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DNA-Metagenomanalysen klinischer Proben von mit dem Monkeypox-Virus infizierten Personen

In einer aktuellen Studie, die im veröffentlicht wurde bioRxiv* Server analysierten Forscher Genomsequenzen des Monkeypox-Virus (MPXV), die von 18 Patienten erhalten wurden, die sich zwischen Juni und Juli 2022 eine MPXV-Infektion zugezogen hatten.

Studie: Die Sequenzierung des Monkeypox-Virus infizierter Patienten zeigt virale Genome mit APOBEC3-ähnlicher Bearbeitung, Geninaktivierung und bakteriellen Erregern der Haut-Superinfektion.  Bildquelle: Kateryna Kon/Shutterstock
Studie: Die Sequenzierung des Monkeypox-Virus infizierter Patienten zeigt virale Genome mit APOBEC3-ähnlicher Bearbeitung, Geninaktivierung und bakteriellen Erregern der Hautsuperinfektion. Bildquelle: Kateryna Kon/Shutterstock

*Wichtiger Hinweis: bioRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die nicht von Experten begutachtet werden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, als Leitfaden für die klinische Praxis/gesundheitsbezogenes Verhalten dienen oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.

Hintergrund

MPXV hat ein doppelsträngiges Desoxyribonukleinsäure (DNA)-Genom und gehört zur Familie der Poxviridae-Viren und zur Gattung Orthopoxviren. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) hat drei Virusgruppen mit den Namen eins bis drei erkannt, die Viren umfassen, die beim Ausbruch 2017–2018 (Nigeria) entstanden sind, und solche, die am aktuellen länderübergreifenden Ausbruch 2022 beteiligt waren.

Bis 2022 sind alle aus Afrika südlich der Sahara importierten humanen MPXV-Infektionen sporadisch in nichtendemischen Ländern aufgetreten. Frühere phylogenetische Studien auf der Grundlage von MPXV-Genomen, die 2022 in Portugal und Frankreich veröffentlicht wurden, ergaben, dass diese Viren zur Gruppe III gehören und wahrscheinlich einen einzigen Ursprung haben. Auch die epidemiologischen und klinischen Merkmale der aktuellen Epidemie deuten darauf hin, dass sie sexuell übertragen wird.

Darüber hinaus umfassen diese Viren eine Abstammungslinie namens B.1, die zwischen November 2021 und Mai 2022 in Europa aufgetaucht ist. Die B.1-Abstammungslinie wich von ihrer angestammten A.1-Abstammungslinie um etwa 50 Nukleotidsubstitutionen ab, fast zehnmal mehr als erwartet.

Über die Studie

In der vorliegenden Studie verwendeten die Forscher Illumina- und Nanopore-Genomsequenzierungstechnologien (NGS) der nächsten Generation, um DNA-Metagenomanalysen klinischer Proben von MPXV-infizierten Personen durchzuführen. Sie erhielten MPXV-Genome aus genitalen Hautläsionen und rektalen Abstrichen von 18 MPXV-infizierten Patienten.

Die Forscher erwogen NGS für klinische Proben mit einem Zyklusschwellenwert (CT) der quantitativen Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion (qRT-PCR) ≤25. Als nächstes führten sie metagenomische Analysen aller NGS-Läufe durch. Darüber hinaus kartierten sie rohe NGS-Reads gegen die MPXV-Genom-GenBank-Zugangsnummer. ON563414.3, ein 197.205 Basenpaare langes Genom von MPXV, das im Mai 2022 aus einer Patientenprobe in Massachusetts, USA, entnommen wurde. Das Nextclade-Tool v1.6.0 verwendet diese Genomproben als B.1-Referenzgenom.

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Für phylogenetische Analysen bezog das Team MPXV-Genome, die bis zum 22. August 2022 in der Datenbank „Global Initiative on Sharing All Influenza Data“ (GISAID) hinterlegt waren. Sie identifizierten Mutationen, die denen der vorliegenden Studie gemeinsam sind. Die Genom-GenBank-Zugangsnummern 412 NC_063383 und ON563414 wurden hinzugefügt, um den phylogenetischen Baum zu verwurzeln. Die Nationale Agentur für die Sicherheit von Arzneimitteln und Gesundheitsprodukten (ANSM) hat die NGS von MPXV-Genomen genehmigt.

Studienergebnisse

Die Forscher testeten zwischen Mai und Juli 2022 307 Patienten mittels Echtzeit-qPCR anhand von Hautläsionen sowie Stuhl- und Nasopharynxproben auf das Vorhandensein von MPXV. Genauer gesagt erhielten sie 11 Proben von Hautläsionen, darunter fünf am Penis, sechs am Rektum und eine am Nasopharynx.

Die mittlere Anzahl der rohen NSG-Reads, die auf der Genom-GenBank-Zugangsnummer abgebildet sind. ON563414.3 betrug 44.615 pro Probe, mit einer mittleren Sequenzierungstiefe und einer mittleren Genomabdeckung von 48 ± 41 Lesevorgängen bzw. 98,0 ± 2,8 %. Das Team stellte fest, dass alle 18 MPXV-Genome, die in der vorliegenden Studie gewonnen wurden, zur B.1-Linie der Gruppe III gemäß WHO-Klassifizierung gehörten, wobei zwei zur B.1.1-Sublinie gehörten. Im Vergleich zum Referenz-MPXV-Genom ON563414.3 waren sechs der 18 Genome genetisch identisch, während 12 mindestens eine Mutation aufwiesen und die mittlere Nukleotididentität zwischen diesen Genomen laut paarweisen Vergleichsberechnungen 99,8 ± 0,2 % betrug. Diese 18 Genome wiesen im Vergleich zu ON563414.3 im Mittel 3,3 ± 2,2 Mutationen auf.

Von den insgesamt 36 verschiedenen Mutationen, die in mindestens einem der 18 Genomen vorhanden waren, waren 22 nicht-synonym, während 14 synonym waren. Die 22 nicht-synonymen Mutationen waren in 20 Genen verschachtelt, die entlang des MPXV-Genoms verstreut waren. Diese 20 Gene kodierten –

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i) zwei Ribonukleinsäure (RNA)-Polymerase-Untereinheiten;

ii) zwei frühe Transkriptionsfaktor-Untereinheiten und ein intermediärer und ein später Transkriptionsfaktor;

iii) ein Phospholipase D-ähnliches Protein; Und

iv) vier Ankyrin-Repeat-haltige Proteine.

Mit anderen Worten: Diese nicht-synonymen Mutationen führten zu Aminosäureveränderungen in viralen Proteinen, die für die Replikation und Morphogenese von Virionen sowie für Virus-Wirt-Interaktionen entscheidend sind. Zukünftige Studien sollten den Einfluss dieser Mutationen auf die Funktion dieser Proteine ​​und den MPXV-Replikationszyklus weiter untersuchen.

Eine weitere wichtige Beobachtung war eine höhere Mutationsrate als aufgrund einer früheren Bewertung für Orthopoxviren erwartet, was darauf hindeutet, dass MPXV seine Entwicklung beschleunigen könnte. Den Autoren zufolge könnte eine höhere Anzahl von Mutationen zwischen 66 und 73 Aminosäuren in den MPXV-Genomen im Vergleich zum NC_063383.1-Genom, das aus 304 im August 2018 in Nigeria gesammelten menschlichen Proben gewonnen wurde, auf die Wirkung der Apolipoprotein-B-mRNA-Editierung zurückzuführen sein Familie der katalytischen Polypeptid-ähnlichen Enzyme (APOBEC3).

Interessanterweise entdeckten die Forscher auch NGS-Reads, die Sequenzen von S. aureus und S. pyogenes in den meisten MPX-Virus-positiven klinischen Proben von Hautläsionen identifizierten. Diese beiden Bakterien verursachen bei MPXV-Fällen Superinfektionen; Es sind jedoch weitere Daten erforderlich, um die Prävalenz dieser beiden Bakterien im Zusammenhang mit MPX-Virusläsionen festzustellen.

Die WHO empfiehlt lediglich, Hautläsionen streng auf Superinfektionen im Zusammenhang mit Cellulitis oder Abszessen zu überwachen. Außerdem empfehlen sie eine Superinfektionsbehandlung mit Antibiotika, die gegen Methicillin-empfindliche S. aureus und S. pyogenes wirksam sind. Ebenso empfehlen die US-amerikanischen Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten (CDC) eine Antibiotikabehandlung für Menschen mit sekundären bakteriellen Hautinfektionen. Dennoch haben bakterielle Superinfektionen in Hautläsionen beim MPXV-Ausbruch im Jahr 2022 zu erheblicher Morbidität geführt. Daher ist in solchen Fällen eine engmaschige Überwachung für eine rechtzeitige Antibiotikagabe erforderlich.

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Schlussfolgerungen

Die Studie unterstreicht die Notwendigkeit einer genauen Überwachung mehrerer Aspekte der genetischen Evolution und der Mutationsmuster von MPXV-Kladen, die mit dem Ausbruch im Jahr 2022 in nicht-endemischen Ländern entstanden sind und sich weltweit verbreitet haben. Beispielsweise sollten Studien die Rolle von Genverlusten bei der Übertragbarkeit und Replikation von MPXV und die von APOBEC3-Enzymen bei der in MPXV-Genomen beobachteten erhöhten Mutationsrate untersuchen.

Insbesondere verändert sich die Expression und Desaminaseaktivität der APOBEC3-Enzyme bei verschiedenen Infektionen und Krebsarten. Am wichtigsten ist, dass neben der Sequenzierung und Charakterisierung von MPXV-Genomen auch bakterielle Erreger von Hautsuperinfektionen nachgewiesen werden müssen.

*Wichtiger Hinweis: bioRxiv veröffentlicht vorläufige wissenschaftliche Berichte, die nicht von Experten begutachtet werden und daher nicht als schlüssig angesehen werden sollten, als Leitfaden für die klinische Praxis/gesundheitsbezogenes Verhalten dienen oder als etablierte Informationen behandelt werden sollten.

Referenz:


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