微生物基因组学, 社区

俄亥俄州立大学利用尘埃追踪COVID-19病毒

大学实验室对真空袋中的尘埃进行测序,以了解SARS-CoV-2和其他病毒的变异及病毒载量

俄亥俄州立大学利用尘埃追踪COVID-19病毒
Seth Faith(左前),俄亥俄州立大学微生物组科学中心执行主任兼传染病研究所战略联盟官;Jeff Jahnes,前诊断实验室总主管;Mandy Williams,测序实验室协调员。
2022年10月17日

当COVID-19疫情暴发时,俄亥俄州首府哥伦布市七叶树(Buckeye)之乡——俄亥俄州立大学的大部分场所都关闭了。但其传染病研究所 (IDI) 内的应用微生物服务实验室(ASML)仍在运营。

Seth Faith是微生物组科学中心的执行主任兼IDI的战略联盟官,同时负责监督实验室,他说道:“俄亥俄州立大学的学生们都非常了不起。他们中的许多人都渴望知识,满怀激情。我们实验室至少有一名员工在中国武汉有家人,而他们已经两年没有见过家人了。他们希望成为抗击疫情的一份子。”

在接下来两年左右的时间里,AMSL分次雇用了88名实验室工作人员,他们针对COVID-19进行了超过850,000次PCR诊断测试,平均周转时间为8.75小时。

与此同时,俄亥俄州立大学的Karen Dannemiller教授正致力于研究家庭和工作场所等建筑环境中的有毒化学物质。她还在研究可能导致过敏或以其他方式影响人类健康的微生物。

2020年秋天,Dannemiller和她的团队进入了学校的隔离室,COVID-19检测呈阳性的学生会在那里隔离7-10天。他们进入隔离室执行了一项研究方案,想要看看能否在建筑环境中发现冠状病毒。最终,Dannemiller和她的团队通过PCR检测发现,在清洁这些房间的地毯时进行采样的真空袋中冠状病毒载量最高。

我们可以进入任何房间,任何建筑物,任何楼层,并了解具体情况。

收集尘埃
Faith解释道,一个人呼出的呼吸道病毒颗粒将散落在周围空间中,而不一定会进入HVAC系统:“生物材料带有电荷,会发生积聚,这就形成了灰尘。病毒会混在其中,而我们可以用实验室技术检测它。”他联系了Dannemiller,并建议她将实验方案投入使用。“我们优化了她的方案,让方案更灵敏、更高效、更精简,并找到了一种有助于报告数据的方法。”

他们每周都会从选定的校园建筑物的不同楼层采集尘埃样品并进行PCR检测,以观察病毒水平的相对升降情况。但Faith想让检测更加深入。他建议应获取病毒序列信息,不仅要了解病毒载量的水平,还要了解校园中存在的病毒变异。因此,他的基因组学团队针对环境样本修改了他们用于NextSeq2000的现有COVIDSeq方案,并从尘埃中获得了完全解析的SARS-CoV-2全基因组信息。果然,当学生群体中奥密克戎变体的水平上升时,他们发现尘埃中也出现了同样的情况。

“以图书馆这样十四层楼高的建筑为例,”Faith解释道,“您认为哪个区域的病毒水平最高?大多数人都会猜大厅。但我们的数据显示并非如此。大厅实际上是病毒载量水平较低的区域之一,而人们长时间停留且很可能未佩戴口罩的地方病毒载量水平最高。”他们现在的大量数据是在学校要求众人佩戴口罩的情况下获得的,这些数据表明,那些在学习区域未佩戴口罩,甚至进食的学生更有可能将病毒带入环境中,从而被实验室检测到。

俄亥俄州立大学已经批准了资金,用于在2023年夏季之前每周从选定地点采样并进行实验室处理。“这为我们提供了极大的帮助,因为目前所有的人员测试都是无偿的。我们缺失了大量数据。我们从每天测试近10,000人到每天测试10人,所以我们不知道校园里的分布情况。而卫生监测正在填补这一空白。”

Faith非常高兴能够通过有针对性的非侵入性方法获得序列信息。由于他们正在使用的是废弃物,他还与废水监测进行了类比。“吸尘袋只是被扔进了垃圾桶内。现在,我们已经找到了一种方法来收集这些垃圾,并从收集的垃圾中为人们提供公共卫生数据。”

Faith还计划将流感检测添加至他们的项目中。2021年,Dannemiller获得了NIH资助,用于在哥伦布小学开展冠状病毒和流感检测。

在其他项目中,AMSL最近获得了70万美元的资助,用于继续对来自60多家污水处理厂和10所俄亥俄州大学的废水样本进行测序,并将数据提交至国家废水监测系统。

俄亥俄州立大学学生Austin Shamblin与全职技术人员、俄亥俄州立大学校友Noah Kayafas;两人共同领导了尘埃项目。

将数据用于公共卫生和造福人类
“每次疫情爆发,我们都需要某种基因组学技术来应对它,”Faith说,“病原体诊断的整个未来都是以测序为基础的。”他设想在未来,机场或餐馆都将使用尘埃监测来确保公共卫生安全。

与此同时,Faith非常乐于培养他的学生,帮助他们为未来以及AMSL提供的机会做好准备。“我熟悉的学生都没有使用价值50万美元的仪器或处理TB级数据集的经验。”他计划专注于帮助学生获得生物信息学技能。“因美纳让每个人都能进行测序。第一步是实验室方面——任何人都可以从NextSeq获取数据。但现在我们希望学生们能够对大型数据集进行分析和报告。

“自从俄亥俄州立大学作为一所工程和贸易学校建校以来,已经用了150年的时间来弄清楚如何在俄亥俄州的工业领域中培养人才。福特和本田都有很大的影响力,我们的工程学院在为这些学生寻找与汽车行业互动和解决问题的机会方面做得非常出色。但现在,生物技术正在蓬勃发展。我觉得生物学正在经历它的‘工程’时刻。”

工程师不能告诉你的事情之一是:胡佛吸尘器中是否存在病毒,或者戴森中是否有德尔塔变异株。

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