感染症研究における合成DNAの重要な役割
2017年9月22日、ナイジェリアのニジェール・デルタ大学附属病院に、11歳の男児が入院しました。男児は1週間以上にわたり強い倦怠感と発熱が続き、全身には大きな皮疹が点在していました。ナイジェリアでは約40年近く報告されていなかったものの、この男児はエムポックス（旧称：サル痘）ウイルスに感染している可能性が高いと考えられました¹。
当時、アフリカにおけるエムポックスウイルスには主に2つの系統（クレード）が存在することが知られていました。比較的症状が軽い西アフリカ系統と、より重症化しやすい中央アフリカ（コンゴ盆地）系統です。これまでナイジェリアで発生していたアウトブレイクは、西アフリカ系統による小規模な散発的流行に限られており、患者の多くは小児で、人から人への感染はほとんど、あるいは全く確認されていませんでした²,³。しかし、今回拡大しつつあった流行は、これまでとは明らかに様相が異なっていました。
2017年12月までに、疑い例または確定例は約200件に達し、その多くが若年成人男性でした²。急速に増加する症例数と、従来とは異なる患者背景から、このエムポックスウイルス株は、過去にナイジェリアで確認されていたものよりも感染性が高い可能性が示唆されました³。
次世代シーケンシング技術を用いて、ナイジェリア疾病対策センター（NCDC）、米国陸軍感染症医学研究所（USAMRIID）、およびセネガル・ダカールのパスツール研究所の研究者らは、ウイルスゲノムを解析し、系統樹（フィロジェネティックマップ）を構築しました⁴。その結果、この新たなウイルス株は西アフリカ系統から進化したものであり、**人獣共通感染（動物からヒトへの感染）**によって出現した可能性が高いことが示されました。さらに、従来株とは異なり、体液を介して感染する能力を獲得しており、ヒトからヒトへの感染がはるかに起こりやすくなっていました。
流行に関する報道は、症例数の減少とともにやがて下火になりました。しかしそれから4年も経たないうちに、2017〜2018年のアウトブレイクを起源とするエムポックスウイルス株が、再び世界中の注目を集めるようになりました。こうしてエムポックスウイルスは、先行するSARS-CoV-2と同様に、世界的に知られる感染症として広く認識される存在となったのです⁵。
COVID-19パンデミックを通じて多くの人が学んだように、エムポックスのような感染症と闘うためには、多種多様な分子生物学的ツールが必要であり、その多くは合成DNAやRNAに依存しています。合成核酸は高い汎用性を持ち、病原体の同定や特性解析から治療法の開発に至るまで、幅広い用途に利用できます。Twist Bioscienceはこの分野のリーダーとして、業界をリードするDNA合成プラットフォームを活用し、感染症アウトブレイクに迅速に対応するための研究ツールを研究者に提供しています。
感染症対策における合成核酸の役割
定量リアルタイムPCR（qPCR）は、特に感染症診断において強力なツールとして確立されています。一般的に、まず患者から検体を採取しますが、その際にはウイルスが存在すると考えられる組織を対象とします（SARS-CoV-2の場合は粘液で十分ですが、エムポックスウイルスでは皮疹組織、乾燥した皮膚、または血液が必要とされます）。その後、DNAプローブを用いて特定のウイルス遺伝子を標的とし、増幅します。遺伝子がコピーされる過程で、その存在を示すシグナルも同時に増幅されるため、ごく微量のウイルスDNAやRNAであっても高感度に検出することが可能になります。
qPCRアッセイを含むあらゆる実験では、検査が実際にウイルス遺伝子を検出できることを示すために陽性対照が必要です。従来、陽性対照は標的ウイルスを含むことが分かっている患者検体から得られてきました。しかし、生きたウイルスを取り扱うことは危険であるだけでなく、すぐに時代遅れになってしまうという課題があります。SARS-CoV-2が示したように、ウイルスは急速に進化し、蓄積された変異によってPCRプローブがウイルスRNAを増幅できなくなる可能性があるからです。
こうした課題に対して、合成核酸はより安全で、かつ堅牢な選択肢となります。Twist Bioscienceは、ウイルス遺伝子を高精度に合成する技術を有しており、検査開発時の陽性対照として利用可能な合成遺伝子を提供できます。これらの対照は容易に改変・カスタマイズが可能で、迅速に合成できるため、新たなウイルス変異株が出現した場合でも、研究者は検査系を素早くアップデートすることができます。
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🦠 エムポックス（mpox）ウイルスとは？
エムポックスウイルスは、オルソポックスウイルス属に属するウイルスの一種で、1950年代に飼育下のサルから初めて発見されました。名称の由来とは異なり、エムポックス（旧称：サル痘）は主にげっ歯類に多く存在することが知られており、過去50年にわたってヒトにおける小規模な流行を繰り返してきました。
天然痘など他のオルソポックスウイルスと同様に、エムポックスに感染すると、発熱、強い倦怠感、痛みを伴う発疹などの症状が現れることが一般的です。一方で、天然痘とは異なり、致死率は比較的低いとされています。歴史的に見ても、ヒトからヒトへの感染拡大は限定的でした。しかし、2022年に複数の大陸でアウトブレイクを引き起こしたウイルス株は、皮膚と皮膚の接触や体液の共有を通じて、これまでよりも効率的に感染が広がる可能性が示されています。
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合成コントロールにおいては、配列の正確性が極めて重要です。DNAやRNA配列にわずかな誤りがあるだけでも、PCRプローブと合成コントロール鎖との結合親和性が低下し、検出シグナルが弱まる可能性があります。その結果、検査結果が無効になってしまうこともあります。このため、陽性対照は高い精度で設計・合成されていることが不可欠です。
Twist Bioscienceは、業界をリードするDNA合成プラットフォームを活用し、SARS-CoV-2の主要なウイルス株の多くに対応した合成RNAコントロールを提供してきました。同様に、近年ではエムポックスウイルス向けの合成DNAコントロールも発表しています。これらのコントロールは単一の株を標的とするのではなく、西アフリカ系統およびコンゴ盆地系統の両方に由来するウイルス株を認識できるよう設計されています。
現在、世界的に広がっているエムポックスウイルスの主要株は、予想以上に速いペースで変異を蓄積していると考えられています。このことから、今後もウイルスが急速に進化し続ける可能性が示唆されています。検査系は、こうした進化に追随するため、新たな変異に対応したプローブやコントロールを作製する、あるいは増幅対象となる新しい遺伝子を組み込む必要があります。Twistのエムポックスウイルスコントロールは、ウイルス全ゲノムの80％以上をカバーしており、さらにNGSおよびddPCRの両方によって配列検証が行われています。そのため、将来的に検査系が新たな標的遺伝子を追加した場合でも、引き続き信頼性の高いコントロール試料として利用することができます。
コントロールを超えて
Twistは合成コントロールに加えて、固定コンテンツおよびカスタム設計のターゲットエンリッチメントパネルも提供しています。これらのパネルに含まれるプローブはウイルスDNAに特異的に結合（ハイブリダイズ）し、血液や皮疹組織などの解析が難しい検体からでも、ウイルスゲノムを効率よく分離・シーケンスすることを可能にします。
このターゲットエンリッチメント手法を用いることで、研究者は関心のあるウイルス遺伝子のみにシーケンスリソースを集中させることができ、解析効率を大幅に向上させることができます。また、幅広い病原体の特定遺伝子を標的とするようにパネルを設計することも可能です。
このような広範なカバレッジを活かし、原因となる病原体が特定できていない状況でも、複数のウイルスやウイルス株を同時に検査することが可能になります。実際に、このようなパネルは、2017〜2018年のアウトブレイクを引き起こしたエムポックスウイルス株の起源を解明する研究にも用いられました⁴。
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✋ バイオセキュリティと感染症
感染性病原体由来の遺伝子を合成するには、厳格な管理体制が求められます。Twistの合成コントロール製品を購入するお客様は、関連する法規制を遵守するとともに、Twistが業界をリードして実施しているバイオセキュリティおよび顧客スクリーニングプロトコルの適用を受けます。
エムポックスウイルス由来のDNA配列は、米国外への輸出が規制対象となっているため、Twistは海外のお客様へ出荷する前に、輸出許可（エクスポートライセンス）の申請および取得を行う必要があります。合成生物学におけるバイオセキュリティの最前線で、Twist Bioscienceがどのような取り組みを行っているかについては、ぜひ詳細をご覧ください。
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現在、Twistは包括的なウイルスパネルに加え、29種類の一般的なヒト呼吸器ウイルスの参照配列を標的とした、より特化した呼吸器ウイルスパネルを提供しています。さらに、特定のウイルスや変異株を確実にカバーするために、これらのパネルへカスタムコンテンツを追加することも可能です（Twistでは、ゼロからカスタムパネルを構築するためのデザインサポートも提供しています）
私たちは、ワクチンの普及や公衆衛生対策の改善によって、SARS-CoV-2パンデミックやエムポックスウイルスのアウトブレイクが収束していくことを期待しています。しかし同時に、ウイルスの流行は今後も避けられないという現実も理解しています。アウトブレイクが発生した際には、それを迅速に特定し、被害を最小限に抑えるための最先端ツールが常に求められます。Twistは、高品質な合成DNAおよびRNAを通じて、研究者のこうした取り組みを力強く支援していくことをお約束します。
**Updated on August 19, 2024 to reflect the virus’ new naming convention, as suggested by the WHO
参考文献
- Ogoina, Dimie, et al. “The 2017 Human Monkeypox Outbreak in Nigeria—Report of Outbreak Experience and Response in the Niger Delta University Teaching Hospital, Bayelsa State, Nigeria.” PLOS ONE, vol. 14, no. 4, 17 Apr. 2019, p. e0214229, 10.1371/journal.pone.0214229.
- Yinka-Ogunleye, Adesola, et al. “Outbreak of Human Monkeypox in Nigeria in 2017–18: A Clinical and Epidemiological Report.” The Lancet Infectious Diseases, vol. 19, no. 8, 1 Aug. 2019, pp. 872–879, 10.1016/S1473-3099(19)30294-4.
- “He Discovered the Origin of the Monkeypox Outbreak — and Tried to Warn the World.” NPR.org, www.npr.org/sections/goatsandsoda/2022/07/28/1114183886/a-doctor-in-nigeria-tried-to-warn-the-world-that-monkeypox-had-become-a-global-t.
- Faye, Ousmane, et al. “Genomic Characterisation of Human Monkeypox Virus in Nigeria.” The Lancet Infectious Diseases, vol. 18, no. 3, 1 Mar. 2018, p. 246, 10.1016/S1473-3099(18)30043-4.
- Isidro, Joana, et al. “Phylogenomic Characterization and Signs of Microevolution in the 2022 Multi-Country Outbreak of Monkeypox Virus.” Nature Medicine, 24 June 2022, 10.1038/s41591-022-01907-y.
