読み物：ナイジェリアにおけるサル痘（Mpox）流行を次世代シーケンスで追跡する
米陸軍感染症医学研究所（USAMRIID）は、ダカール・パスツール研究所（IPD）、ナイジェリア疾病管理センター（NCDC）と協力し、ナイジェリアで発生したサル痘（mpox）流行の起源を突き止め、公衆衛生への影響を理解しようとしました。
現在のサル痘ウイルス流行に関心がありますか？読み物「感染症研究における合成DNAの重要な役割」もぜひご覧ください。
ナイジェリアでの発生
2017年9月20日、世界保健機関（WHO）は、ナイジェリアでサル痘（mpox）の流行が発生したことを確認しました。これは同国にとって前例のない規模であり、サル痘ウイルスにより引き起こされる稀な感染症です。サル痘は天然痘と近縁で、野生動物との接触をきっかけに人へ感染し、その後は人から人へと広がります。典型的には、皮膚に痛みを伴う発疹や膿疱を形成します。最初の報告から2か月の間に、疑い例172件、確定例61件、死亡1例が確認されました。ナイジェリアでの前回の症例は1978年であり、それ以来の発生でした。
アフリカでは、サル痘は「コンゴ盆地系統」と「西アフリカ系統」の2つに大別されます。歴史的に、西アフリカ系統による流行は、コンゴ盆地系統に比べてはるかに病原性が低いことが知られています。
遺伝子解析による起源の特定
このような背景から、米国陸軍感染症医学研究所（USAMRIID）は、セネガル・ダカールのパスツール研究所（IPD）およびナイジェリア疾病管理センターと協力し、ナイジェリアで最近発生したサル痘（mpox）の発生源を特定し、公衆衛生への影響をよりよく理解しようとしました。研究チームは、USAMRIIDとIPDに新たに整備されたゲノム解析技術を用いて、感染患者から採取した血液サンプルからウイルスのゲノムを解読しました。
しかし、血液から直接ウイルスゲノムをシーケンスするのは困難です。患者由来のDNAやRNAが大部分を占め、ウイルス配列はごくわずかで、「干し草の山から針を探す」ような作業だからです。
そこで、研究チームはターゲットエンリッチメントを用いた次世代シーケンス（NGS）を採用しました。この研究では、USAMRIIDとIlluminaが共同で設計し、Twist Bioscienceが合成したパンウイルスパネルを活用しました。このパネルは、人に感染することが知られているウイルス配列を濃縮できるもので、その成果は『The Lancet』誌に報告されています。ここでは、この研究の成果をもう少し掘り下げて紹介します。
サル痘に罹患した子どもの皮膚に見られる病変 (出典: Centers for Disease Control and Prevention)
Mpoxはどこから来たのか？
Mpox（サル痘）は、1958年にアカゲザル（サルの一種）で最初に発見されたことからその名が付けられました。しかし名前とは異なり、自然界でウイルスを維持している主な宿主は小型げっ歯類と考えられており、そこから人間や他の哺乳類へ感染が広がる「スピルオーバー」が起こります。最初のヒトでの感染例は1970年にコンゴ民主共和国で確認されました。Mpoxは、1980年に根絶されたヒトの天然痘に似た症状や致死的な経過を示すことがありますが、一般的にはそれより軽症です。ただし、天然痘ワクチンの接種が不要となったことが、人のMpox感染の増加につながっていると考えられています。このワクチンはMpoxウイルスに対しても非常に有効だったのです。
近年、Mpoxは中央アフリカで流行してきました。直近の大きな流行は2016年に中央アフリカ共和国で発生し、27例が報告されました。2009年から2014年の間には、コンゴ盆地（コンゴ共和国およびコンゴ民主共和国）でも333例が確認されています。一方、西アフリカでは40年以上流行が確認されていませんでした。これまでMpox患者は「中央アフリカ系統」または「西アフリカ系統」のいずれかのウイルスに感染していましたが、歴史的に中央アフリカ系統の方が重症化しやすいことが知られています。現在の流行以前には、西アフリカ系統による死者は報告されておらず、致死率は約1％と推定されていましたが、中央アフリカ系統では最大で20％に達していました（下図参照）。
現在の流行以前に報告されたアフリカにおけるヒトMpoxウイルスの発生状況（左）と、その致死率（右）［参考文献1–5］。地図はCreative CommonsライセンスのもとでMapchartを用いて作成し、Gravit Designerで編集しました。
Mpoxウイルスのスピルオーバー（動物から人への感染）が起こる場合、その多くは不衛生な環境や不適切な患者対応に関連しており、それによって感染が拡大してきました。しかし、ナイジェリアで最近確認された症例は異例です。発生場所は地理的に散発的で、集中的なクラスターはほとんど見られず、さらにアフリカ全体で人から人への感染に関連するのはわずか7％に過ぎません。
今回のナイジェリアでの流行は、過去のナイジェリアにおける流行と比べて有病率や重症度が高く、中央アフリカ系統のサル痘ウイルスがナイジェリアに拡散した可能性を示唆しています。ナイジェリアで流行しているMpoxの系統をより正確に理解することは、感染拡大のリスクや影響を予測する上で不可欠であり、世界の保健機関がナイジェリアを支援するための基盤となります。
ウイルスを追跡する
米国陸軍感染症医学研究所（USAMRIID）の使命は、現在および新たに出現する生物学的脅威に対して抑止・防御するための最先端の医療能力を提供することです。
1969年の設立以来、USAMRIIDはワクチン、治療薬、診断法、情報といった医療的ソリューションの研究を主導し、生物学的脅威から米国軍人を守ってきました。研究所の主な焦点は軍人の防護にありますが、その研究成果は社会全体に恩恵をもたらしています。また、USAMRIIDは世界各地で発生する新興感染症の調査においても重要な役割を果たしています。
USAMRIIDの微生物学者マイケル・ワイリー博士は、セネガルのパスツール研究所（IPD）と共同で最近の研究を調整しました。研究チームは次世代シーケンスを用いて患者サンプルを解析し、Mpoxウイルスの遺伝物質が含まれているかを調べました。ウイルスの遺伝情報が得られると、サンプル間の類似点や相違点を比較することで、既知の株との関連を見出し、流行の起源を突き止めることができます。
しかし、Mpoxウイルスの配列解析と情報抽出は容易ではありません。ワイリー博士のチームが利用できたのは患者の血液サンプルのみでした。通常、血液からウイルス配列を特定するためには次の二つの方法があります。
- DNAシーケンスやRNAシーケンス（次世代シーケンス法）：サンプル中の全核酸を網羅的に解析し、ウイルス配列を同定する。
- 特異的プライマーを用いたPCR：ウイルスDNA/RNAに特化したプライマーを使用し、遺伝物質を増幅して次世代シーケンスで高解像度に解析する。
ただし、どちらの方法にも課題があります。感染患者の血液では、ウイルス由来の遺伝物質はごくわずかで、大部分は宿主由来です。PCR法では、信頼性の高い増幅にはウイルス株に完全一致するプライマーが必要なため、感染源について事前の仮説が求められます。複数のウイルスが疑われる場合やウイルスの全ゲノムを明らかにする必要がある場合には、正確に同定するために複数のPCRアッセイが必要になります。一方、トランスクリプトーム解析ではプライマーは不要ですが、大量のシーケンスが必要となり、コストも高く解析に時間もかかります。そのため、どちらの方法も結果が出るまでに時間を要し、迅速な対応を妨げることがあります。そこでワイリー博士は、より効率的な手法を模索しました。
その解決策がターゲットエンリッチメントです。これはDNAハイブリダイゼーションプローブを用いて、混合ゲノムサンプルから特定の配列を物理的に捕捉・分離する方法です。この手法を使えば、血液のような複雑なサンプルからも、単一の実験で疾患に関する必要な情報をすべて得ることができます。
汎用(Pan-Viral)ウイルスターゲットエンリッチメントパネルの開発は、USAMRIID、イルミナ、Twist Bioscienceの共同研究として実現しました。このパネルはヒト疾患と関連するウイルス配列に相補的なプローブで構成されています。このパネルを用いることで、ウイルス配列を濃縮し、次世代シーケンスで高解像度に解析することが可能となります。これにより、わずかなコピー数でも高感度かつ確実にウイルス配列を検出できます。
このプローブセットには、RefSeqデータベースを基に収集されたMpoxを含む1,000種以上のウイルスを標的とする70万本以上のプローブが含まれています。このプローブセットを使えば、ごく微量のウイルス遺伝物質でも混合サンプルから分離・増幅が可能です。そのため、サンプルの由来や条件にかかわらず、解析対象は目的の遺伝物質に集中させることができます。
ターゲットキャプチャを行うことで、次世代シーケンス実験では重要な断片をより高精度に解析できます。
セネガルの研究者たちは、汎ウイルスターゲットエンリッチメントパネルを用いたスクリーニングにより、29件の血液サンプルのうち22件をMpox陽性と特定しました。これらの配列を既存のMpoxの遺伝情報と比較したところ、西アフリカ由来の他のMpoxウイルスと近縁であることが判明しました。これは、今回のMpox流行が中央アフリカから広がったものではなく、動物由来の「スピルオーバー事象」である可能性が高いことを強く示しています。
人獣共通感染症におけるスピルオーバーとは、本来の動物宿主から病原体がヒトへ飛び火する現象を指します。スピルオーバーは複数の要因によって起こります。
- 動物宿主内でのウイルスの潜伏・増殖によって、ヒトでも生存可能となる変異が蓄積する。
- 宿主からの病原体放出の増加、またはウイルスを持つ動物との接触機会が増えることで、感染のリスクが高まる。
- インフラの未整備や衛生環境、医療アクセスの不足により、動物との接触が増えたり、ワクチンによる集団免疫の効果が弱まったりして、感染が起こりやすくなる。
ターゲットキャプチャの利点について問われた際、ワイリー博士は次のように述べています。
「生物学的サンプルでウイルスを検出する際、感度は大きな課題です。汎用ウイルスターゲットエンリッチメントパネルのようなアプローチがなければ、この実験はもっと長い時間と多くの反復、さらには膨大なリソースを必要としたでしょう。」
汎ウイルスパネルを活用することで、セネガルの研究者たちは血液サンプルを高精度にスクリーニングし、ナイジェリアで発生したMpox流行の遺伝的特徴と起源について迅速に解答を得ることができました。今後、このパネルは新興ウイルス感染症の追跡をより簡便にし、患者サンプルの感度の高い効率的なスクリーニングを可能にすることで、世界規模での感染症流行の影響を軽減するための準備や意思決定を支援できると期待されています。
Twist Bioscienceがどのようにターゲットエンリッチメント実験を支援しているか、詳しくはこちらの読み物をご覧ください。
参考文献
- Faye, O., Pratt, C.B., Faye, M., Fall, G., Chitty, J.A., et al., 2018. Genomic characterisation of human Monkeypox virus in Nigeria. The Lancet Infectious Diseases 18, 246. https://doi.org/10.1016/S1473-3099(18)30043-4
- Brown, K., Leggat, P.A., 2016. Human Monkeypox: Current State of Knowledge and Implications for the Future. Tropical Medicine and Infectious Disease 1, 8. https://doi.org/10.3390/tropicalmed1010008
- Osadebe, L., Hughes, C.M., Lushima, R.S., Kabamba, J., Nguete, B., et al., 2017. Enhancing case definitions for surveillance of human Monkeypox in the Democratic Republic of Congo. PLOS Neglected Tropical Diseases 11, e0005857. https://doi.org/10.1371/journal.pntd.0005857
- Reynolds, M.G., Damon, I.K., 2012. Outbreaks of human Monkeypox after cessation of smallpox vaccination. Trends in Microbiology 20, 80–87. https://doi.org/10.1016/j.tim.2011.12.001
- The Center for Food Security and Public Health, 2013. Monkeypox Technical Factsheet. http://www.cfsph.iastate.edu/Factsheets/pdfs/monkeypox.pdf (Accessed Mar 25, 2018).
