臨床サンプルにおける微生物の迅速検出のための統一メタゲノム法

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臨床サンプル中の微生物を迅速に検出する統合メタゲノミクス手法

臨床サンプル中の微生物を迅速に検出する統合メタゲノミクス手法の研究

背景紹介

本研究の背景は、現在の臨床メタゲノミクスの限界に基づいている。臨床メタゲノミクスとは、臨床サンプル中のすべての微生物のゲノムをシーケンスする方法であり、理想的にはヒトDNAを枯渇させた後に実施して感度を向上させ、ターンアラウンドタイムを短縮するものである。しかし、現在のヒトDNA枯渇方法は通常、DNAまたはRNAを含む微生物のみを優先的に保留するだけであり、両方を同時に保留することはできない。本研究は、実用的で迅速な機械的宿主枯渇方法を導入し、RNAおよびDNA微生物をナノポアシーケンシングで同時に検出できるものとするためのものである。

出典

この論文はAdela Alcolea-Medina、Christopher Alder、Luke B. Snell、Themoula Charalampousなど、多くの著者によって共同執筆されており、彼らはすべて英国ロンドンのSynnovis、Guy’s and St. Thomas’ NHS Foundation Trust、King’s College London、Quadram Institute Bioscienceなどの学術・医療機関から集まった。本論文は2024年に発表されたCommunications Medicine誌に掲載されている。

研究プロセス

研究プロセスと技術手法

研究は多段階のプロセスを採用した：

  1. 機械的にヒト細胞を破壊：1.4mmのジルコニウム-シリケート球（zirconium-silicate spheres）を用いて呼吸器サンプル中のヒト細胞を機械的に破壊。
  2. 非特異的ヌクレアーゼを使用：非特異的内切ヌクレアーゼ（nonspecific endonuclease）を用いてヒトDNAを枯渇させる。
  3. RNAを二重らせんDNAに変換：RNAを二重らせんDNA（dsDNA）に変換し、DNAおよびRNA微生物を一度にシーケンスできるようにする。

具体的なステップは以下の通り：

  • サンプルの遠心分離：1200gの遠心力で10分間遠心分離し、ヒト細胞を沈澱させる。
  • ビーズビート破壊：500μlの上澄みを2ml破壊マトリックスDにて、50オスチレーション/秒の速度で3分間ビーズビート破壊し、ヒト細胞を破壊。
  • 核酸の消化：HL-SANヌクレアーゼ10μlを加えて37°Cで10分間消化し、放出されたヒト核酸を消化。
  • 核酸の抽出：Roche社のMagNA Pure 24システムを使用してDNAとRNAを抽出。

主要な実験データと結果

この方法は異なる試験で優れた性能データを示した：

  1. ヒトDNAの減少：定量PCRで測定したところ、29個のサンプルのうちヒトDNA枯渇ステップ前後のCt値の中央値が7サイクル減少。
  2. 微生物検出性能：多種のウイルス、細菌、真菌が広範に検出され、初期レポート生成時間が非常に迅速であることを示す。
  3. 感度と特異性：細菌検出の感度は90%、特異性は100%；ウイルス検出の感度は92%、特異性は100%、2時間のシーケンシング時間後。
  4. 前向き検証：33の下気道サンプルの検証では、従来の検出結果との一致率が60%、21%のサンプルで追加の病原体が検出された。

実験は機械宿主枯渇方法をナノポアシーケンシングと組み合わせ、7時間のエンド・トゥ・エンドの作業フロー内で初期の自動化レポートを生成する実用的かつ迅速なプロセスを示し、その検出性能データは臨床応用の前景を十分に示唆している。

研究結論

本研究は迅速で統一されたメタゲノミクス検出方法を提示し、臨床検査室での応用可能性を示した。ここでの科学と応用の価値は以下を含む：

  1. 病原体の迅速な同定と特徴付け：急性感染の初期管理において、臨床サンプル中のすべての病原微生物を迅速に同定し、特徴付ける能力。
  2. 既存の方法の限界に対する解決策：異なる物理化学的性質および豊富さを持つ微生物を保留する際の効率の不足問題に対処するために、機械的宿主枯渇によりこの課題を克服。
  3. 広範な応用前景：多種の病原体を含むサンプルで優れた検出結果を示し、従来の微生物学研究室での評価および応用の可能性を示唆。

研究のハイライトと革新点

  1. 効率的な宿主DNAの減少：機械的方法により8サイクルでヒトDNAを減少させ、微生物シーケンスの検出感度を著しく向上。
  2. RNAおよびDNA微生物の統一検出：従来の方法ではRNAおよびDNA微生物の同時検出が困難であったが、新しい方法ではRNAを二重らせんDNAに変換し、検出を実現。
  3. 迅速なターンアラウンドタイム：サンプル処理から初期レポート生成までの時間はわずか7時間であり、臨床検査室の迅速なニーズに非常に適している。

他に価値のある情報

本研究は、作業フローのさらなる改善とより広範な病原体サンプルに対する検証の必要性にも言及している。しかし、現在のデータはこの方法が臨床使用可能な作業フローとなるポテンシャルを示しており、従来の微生物学研究室での評価に適している。この研究は、将来の病原体検出と管理に新たな視点と解決策を提供するものである。

この研究を通じて、臨床メタゲノミクスが急性感染初期の対処において持つポテンシャルが示され、病原体の迅速な同定と特徴付けに有力なツールとなることが期待され、診断と治療の効率改善に寄与することが示唆される。技術の進歩が続く中で、メタゲノミクスの実際の応用は新しい発展の機会を迎えるだろう。