(shù)字化冠狀病毒庫不僅可以幫助流行病學(xué)家追蹤其傳播和演變，而且可以幫助確保在柬埔寨開發(fā)的任何潛在療法或疫苗都能有效抵抗那里傳播的毒株：“這些序列讓我們幾乎實時地看到了這種病毒的突變速度，并為制定對策提供了路線圖。”但是她的團(tuán)隊將受到新測序儀吞吐量的限制，該測序儀一次只能運行一個樣品。如果柬埔寨的案件數(shù)量激增，則積壓的案件將迅速增加。盡管如此，至少柬埔寨出現(xiàn)在了流行病監(jiān)控的地圖上，任何排序總比沒有好。