COVID-19の変異株を監視するための廃水検査
wastewater testing は COVID-19 ウイルスとその変化を特定するのに役立つ。
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SARS-CoV-2、つまりCOVID-19を引き起こすウイルスは、感染した人の排泄物の中にいるんだ。便や尿に含まれてるし、腸や腎臓にも感染するから、科学者たちは廃水の中からウイルスの遺伝物質を見つけることができるようになった。廃水の検査はCOVID-19の広がりを監視するための重要なツールになってるんだぜ。たまに、廃水検査では通常の鼻のスワブ検査では見つからないウイルスの形が現れることがあるんだ。これらの形は「クリプティック(隠れた)」系統と呼ばれていて、以前のウイルスとはかなり違っていて、オミクロン株に似た変化を示してるんだ。
オミクロン株は、2021年11月に南アフリカで初めて発見されたんだけど、特有の特徴があって、スパイクタンパク質に多くの特定の変化があるんだ。これが、2020年に現れた以前の株とは違うところだね。面白いことに、研究者たちは2021年5月にはニューヨークの廃水の中にオミクロンに関連する特定の変異の兆候を見つけてたんだ。他にもミズーリやカリフォルニアなどのサンプルでも同じような珍しい系統が見つかってるよ。
このユニークなウイルスの形の起源について、2つの主な考え方がある。一つは、ウイルスのこれらの形は人間だけでなく動物も広げてるかもしれないっていうこと。特に、シカや養殖のミンクみたいな特定の動物はSARS-CoV-2に感染することがあるんだ。それらの動物が下水道に用を足したら、そのウイルスが廃水に混ざることになるかもしれない。つまり、科学者たちがまだ特定できていないクリプティック系統の動物由来の可能性があるってこと。
もう一つの考え方は、COVID-19にかかっている人の中には明確な感染の兆候が見えない人もいるかもしれないってこと。こういう人たちは腸や腎臓にウイルスを持っているかもしれなくて、それが廃水に放出されることもあるんだ。免疫システムが弱ってる人は、持続的な感染が起こりやすいからね。体内に長期間ウイルスが存在することで、一般の人々には見られない変異が生じるかもしれない。ほとんどの遺伝物質は人間の排泄物から来てるから、この説明は理にかなってるよ。
廃水サンプルの検査方法
廃水の検査にはいくつかのステップがあるんだ。ウィスコンシン州とミズーリ州の研究者たちが協力して作業したプロセスの一つでは、ウィスコンシンはウイルスの量を測定し、全ゲノムをシーケンスすることに注力し、ミズーリはウイルスの遺伝物質の特定の領域を見てたんだ。採取したサンプルには、SARS-CoV-2の量を測定するためにコントロールウイルスを加えるって方法が取られたよ。
サンプルを集めた後、科学者たちは特別な技術を使ってウイルスを濃縮し、RNAを取り出したんだ。これが廃水の中にどれだけウイルスがいるかを測定するために探してるRNAだよ。
異なるウイルス株を特定するために、科学者たちはネステッドRT-PCRっていう特別な方法を使った。この方法で、オミクロンとは関係ないウイルスの形に焦点を当てることができたんだ。その後、サンプルは先進の技術でシーケンスされ、ウイルスが時間とともにどう変化しているかを追跡することができたんだ。
ウィスコンシン系統の発見
2022年1月、研究者たちはウィスコンシン州の処理施設の廃水からユニークなウイルス系統を見つけた。彼らはこの系統がどこから来ているのかを探すために、下水道の異なる部分からサンプルをテストし始めたんだ。最終的に、特定のビジネスにサービスを提供しているエリアにまで追跡することができたよ。
研究者たちは、このエリアの廃水中のSARS-CoV-2のレベルが信じられないほど高いことに気づいた。たった1リットルの廃水に何百万ものウイルスコピーが含まれているのを測定したんだ。それでも、サンプルから生きたウイルスを何度も試みても増殖できなかったんだ。
高いレベルの遺伝物質を使って、科学者たちは完全なウイルスのゲノムをシーケンスすることができた。この系統は、ひとりの持続的な感染者によって、廃水の中に残っていた可能性が高いんだ。
変異とバリエーション
ウイルスのゲノムの変化は、ウイルスが人間の細胞に侵入するのを助けるスパイクタンパク質で最も目立っていた。ウィスコンシン系統には多くの顕著な変異があったよ。シーケンシングによると、これらの変化のいくつかは、後に人々の間で広がったオミクロン株に見られたものだったんだ。
興味深いことに、特定の変異がウィスコンシン系統で他の既知の変異株が世界中で循環する数ヶ月前に現れたんだ。例えば、ウィスコンシン系統で見つかった特定の変化は、最終的に著名なオミクロン株に出てきたんだ。
ウイルスのゲノムの特定の変異は、膜タンパク質をコードする部分に見つかった15ヌクレオチドの挿入だった。このウイルスの特徴は、ウイルスを標的とする抗体と相互作用する重要な部分なんだ。異常な変異が存在することは、ウイルスが免疫システムと相互作用する中で適応している可能性を示唆しているよ。
これらの発見が意味すること
証拠から、廃水の中のクリプティック系統は、おそらく動物ではなく人間の感染から来ている可能性が高いってわかる。これは、SARS-CoV-2を持った人がいる場所には様々なウイルスの形が存在することを示してる。こうした系統は、人口の中でのさらなる感染のリスクをもたらすかもしれない。
廃水バリアントの高い変異数は、オミクロン株の初期段階で観察されたパターンに似ているんだ。過去の変異株と同様に、これらのクリプティック系統は持続的な感染を持つ個人から出現した可能性がある。
廃水を頻繁にテストすることで、これらのユニークな系統のさらなる例を見つけることができるかもしれない。研究者たちが廃水を監視し続けることで、オミクロンに関連する新しい変異株を見つけるかもしれないよ。
結論
全体として、廃水の監視はSARS-CoV-2の広がりを追跡する上で重要な役割を果たしているんだ。クリプティック系統を特定することで、科学者たちはウイルスの進化について貴重な洞察を得ることができる。廃水研究から得られた情報は、COVID-19がどのように変化し適応し続けるかを理解するのに重要なんだ。これらの知識は、公衆衛生の対策や今後のワクチンや治療法の開発に役立つかもしれないよ。パンデミックが進化する中で、廃水監視はSARS-CoV-2やその変異株の管理と理解において重要なツールであり続けるだろうね。
タイトル: Human origin ascertained for SARS-CoV-2 Omicron-like spike sequences detected in wastewater: a targeted surveillance study of a cryptic lineage in an urban sewershed
概要: BackgroundThe origin of novel SARS-CoV-2 spike sequences found in wastewater, without corresponding detection in clinical specimens, remains unclear. We sought to determine the origin of one such "cryptic" wastewater lineage by tracking and characterizing its persistence and genomic evolution over time. MethodsWe first detected a cryptic lineage in Wisconsin municipal wastewater in January 2022. By systematically sampling wastewater from targeted sub-sewershed lines and maintenance holes using compositing autosamplers, we traced this lineage (labeled WI-CL-001) to its source at a single commercial building. There we detected WI-CL-001 at concentrations as high as 2.7 x 109 genome copies per liter (gc/L) via RT-dPCR. In addition to using metagenomic 12s rRNA sequencing to determine the viruss host species, we also sequenced SARS-CoV-2 spike receptor binding domains (RBDs), and where possible, whole viral genomes to identify and characterize the evolution of this lineage over the 13 consecutive months that it was detectable. FindingsThe vast majority of 12s rRNAs sequenced from wastewater leaving the identified source building were human. Additionally, we generated over 100 viral RBD and whole genome sequences from wastewater samples containing the cryptic lineage collected between January 2022 and January 2023. These sequences contained a combination of fixed nucleotide substitutions characteristic of Pango lineage B.1.234, which circulated in humans in Wisconsin at low levels from October 2020 to February 2021. Despite this, mutations in the spike gene, and elsewhere, resembled those subsequently found in Omicron variants. InterpretationWe propose that prolonged detection of WI-CL-001 in wastewater represents persistent shedding of SARS-CoV-2 from a single human initially infected by an ancestral B.1.234 virus. The accumulation of convergent "Omicron-like" mutations in WI-CL-001s ancestral B.1.234 genome likely reflects persistent infection and extensive within-host evolution. FundingThe Rockefeller Foundation, Wisconsin Department of Health Services, Centers for Disease Control and Prevention (CDC), National Institute on Drug Abuse (NIDA), and the Center for Research on Influenza Pathogenesis and Transmission. Research in contextO_ST_ABSEvidence before this studyC_ST_ABSTo identify other studies that characterized unusual wastewater-specific SARS-CoV-2 lineages, we conducted a PubMed search using the keywords "cryptic SARS-CoV-2 lineages" or "novel SARS-CoV-2 lineages" in addition to "wastewater" on May 9, 2023. From the 18 papers retrieved, only two reported wastewater-specific cryptic lineages. These lineages were identified by members of our author team in wastewater from California, Missouri, and New York City. None of these could be definitively traced to a specific source. A third study in Nevada identified a unique recombinant variant (designated Pango lineage XL) in wastewater, which was also discovered in two clinical specimens from the same community. However, it was unclear whether the clinical specimens collected were from the same individual(s) responsible for the virus detected in the wastewater. To our knowledge, no prior study has successfully traced novel SARS-CoV-2 lineages detected in wastewater back to a specific location. How and where cryptic lineages are introduced into wastewater is not known. The added value of this studyThis study documents the presence and likely source of a novel and highly divergent cryptic SARS-CoV-2 lineage detected in Wisconsin wastewater for 13 months. In contrast to previously reported cryptic lineages, we successfully traced the lineage (WI-CL-001) to a single commercial building with approximately 30 employees. The exceptionally high viral RNA concentrations at the source building facilitated the tracing effort and allowed for the sequencing of WI-CL-001s whole genome, expanding our view of the lineages mutational landscape beyond the spike gene. Implications of all the available evidenceWI-CL-001s persistence in wastewater, its heavily mutated Omicron-like genotype, and its identified point source at a human-occupied commercial building all support the hypothesis that cryptic wastewater lineages can arise from persistently infected humans. Because cryptic wastewater lineages have some amino acid changes that subsequently emerge in circulating viruses, increased global monitoring of such lineages could help forecast variants that may arise in the future.
著者: Marc Johnson, M. M. Shafer, M. J. Bobholz, W. C. Vuyk, D. A. Gregory, A. Roguet, L. A. Haddock Soto, C. Rushford, K. H. Janssen, I. E. Emmen, H. J. Ries, H. E. Pilch, P. A. Mullen, R. B. Fahney, W. Wei, M. Lambert, J. Wenzel, P. Halfmann, Y. Kawaoka, N. A. Wilson, T. C. Friedrich, I. W. Pray, R. Westergaard, D. H. O'Connor
最終更新: 2023-09-22 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.10.28.22281553
ソースPDF: https://www.medrxiv.org/content/10.1101/2022.10.28.22281553.full.pdf
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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