このプロトコルは、廃水および空気サンプル中の SARS-CoV-2 RNA を定量化して、廃水ベースの疫学研究に使用し、屋内および屋外のエアロゾル中の SARS-CoV-2 への曝露リスクを評価することを目的としています。このプロトコルでは、SARS-CoV-2の全ゲノム特性評価のためのタイルアンプリコンロングテンプレートシーケンシングアプローチについても説明します。
方法論記事
このプロトコルは、廃水および空気サンプル中の SARS-CoV-2 RNA を定量化して、廃水ベースの疫学研究に使用し、屋内および屋外のエアロゾル中の SARS-CoV-2 への曝露リスクを評価することを目的としています。このプロトコルでは、SARS-CoV-2の全ゲノム特性評価のためのタイルアンプリコンロングテンプレートシーケンシングアプローチについても説明します。
廃水ベースの疫学は、多くの国でSARS-CoV-2やその他の感染症の有望で効果的なサーベイランスシステムとして浮上しています。このプロセスは、典型的には、廃水濃縮、核酸抽出、選択されたゲノムセグメントの増幅、ならびに増幅されたゲノムセグメントの検出および定量を含む。この手法は、空気サンプル中のSARS-CoV-2などの感染性病原体を検出して定量するためにも同様に活用できます。当初、SARS-CoV-2は、主に感染者が話すとき、くしゃみをするとき、咳をするとき、歌うとき、呼吸するときに発生する飛沫との密接な接触によって広がると推定されていました。しかし、医療施設の空気中にSARS-CoV-2 RNAが存在することを報告する研究が増えており、空気感染がウイルスの実行可能な経路として確立されています。この研究は、廃水と空気サンプルの両方からのウイルスの環境検出、定量化、および配列決定を容易にするために確立されたプロトコルの複合体を示しています。
2019年12月、これまで知られていなかったコロナウイルスであるSARS-CoV-2によって引き起こされるCOVID-19と呼ばれる新しい病気が出現しました1。その結果、世界的なパンデミックは、世界中の臨床および公衆衛生研究所に大きな課題をもたらしており、多くの個人がコミュニティでのウイルス感染と有病率を正確に評価するための検査を必要としています。しかし、多くの地域では、必要なレベルのテストをタイムリーかつ空間的に包括的な方法で達成することは、経済的に実現不可能です2,3。個々の臨床診断に基づく現在のサーベイランスシステムは、症状の重症度と個々の報告、およびこれらの症状が集団で循環している既存の疾患とどの程度重複しているかに大きく依存しています4,5,6,7,8,9,10。その結果、無症候性の症例数が多いことは、疾病負荷の著しい過小評価に寄与している7,11。
これらの課題により、COVID-19サーベイランスのための廃水ベースの疫学(WBE)が補完的なサーベイランス戦略として提案されました。WBEは2001年に初めて記述され12、当初はコカインやその他の違法薬物を追跡するために使用されていた13。このアプローチは、廃水中で安定し、人間によって排泄される物質の初期濃度を計算できるという仮定に依存しています8,12。WBEは、SARS-CoV-2 3,8,14,15,16の補完的かつ効率的なサーベイランスシステムとして、多くの国で導入に成功しています。水生環境でヒトウイルスを検出する方法の大部分は、濃縮、核酸抽出、選択したゲノムセグメントの増幅、および増幅されたゲノムセグメントの検出/定量3のステップに従います。
SARS-CoV-2の検出と定量のためのもう一つの重要な環境は、空気サンプル中です。当初、SARS-CoV-2は、主に感染者が発話、くしゃみ、咳、歌、呼吸中に発生するエアロゾルからの呼吸器飛沫との密接な個人的接触によって感染すると考えられていました17。しかし、いくつかの研究により、空気中、特に医療施設やその他の閉鎖された空間でのSARS-CoV-2 RNAの存在が報告され始めました18,19,20,21。SARS-CoV-2の生存率の証拠は、ウイルス濃度が十分に高かったときに、病院やその他の閉鎖空間の屋内で採取された空気サンプルで発見されました22,23,2 4。屋外での研究では、混雑した屋外スペースを除いて、一般的にSARS-CoV-2の証拠は見つかりませんでした21、25、26、27、28、29。現在のところ、SARS-CoV-2の空気感染は感染経路として認識されています30,31。最近のレビュー研究では、混雑した場所以外では空気感染のリスクが最小限に抑えられる屋外と、強い感染源(感染者数)が存在する可能性のある換気の悪い環境でより大きなリスクが存在する可能性のある屋内との違いが示されています。最近の包括的なレビュー研究では、屋外環境と屋内環境、特に換気の悪い混雑した場所での空気感染のリスクの大きな違いが強調されています。この研究は、ウイルス粒子の希釈と分散に利用できる空気の量が多い屋外環境では、空気感染のリスクが最小限に抑えられることを示している32。これらの知見は、COVID-19に関連する公衆衛生政策やガイドラインにとって重要な意味を持つ。屋内と屋外の感染リスクの大きな違いを認識することで、政策立案者はウイルスの蔓延を緩和し、公衆衛生を保護するためのより効果的な戦略を策定することができます。
さまざまな環境サンプルからのSARS-CoV-2の検出、定量、およびシーケンシングには、さまざまな方法とプロトコルがあります。この分析法の記事は、さまざまな能力レベルのラボが廃水および空気サンプルからのウイルスの環境検出、定量、およびシーケンシングを実行できるようにする、確立されたプロトコルの組み合わせを提示することを目的としています。
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ここで説明するすべてのメソッドは他の場所で公開されており、元のメソッドから少し変更されています。
1.廃水の収集とサンプルの前処理
注:環境サンプル中のSARS-CoV-2 RNAの濃度が低いため、検出を成功させるには濃縮ステップの実施が重要です33,34,35。ここで説明するのは、廃水中のSARS-CoV-2を検出するための最初の報告された方法です36。
2. リアルタイム定量ポリメラーゼ連鎖反応(RT-qPCR)によるSARS-CoV-2 RNAの定量
注:以下のプロトコルは、CDC 2019-Novel Coronavirus (2019-nCoV) RT-PCR 診断パネル37 に準拠しています。プライマー/プローブミックスをいくつかのアリコートに分けて、凍結と融解のサイクルを回避します。
× 1003. 廃水におけるシーケンシングバリアントとデータ解析
注:記載されているプロトコルは、Quickらによって作成された修正プロトコルです39,40。PCRタイリング法によるSARS-CoV-2ゲノム増幅には、ARTICプライマーとVarSkipプライマーの2セットのプライマーを使用します。プライマーの組み合わせは、最良のゲノムカバレッジを保証し、1つのタイプのプライマーが失敗する原因となる新しい突然変異の可能性を最小限に抑えるために使用されます。一般に、プロトコルは逆転写(RT)とアンプリコン生成、配列ライブラリ調製、配列決定とデータ解析の3つの部分に分かれています。
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表 3 にまとめた結果は、本稿で説明した方法を用いた廃水および空気サンプル中の SARS-CoV-2 RNA の検出および定量の例を示しています。廃水サンプルはスペインとスロベニアの廃水処理施設から収集され、3 回の反復のうち少なくとも 2 回で Ct が 40 未満の場合は陽性と見なされ、Ct の変動が 5% 未満の場合は定量が有効と見なされました。スペインとポルトガルでは、屋内と屋外の空気サンプルが収集され、同じルールが適用されました。この研究の目的はSARS-CoV-2 RNAの検出であり、定量化ではなかったため、廃水サンプルのトリプリケートではなく、空気サンプルに重複が使用されました。さらに、RT-qPCRの実行は、(このプロトコルで説明されているように)使用したすべてのコントロールが期待どおりに動作し、メンゴウイルスRNAコントロールで有意な逸脱が観察されなかった場合にのみ有効と見なされました。これらのサンプルでは、メンゴウイルスの回収効率は13.7%から19.7%の間で変化しました。抽出した RNA を 10 倍および 100 倍に希釈し、得られた RT-qPCR の結果を比較し、市販のキッ...
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(RT-)qPCR法を用いた微生物およびウイルスの検出および定量は、その優れた感度により広く受け入れられています。しかし、これらの手法は、環境サンプルを分析する際に多くの課題に直面します。廃水サンプルには、測定値を歪めたり、誤解を招く結果を生成したりする可能性のある阻害物質が豊富に含まれています。これらの制限に取り組み、精度を高めるために、複雑なプロトコルが考案、設計、実装されました。このプロトコルは、科学文献のプロトコルを組み合わせて調整され、プロセスの各段階で一連の厳格な管理を組み込むことにより、qPCR法に固有の制限に特化して対処します。これらの厳格な品質管理手段を統合することにより、このプロトコルは、複雑な環境サンプル中のqPCRベースの検出および定量法が直面する課題に対する堅牢なソリューションを提供します51,52。ネガティブコントロール(NCI)およびノンテンプレートコントロール(NTC)は、RNA抽出およびRT-qPCR反応中のコンタミネーションの可能性を評価するために不可欠なツールです。さらに、メンゴウイ...
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著者は、競合する経済的利害関係やその他の利益相反を持っていません。
この作業は、カスティーリャ・イ・レオン州政府とFEDERプログラム(プロジェクトCLU 2017-09、UIC315、VA266P20)からの資金援助を受けて実施されました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アダプター+A25+A2:D19+A2:D20+A2+A2:D19 | オックスフォードナノポア | EXP-AMII001 | シーケンシング |
| AllPrep PowerViral DNA/RNAキット | Qiagen | 28000-50 | RNA抽出キット |
| AMPure XP | ベックマン・コールター | A63880 | PCR精製、NGSクリーンアップ、PCRクリーンアップ |
| ARTIC SARS-CoV-2 アンプリコンパネル | IDT | 10011442 | SARS-CoV-2ゲノム増幅 |
| Blunt/TA Ligase Master Mix | NEB | M0367S | ライブラリー調製 |
| CENTRICON PLUS70 10KDA。 | フィッシャーサイエンティフィック | 10296062 | 濃度フィルター |
| コリオリコンパクトエアサンプ | ラーBertin Technologies | 083-DU001 | エアサンプラー |
| デュラン ラボ用ボトル | メルク | Z305200-10EA | サンプリングボトル |
| フローセル (R9.4.1) | オックスフォード ナノポア | FLO-MIN106D | シーケンシング |
| 一般ラボラバロティ消耗品 (チューブ、qPCR プレートなど) | |||
| ライゲーション シーケンシング キット | オックスフォード ナノポア | SQK-LSK109 | シーケンシング |
| LunaScript RT SuperMix キット | NEB | E3010 | cDNA合成 |
| メンゴウイルス抽出制御キット | Biomérieux | KMG | 濃度制御 |
| Nalgene 一般長期保存 極低温チューブ | サーモフィッシャー | 5011-0012 | サンプル保存 |
| ネイティブバーコード拡張 1-12 (PCRフリー | オックスフォード ナノポア | EXP-NBD104 | バーコード |
| NEBNext Ultra II エンドリペア/dAテールモジュール | NEB | E7595 | DNAリペア |
| NEBNext VarSkip ショート SARS-CoV-2 プライマーミックス | NEB | E7658 | SARS-CoV-2 ゲノム増幅 |
| NEB次へ Quick Ligation Reaction Buffer | NEB | B6058S | シーケンシング |
| リン酸緩衝生理食塩水 | メルク | P4474 | 収集緩衝液 |
| リン酸緩衝生理食塩水(PBS、1X)、滅菌ろ過済み | サーモフィ | ッシャーJ61196。空気 | サンプルのAP溶出 |
| Q5 ホットスタートハイフィデリティ 2X マスターミックス | NEB | M0494S | ホットスタート DNA ポリメラーゼ |
| Qubit RNA HS アッセイキット | サーモフィッシャー | Q32852 | RNA 定量 |
| SARS-CoV-2 RUO qPCR プライマー &プローブキット | IDT | 10006713 | プライマー-プローブミックスおよびqPCRポジティブコントロール |
| TaqPath 1-Step RT-qPCR マスターミックス | Thermofisher | A15299 | RT-qPCRキット |
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