Биотехнологии в геномном эпидемиологическом надзоре. Состояние и перспективы развития

Актуальность. В 2021 г. Всемирная ассамблея здравоохранения призвала государства-члены ВОЗ усилить роль геномного эпидемиологического надзора.
Цель. Представить революционный спектр технологического инструментария, определяющего успешность геномномного эпидемиологического надзора
Результаты и обсуждение. К числу подходов, способных вывести на новый технологический уровень геномный эпидемиологический надзор, относятся быстрые методы амплификации нуклеиновых кислот, в том числе методы изотермической амплификации, метагеномный и таргетный анализ с применением технологий высокопроизводительного секвенирования, система направленного редактирования генома, а также диагностические решения на ее основе, развитие баз данных геномных последовательностей. Кроме того, необходимо отметить важность разработки и внедрения комплексного подхода к реализации системы геномного эпидемиологического надзора с учетом стремительного развития ряда смежных с эпидемиологией фундаментальных биологических наук, а также широкое применение информационных технологий в обработке больших массивов данных.
Заключение. Общемировые тренды уверенно демонстрируют сокращение времени перехода технологии от научной разработки до широкого практического применения, необходимого для защиты населения в условиях эпидемического распространения инфекций, вызываемых не известными ранее возбудителями. Для своевременного прогноза и оперативного реагирования на биологические угрозы и обеспечения санитарно-эпидемиологического благополучия в Российской Федерации успешно применяется триада технологий: геномный эпидемиологический надзор, мобильные технологии и аналитика больших данных. Авторы рассматривают биотехнологические направления и технологии, совершенствование которых позволит обеспечить технологическое лидерство Российской Федерации в области геномного эпиднадзора.

1. Акимкин В. Г., Семененко Т. А., Хафизов К. Ф. и др. Стратегия геномного эпидемиологического надзора. Проблемы и перспективы. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2024. Т. 101, №2. C. 163–172. https://doi.org/10.36233/0372-9311-507.

2. Carter L.L., et al. Global genomic surveillance strategy for pathogens with pandemic and epidemic potential 2022–2032. Bull. World Health Organ. 2022. Vol. 100, № 4. P. 239–239A. https://doi.org/10.2471/BLT.22.288220.

3. Роспотребнадзор. Доступно на: https://rospotrebnadzor.ru/about/info/news/news_details.php?ELEMENT_ID=26987 (дата обращения 11.07.2024).

4. Arora N, Chaudhary A, Prasad A. Editorial: Methods and applications in molecular diagnostics. Front Mol Biosci. 2023;10(July):1–3. https://doi.org/10.3389/fmolb.2023.1239005

5. Liu Q, Jin X, Cheng J, et al. Advances in the application of molecular diagnostic techniques for the detection of infectious disease pathogens (Review).. Mol Med Rep. 2023;27(5):1–14. https://doi.org/10.3892/mmr.2023.12991

6. Alamri AM, Alkhilaiwi FA, Ullah Khan N. Era of Molecular Diagnostics Techniques before and after the COVID-19 Pandemic.. Curr Issues Mol Biol. 2022;44(10):4769–4789. https://doi.org/10.3390/cimb44100325

7. Garg N, Ahmad FJ, Kar S. Recent advances in loop-mediated isothermal amplification (LAMP) for rapid and efficient detection of pathogens.. Curr Res Microb Sci. 2022;3:100120. https://doi.org/10.1016/j.crmicr.2022.100120

8. Mori Y, Notomi T. Loop-mediated isothermal amplification (LAMP): Expansion of its practical application as a tool to achieve universal health coverage.. J Infect Chemother. 2020;26(1):13–17. https://doi.org/10.1016/j.jiac.2019.07.020

9. Cao Y, Kim H-J, Li Y, et al. Helicase-Dependent Amplification of Nucleic Acids.. Curr Protoc Mol Biol. 2013;104(1):15.11.1–15.11.12. https://doi.org/10.1002/0471142727.mb1511s104

10. Jeong Y-J, Park K, Kim D-E. Isothermal DNA amplification in vitro: the helicase-dependent amplification system.. Cell Mol Life Sci. 2009;66(20):3325–3336. https://doi.org/10.1007/s00018-009-0094-3

11. Li J, Macdonald J, Von Stetten F. Review: a comprehensive summary of a decade development of the recombinase polymerase amplification.. Analyst. 2019;144(1):31–67. https://doi.org/10.1039/c8an01621f

12. Tan M, Liao C, Liang L, et al. Recent advances in recombinase polymerase amplification: Principle, advantages, disadvantages and applications.. Front Cell Infect Microbiol. 2022;12(November):1–13. https://doi.org/10.3389/fcimb.2022.1019071

13. Das D, Lin CW, Chuang HS. LAMP-Based Point-of-Care Biosensors for Rapid Pathogen Detection.. Biosensors. 2022;12(12):1–39. https://doi.org/10.3390/bios12121068

14. Zarei M. Advances in point-of-care technologies for molecular diagnostics.. Biosens Bioelectron. 2017;98:494–506. https://doi.org/10.1016/j.bios.2017.07.024

15. Hoornstra D, Stukolova OA, Karan LS, et al. Development and Validation of a Protein Array for Detection of Antibodies against the Tick-Borne Pathogen Borrelia miyamotoi.. Microbiol Spectr. 2022;10(6). https://doi.org/10.1128/spectrum.02036-22

16. Li HY, Jia WN, Li XY, et al. Advances in Detection of Infectious Agents by Aptamer-based Technologies. Emerg Microbes Infect. Published online 2020:1–38. https://doi.org/10.1080/22221751.2020.1792352

17. Замотаева Т. Л, Шеметова А. Ф., Черкашина А. С. и др. Лиофилизация ферментов для полимеразной цепной реакции. Биотехнология. 2023;39(4):50–54. https://doi.org/10.56304/S0234275823040105

18. Пика М. И., Михеева О. О., Соловьева Е. Д. и др. Получение Bst-полимеразы для диагностики различных инфекций методом петлевой изотермической амплификации. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. - 2023. - Т. 100. - №3. - C. 210–218. https://doi.org/10.36233/0372-9311-364

19. Tyumentseva M, Tyumentsev A, Akimkin V. CRISPR/Cas9 Landscape: Current State and Future Perspectives. Int J Mol Sci. 2023;24(22). https://doi.org/10.3390/ijms242216077

20. Gootenberg JS, Abudayyeh OO, Lee JW, et al. Nucleic acid detection with CRISPR-Cas13a/C2c2.. Science. 2017;356(6336):438–442. https://doi.org/10.1126/science.aam9321

21. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В. Г. Система CRISPR-Cas12 для выявления РНК вируса гепатита С генотипов 1b и 3a в ультранизких концентрациях.: Патент РФ № 2800421. Бюл. № 21 от 21.07.2023. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2800421C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

22. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В. Г. Система CRISPR-Cas12 для выявления ДНК вируса гепатита B в ультранизких концентрациях.: Патент РФ № 2782700. Бюл. № 31 от 01.11.2022. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2782700C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

23. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Акимкин В.Г. Система CRISPR-Cas для выявления ДНК вируса Джона Каннингема (JCPyV) в ультранизких концентрациях.: Патент РФ № 2747820. Бюл. № 2 от 14.05.2021. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2747820C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

24. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В. Г. Система CRISPR-Cas12 для выявления РНК вируса SARS-CoV-2 в ультранизких концентрациях.: Патент РФ № 2764023. Бюл. № 2 от 12.01.2022. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2764023C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

25. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В. Г. Система CRISPR-Cas14 для выявления РНК вируса SARS-CoV-2 в ультранизких концентрациях.: Патент РФ № 2764020. Бюл. № 2 от 12.01.2022. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2764020C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

26. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В.Г. Система CRISPR-Cas12 для выявления РНК вируса иммунодефицита человека (ВИЧ-1) в ультранизких концентрациях.: Патент РФ №2802783. Бюл. № 25 от 01.09.2023. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2802783C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

27. Акимкин В. Г., Тюменцев А. И., Тюменцева М. А. Система CRISPR-Cas для детекции провирусной ДНК вируса иммунодефицита человека, интегрированной в геном человека, в ультранизких концентрациях.: Патент РФ № 2720768. Бюл. № 14 от 13.05.2020. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2720768C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

28. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В. Г. Система CRISPR-Cas12 для выявления гена exoU, кодирующего экзотоксин системы секреции третьего типа, Pseudomonas aeruginosa, в ультранизких концентрациях. Патент РФ №2791879. Бюл. № 8 от 14.03.2023. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2791879C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

29. Тюменцев А. И., Тюменцева М. А., Преловская А. Н., Акимкин В.Г. Система CRISPR-Cas12 для выявления гена антибиотикоустойчивости mecA Staphylococcus aureus в ультранизких концентрациях.: Патент РФ №2782314. Бюл. № 30 от 25.10.2022. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2782314C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

30. Акимкин В. Г., Тюменцев А. И., Тюменцева М. А. Система CRISPR-Cas для выявления гена антибиотикоустойчивости blaVIM-2 (металло-бета-лактамаза класс B VIM-2) Pseudomonas aeruginosa в ультранизких концентрациях.: Патент РФ №2743861. Бюл. № 7 от 01.03.2021. Доступно на: https://patents.google.com/patent/RU2743861C1/ru. Ссылка активна на 02 августа 2024.

31. Corley MJ, Dye C, D’Antoni ML, et al. Comparative DNA Methylation Profiling Reveals an Immunoepigenetic Signature of HIV-related Cognitive Impairment. Sci Rep. 2016;6(January):1–13. https://doi.org/10.1038/srep33310

32. Yousif M, Rachida S, Taukobong S, et al. SARS-CoV-2 genomic surveillance in wastewater as a model for monitoring evolution of endemic viruses. Nat Commun. 2023;14(1). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41369-5

33. Ladner JT, Sahl JW. Towards a post-pandemic future for global pathogen genome sequencing. PLOS Biol. 2023;21(8):e3002225. https://doi.org/10.1371/journal.pbio.3002225

34. Hoffmann SA, Diggans J, Densmore D, et al. Safety by design: Biosafety and biosecurity in the age of synthetic genomics. iScience. 2023;26(3):106165. https://doi.org/10.1016/j.isci.2023.106165

35. Orekhov SN, Yavorsky AN. Biological Threats and Biological Safety. Cour Kutafin Moscow State Law Univ. 2020;(5):60–73. https://doi.org/10.17803/2311-5998.2020.69.5.060-073

36. Bibby K. Metagenomic identification of viral pathogens. Trends Biotechnol. 2013;31(5):275–279. https://doi.org/10.1016/j.tibtech.2013.01.016

37. Munang’andu HM, Mugimba KK, Byarugaba DK, et al. Current advances on virus discovery and diagnostic role of viral metagenomics in aquatic organisms. Front Microbiol. 2017;8(MAR):1–11. https://doi.org/10.3389/fmicb.2017.00406

38. Ayginin AA, Pimkina E V., Matsvay AD, et al. The Study of Viral RNA Diversity in Bird Samples Using De Novo Designed Multiplex Genus-Specific Primer Panels. Adv Virol. 2018;2018. https://doi.org/10.1155/2018/3248285

39. Wylie KM, Wylie TN, Buller R, et al.. Detection of viruses in clinical samples by use of metagenomic sequencing and targeted sequence capture. J Clin Microbiol. 2018;56(12). https://doi.org/10.1128/JCM.01123-18

40. Kattoor JJ, Mlalazi-Oyinloye M, Nemser SM, et al. Development of a Targeted NGS Assay for the Detection of Respiratory Pathogens including SARS-CoV-2 in Felines. Pathogens. 2024;13(4):1–10. https://doi.org/10.3390/pathogens13040335

41. Agudelo-Pérez S, Fernández-Sarmiento J, Rivera León D, et al. Metagenomics by next-generation sequencing (mNGS) in the etiological characterization of neonatal and pediatric sepsis: A systematic review. Front Pediatr. 2023;11(March):1–15. https://doi.org/10.3389/fped.2023.1011723

42. Deng X, Achari A, Federman S, et al. Metagenomic sequencing with spiked primer enrichment for viral diagnostics and genomic surveillance. Nat Microbiol. 2020;5(3):443– 454. https://doi.org/10.1038/s41564-019-0637-9

43. Gwinn M, MacCannell D, Armstrong GL. Next-Generation Sequencing of Infectious Pathogens. JAMA. 2019;321(9):893–894. https://doi.org/10.1001/jama.2018.21669

44. Bird BH, Mazet JAK. Detection of Emerging Zoonotic Pathogens: An Integrated One Health Approach. Annu Rev Anim Biosci. 2018;6:121–139. https://doi.org/10.1146/annurev-animal-030117-014628

45. Oeschger TM, McCloskey DS, Buchmann RM, et al. Early Warning Diagnostics for Emerging Infectious Diseases in Developing into Late-Stage Pandemics. Acc Chem Res. 2021;54(19):3656–3666. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00383

46. Vashisht V, Vashisht A, Mondal AK, et al. Genomics for Emerging Pathogen Identification and Monitoring: Prospects and Obstacles. BioMedInformatics. 2023;3(4):1145–1177. https://doi.org/10.3390/biomedinformatics3040069

47. Evann E. Hilt and Patricia Ferrieri. Next Generation and Other Sequencing Technologies in Diagnostic Microbiology and Infectious Diseases. Genes (Basel). 2022;13:1566. https://doi.org/10.3390/genes13091566

48. Li N, Cai Q, Miao Q, et al. High-Throughput Metagenomics for Identification of Pathogens in the Clinical Settings. Small Methods. 2021;5(1):1–27. https://doi.org/10.1002/smtd.202000792

49. Han S-Y. Clinical value of metagenomic next-generation sequencing in complicated infectious diseases. Zhongguo Dang Dai Er Ke Za Zhi. 2022;24(2):210–215. https://doi.org/10.7499/j.issn.1008-8830.2110064

50. Cummings LA, Kurosawa K, Hoogestraat DR, et al. Clinical next generation sequencing outperforms standard microbiological culture for characterizing polymicrobial samples. Clin Chem. 2016;62(11):1465–1473. https://doi.org/10.1373/clinchem.2016.258806

51. Chiang AD, Dekker JP. From the pipeline to the bedside: Advances and challenges in clinical metagenomics. J Infect Dis. 2020;221(3):S331–S340. https://doi.org/10.1093/infdis/jiz151

52. Vital JS, Tanoeiro L, Lopes-Oliveira R, et al. Biomarker Characterization and Prediction of Virulence and Antibiotic Resistance from Helicobacter pylori Next Generation Sequencing Data. Biomolecules. 2022;12(5). https://doi.org/10.3390/biom12050691

53. Chiu CY, Miller SA. Clinical metagenomics. Nat Rev Genet. 2019;20(6):341–355. https://doi.org/10.1038/s41576-019-0113-7

54. Ditri ELZ and JW. Clinical Metagenomic Next-Generation Sequencing for Pathogen Detection. Annu Rev Pathol. 2019;14:319–338. https://doi.org/10.1146/annurev-pathmechdis-012418-012751

55. Esman A, Dubodelov D, Khafizov K, et al. Development and Application of Real-Time PCR-Based Screening for Identification of Omicron SARS-CoV-2 Variant Sublineages. Genes (Basel). 2023;14(6):1218. https://doi.org/https://doi.org/10.3390/genes14061218

56. Акимкин В. Г., Попова А. Ю., Хафизов К. Ф. и др. COVID-19: эволюция пандемии в России. Сообщение II: динамика циркуляции геновариантов вируса SARS-CoV-2. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. - 2022. - Т. 99. - №4. - C. 381–396. https://doi.org/10.36233/0372-9311-295

57. Akimkin V. et al. COVID-19 Epidemic Process and Evolution of SARS-CoV-2 Genetic Variants in the Russian Federation. Microbiol. Res. (Pavia). 2024. Vol. 15, № 1. P. 213–224. https://doi.org/10.3390/microbiolres15010015

58. Maljkovic Berry I, Melendrez MC, Bishop-Lilly KA, et al. Next Generation Sequencing and Bioinformatics Methodologies for Infectious Disease Research and Public Health: Approaches, Applications, and Considerations for Development of Laboratory Capacity. J Infect Dis. 2020;221(Suppl 3):S292–S307. https://doi.org/10.1093/infdis/jiz286

59. Hill V, Ruis C, Bajaj S, et al. Progress and challenges in virus genomic epidemiology. Trends Parasitol. 2021;37(12):1038–1049. https://doi.org/10.1016/j.pt.2021.08.007

60. Tang P, Croxen MA, Hasan MR, et al. Infection control in the new age of genomic epidemiology. Am J Infect Control. 2017;45(2):170–179. https://doi.org/10.1016/j.ajic.2016.05.015

61. Knyazev S, Hughes L, Skums P, et al. Epidemiological data analysis of viral quasispecies in the next-generation sequencing era. Brief Bioinform. 2021;22(1):96–108. https://doi.org/10.1093/bib/bbaa101

62. Medhasi S, Chantratita N. Human Leukocyte Antigen (HLA) System: Genetics and Association with Bacterial and Viral Infections. J Immunol Res. 2022;2022. https://doi.org/10.1155/2022/9710376

63. Трошина ЕА, Юкина МЮ, Нуралиева НФ, и др. Роль генов системы HLA: от аутоиммунных заболеваний до Covid-19. Проблемы Эндокринологии. 2020;66(4):9–15. https://doi.org/10.14341/probl12470.

64. Zunec R. A review of HLA and COVID-19 association studies. Mol Exp Biol Med. 2020;3(2):25–30. https://doi.org/10.33602/mebm.3.2.3

65. Jandaghi A, Samiei A, Khaghanzadeh N. Human Leukocyte Antigen as a Predictor of COVID-19 Severity. Published online 1401.

66. Poland GA, Ovsyannikova IG, Jacobson RM. Personalized vaccines: The emerging field of vaccinomics. Expert Opin Biol Ther. 2008;8(11):1659–1667. https://doi.org/10.1517/14712598.8.11.1659

67. Al-Eitan LN, ElMotasem MFM, Khair IY, et al. Vaccinomics: Paving the Way for Personalized Immunization. Curr Pharm Des. 2024;30(13):1031–1047. https://doi.org/10.2174/0113816128280417231204085137

68. Акимкин В. Г., Зверев В. В., Кирпичников М. П. и др. Биобезопасность: эпидемиологические, клеточные, генетические и эпигенетические аспекты.. Вестник РАН. 2024. Vol. 94 (3). P. 286–297. https://doi.org/10.31857/S0869587324030127.