鼻の宿主反応に基づく未診断の呼吸器ウイルスのスクリーニング：病原体の監視と検出の研究

Nasal host response-based screening for undiagnosed respiratory viruses: a pathogen surveillance and detection study.

抄録

背景:

一般的なウイルスが陰性である症候性患者は、未認識または新興の病原体の重要な供給源となり得るが、任意のサンプルから病原体が見つかる可能性が低いため、すべてのサンプルのメタゲノム配列解析は非効率的である。我々は、鼻咽頭CXCL10スクリーニングを、未診断のウイルスを含むサンプルを濃縮するための戦略として使用できるかどうかを確認することを目的とした。

BACKGROUND: Symptomatic patients who test negative for common viruses are an important possible source of unrecognised or emerging pathogens, but metagenomic sequencing of all samples is inefficient because of the low likelihood of finding a pathogen in any given sample. We aimed to determine whether nasopharyngeal CXCL10 screening could be used as a strategy to enrich for samples containing undiagnosed viruses.

方法:

この病原体監視・検出研究では、Yale New Haven病院臨床ウイルス研究所（米国コネチカット州ニューヘブン）で検査された、Yale New Haven医療システムの患者の鼻咽頭スワブからCXCL10濃度を測定しました。2017 年 1 月 23 日～29 日、または 2020 年 3 月 3 日～14 日の間にマルチプレックス PCR を用いて呼吸器系ウイルスのパネル検査で陰性であった患者を対象とした。宿主および病原体のRNA配列決定（RNA-Seq）およびCXCL10が1 ng/mLより高いサンプルまたはCXCL10検査とSARS-CoV-2の定量RT-PCR（RT-qPCR）のウイルスリードの解析を実施した。RNA-Seqとサイトカインプロファイリングを用いて、ウイルス陽性（ライノウイルス、季節性コロナウイルスCoV-NL63、またはSARS-CoV-2）とウイルス陰性（コントロール）のサンプルの感染に対する宿主応答を比較した。

METHODS: In this pathogen surveillance and detection study, we measured CXCL10 concentrations from nasopharyngeal swabs from patients in the Yale New Haven health-care system, which had been tested at the Yale New Haven Hospital Clinical Virology Laboratory (New Haven, CT, USA). Patients who tested negative for a panel of respiratory viruses using multiplex PCR during Jan 23-29, 2017, or March 3-14, 2020, were included. We performed host and pathogen RNA sequencing (RNA-Seq) and analysis for viral reads on samples with CXCL10 higher than 1 ng/mL or CXCL10 testing and quantitative RT-PCR (RT-qPCR) for SARS-CoV-2. We used RNA-Seq and cytokine profiling to compare the host response to infection in samples that were virus positive (rhinovirus, seasonal coronavirus CoV-NL63, or SARS-CoV-2) and virus negative (controls).

調査結果:

2017年1月23日～29日の間に、359検体がマルチプレックスPCR呼吸器ウイルスパネル（RVP）の10種類のウイルスについて検査された。251（70％）がRVP陰性であった。251検体中60検体（24%）でCXCL10が150pg/mLより高く、さらなる解析のために特定された。60検体のうち28検体（47％）が季節性コロナウイルス陽性であった。251検体中223検体（89％）が15種類のウイルスに対してPCRで陰性であり，このうちCXCL10ベースのスクリーニングで32検体（13％）がさらなる解析の対象となった．これらの32サンプルのうち、CXCL10濃度が1 ng/mLより高く、十分なRNAを持つ8サンプル（25%）がRNA-Seq用に選択された。微生物RNA分析により、1つのサンプルでC型インフルエンザウイルスの存在が示され、8つのサンプルのうち4つ（50%）で細菌性病原体からのRNAリードが明らかになりました。2020年3月3日から3月14日の間に、641サンプル中375（59％）がRVPで15種類のウイルスに対して陰性と判定されました。375検体中32検体（9％）のCXCL10濃度は100pg/mLから1000pg/mLで、そのうち4検体はSARS-CoV-2陽性であった。CXCL10の上昇は統計学的に有意であり、SARS-CoV-2陽性4検体すべてに対してSARS-CoV-2陰性375検体の28（8%）で識別性が認められた（p=4-4×10）。トランスクリプトームシグネチャーは、ウイルス陽性検体ではインターフェロン反応、細菌性病原体を多く含む検体では好中球の多い炎症性シグネチャーを追加して示した。臨床で使用可能なマイクロ流体ベースの自動免疫測定法を用いたウイルス検出のためのCXCL10カットオフは、最適な感度で166-5 pg/mL、特異性で1091-0 pg/mLであった。

FINDINGS: During Jan 23-29, 2017, 359 samples were tested for ten viruses on the multiplex PCR respiratory virus panel (RVP). 251 (70%) were RVP negative. 60 (24%) of 251 samples had CXCL10 higher than 150 pg/mL and were identified for further analysis. 28 (47%) of 60 CXCL10-high samples were positive for seasonal coronaviruses. 223 (89%) of 251 samples were PCR negative for 15 viruses and, of these, CXCL10-based screening identified 32 (13%) samples for further analysis. Of these 32 samples, eight (25%) with CXCL10 concentrations higher than 1 ng/mL and sufficient RNA were selected for RNA-Seq. Microbial RNA analysis showed the presence of influenza C virus in one sample and revealed RNA reads from bacterial pathobionts in four (50%) of eight samples. Between March 3 and March 14, 2020, 375 (59%) of 641 samples tested negative for 15 viruses on the RVP. 32 (9%) of 375 samples had CXCL10 concentrations ranging from 100 pg/mL to 1000 pg/mL and four of those were positive for SARS-CoV-2. CXCL10 elevation was statistically significant, and a distinguishing feature was found in 28 (8%) of 375 SARS-CoV-2-negative samples versus all four SARS-CoV-2-positive samples (p=4·4 × 10). Transcriptomic signatures showed an interferon response in virus-positive samples and an additional neutrophil-high hyperinflammatory signature in samples with high amounts of bacterial pathobionts. The CXCL10 cutoff for detecting a virus was 166·5 pg/mL for optimal sensitivity and 1091·0 pg/mL for specificity using a clinic-ready automated microfluidics-based immunoassay.

解釈:

これらの結果は、CXCL10がウイルス性呼吸器感染症の強固な鼻咽頭バイオマーカーであることを確認し、臨床サンプルを病原体の発見と監視活動に組み込むための実用的なアプローチとして、CXCL10の高いサンプルのメタゲノム配列決定に続く宿主反応に基づくスクリーニングを支持するものです。

INTERPRETATION: These results confirm CXCL10 as a robust nasopharyngeal biomarker of viral respiratory infection and support host response-based screening followed by metagenomic sequencing of CXCL10-high samples as a practical approach to incorporate clinical samples into pathogen discovery and surveillance efforts.

資金提供:

National Institutes of Health、Hartwell Foundation、Gruber Foundation、Mercatus CenterからのCOVID-19研究のためのFast Grants、およびHuffman Family Donor Advised Fund。

FUNDING: National Institutes of Health, the Hartwell Foundation, the Gruber Foundation, Fast Grants for COVID-19 research from the Mercatus Center, and the Huffman Family Donor Advised Fund.