利用DNA合成开发快速应对新兴和流行病病原体

文摘

鉴于当今世界的相互联系的性质,新兴的病原体和大流行性流感疫情日益增长的威胁,国际社会的健康和经济稳定。这明显是最近2009年甲型(H1N1)流感大流行,非典爆发,以及全球生物恐怖主义的威胁无时不在。幸运的是,生物医学社区已经能够迅速生成序列数据可以很容易地确定这些病原体。然而,到目前为止,利用这个序列数据快速产生相关的实验结果或可行的治疗方法是滞后尽管获得序列数据。因此,致病的威胁,和/或发展成流行病可以迅速识别;然而,翻译这个快速识别成一个有针对性的治疗或治疗可用尚未兑现。这个评论表明日益增长的DNA合成技术应充分实现为快速生成的一种手段在活的有机体内数据和可能的治疗后不久序列数据可用。

1。大流行性流感病毒爆发

今天,能够确定一个孤立的病毒爆发可能发展成一个大流行促进了高效的PCR和测序技术来快速识别和描述病原体(1]。提示代序列数据感染者使得这些紧急的识别病原体和疾病控制中心(CDC)和世界卫生组织(世卫组织)来确定这些紧急病原体造成大流行的威胁。这个决定是基于早期感染,序列数据相似性和毒力因子分子标记(2,3]。举个例子,最近2009年的大流行H1N1甲型流感病毒(2009年H1N1流感在墨西哥被发现和迅速蔓延到其他国家4]。隔离和样本测序提供了直接序列数据的分析和决心的起源、应变,病毒的基因组特征(5]。因此,卫生机构确实可以假设这是一个威胁国际社会给予其抗原新奇(6]。美国疾病控制和预防中心估计,47之间的H1N1大流行性流感感染8100万人(7]。2009个人感染了H1N1大多数都有轻微的疾病症状,但据估计,这种疾病占了将近9820人死亡仅在美国(美国)(7]。流感病毒是一个持续的威胁是大流行疫情的原因给病毒的能力通过重组抗原转移的现象。

抗原转移是主机被感染的结果两个或三个不同的流感毒株。尽管主机复制,这些病毒交换部分。这个基因组fragment-swapping可以产生病毒的抗原剖面全新的人类宿主人口,允许快速传播(8]。抗原转移的过程是假设生成事件2009年H1N1病毒。令人惊讶的是,2009年的H1N1病毒实际上是多次重组的结果,结合部分禽类、猪流感和人流感病毒,最终屈服在全球范围内迅速蔓延的病毒株(9]。通过结合段从三祖菌株,结果2009年H1N1病毒是高度可变的,允许快速免疫天真的人类宿主之间传播(10]。2009年甲型H1N1流感大流行并不是唯一的例子,流感在全球范围内传播。其他爆发包括温和,至于发病率,但广泛1964 - 1965年的香港流感,以及臭名昭著的1918年西班牙流感大流行,这是严重的和负责任的估计有50到8000万人死亡(11]。

除了流感大流行,一个完全不相关的冠状病毒是在2002年负责重大突发疫情蔓延至全球许多地方(12]。这是众所周知的SARS病毒最初开始在中国的广东省,扩散至全球37个国家(13]。最初,确切的SARS病毒的原因是未知的,直到病毒芯片的实现由王等人允许其作为冠状病毒的识别(14,15]。这种病毒是估计8000人发病的病原体,导致死亡率的10%12]。尽管极其不同的遗传成分(即。,influenza is a (−) RNA virus and coronaviruses are (+) RNA viruses), they share the characteristic of cross-transmission. These viruses are capable of infecting a range of mammalian and avian hosts. Infection of humans usually manifests as a severe upper respiratory disease [16]。

这两个例子中病毒,2009年甲型H1N1流感和SARS,是识别和基于序列数据的特点,但目标,快速治疗并不容易产生使用这个序列信息。例如,非典型肺炎的主要实施的治疗和控制措施只是隔离受感染的个人。这包括隔离感染者,隔离任何病人呈现一种上呼吸道疾病医院,限制旅行,避免公共场所,并实施严格的卫生习惯在医院(17,18]。不要贬低良好的卫生习惯作为有效手段来对抗感染,但鉴于当前医疗进步更有针对性的治疗应该寻求这些爆发战斗。

的第一线治疗的2009 H1N1也,而低技术和令人沮丧。政府目前的抗病毒药物奥司他韦(达菲)和扎那米韦(10和简单的措施,例如关闭学校和检疫19)被执行。疫苗生产与2009年H1N1缓慢,导致疫苗可用于公共消费在2009年秋天,大约6个月后第一个确诊病例在墨西哥。疫苗被管理的时候,病毒已经扩散至全球,感染仅在美国估计有600万人(5]。复合缺乏反应,有持久的疫苗短缺突出目前治疗曲目中的低效率(7]。幸运的是,这种病毒很轻微;然而,这些短缺,在大流行的情况下,会导致更高的死亡率,以及国内动乱和恐慌。

在分析每月的序列数据从2009年病人感染了甲型H1N1流感,到2010年5月,54对奥司他韦具有耐药性的甲型流感病毒(2009年H1N1流感隔离被疾控中心确认,证明抗病毒阻力迅速出现(20.]。抵抗是确定的氨基酸替换H275Y神经氨酸酶基因(21]。因此,抗病毒药物的广泛使用快速治疗流感大流行疫情可能被证明是一个权宜之计,并非完全有效。最初抗病毒药物将感染的进展缓慢,但一旦耐药菌株的出现,这些疗法将被证明是无效的。对奥司他韦具有耐药性的细菌中分离出来的第一个2009年的甲型H1N1流感在美国检测到8月2日的一周,2009年,四个月后第一个病例被报道在墨西哥(22]。因此,目前药物治疗可能无效的特别是耐药菌株重组与一个更严重的病毒。

我们建议利用快速DNA合成基于新兴序列作为开发有针对性的治疗方法迅速清除新涌现的大流行毒株(23]。快速DNA合成可能允许一个适应性反应和治疗可以改变随着变异病原体。获得监管机构可能会成为一个障碍在小说的快速发展和传播治疗代理基于合成DNA;然而,这些政策可能会改变,如果或当我们面对一个真正的如1918年的流感大流行威胁,导致50到8000万的死亡。

2。新兴的病原体

除了上述已知的流感大流行的威胁,其他新兴病原体还威胁到当地,或国际社会应该他们摆脱当前的利基和开始感染大人群。以前,一个紧急疫情会被限制在一个地理位置,但鉴于全球旅游的崛起,这些病原体可能会影响全球社区的健康(24]。这些紧急病原体的例子包括疫情从食源性致病菌25),院内(即爆发。,SARS in Toronto which originated in China) [26),最后描述代理如天花,已根除从一般人群27]。目前,美国疾病控制和预防中心已经开发了整个组织指定的“新兴感染和监控的部门服务”(戴斯),致力于监控新兴病原体随着他们的出现,希望能识别病原体和包含任何传播。除了疾病预防控制中心,整个研究机构建立了关注紧急病原体及其对全球卫生的影响(例如,全球健康&新兴病原体研究所西奈山医学院和新兴病原体佛罗里达大学的研究所)。因为一些突发传染病疫情的人畜共患来源,“跳”人类宿主,人类未知的有效治疗方案和/或特征。不过,鉴于序列数据可以快速生成使用已知的过程,利用快速的新治疗方法新创DNA合成的目标可能是唯一的手段,特别是在应对突发疫情出现时。

3所示。经济影响:停止流行病迅速为了防止经济困难

除了显而易见的广泛的发病率和死亡率应该大流行发生时,会有额外的经济下降,也会对社会产生不利的影响。大流行的成本来治疗病人会高。使用“非典”的例子,它只影响少数人,但一个极其旺盛的政治和医学响应(28),据估计,爆发的成本从3美元到1000万美元不等病人(29日,30.]。这是一个很大的数目时实现少量的个体感染非典爆发期间。关于大流行性流感疫情,卫生保健费用单独估计范围从71.3美元美元,至1665亿美元,扣除其经济对商业的影响(31日]。在分析大流行疫情必须查看对整体经济的影响。澳大利亚进行的一项研究发表在一个论坛卫生经济研究中心进行深入分析全球经济产出的大流行性流感及其蚀变(32]。本研究通过Sidorenko等人一个潜在的大流行分为四个场景:温和,温和,严重,和超,每个可能流行的基于死亡率及其产生的经济后果(32]。这些分歧是必要的在分析假设的大流行,因为潜在的经济影响在病毒的严重程度而异。估计死亡总在美国这四个场景是20,201,1000。9,分别和2018。9(成千上万)。这些估计是乘以2 x 10 x如果估算死亡率在发展中国家。检查经济影响的估计,仅在美国,估计减少国内生产总值(GDP)这四个类别−0.58%,−1.38%,−3.00%,分别和−5.50% (32]。在全球范围内,一个温和的流感大流行像目前的2009 H1N1病毒将花费3300亿美元或0.8% GDP。超级大流行,就像1918年的甲型流感病毒,估计有一个实质性的全球经济影响成本为4.4万亿美元或12.6%的GDP (32]。令人震惊的经济成本是一个生产力下降的结果,行为的变化(即。,avoidance of public places, going to work, etc.), adjusted interest rates, inflation, and shear shock to the public and society. Specifically, in an ultra pandemic the study estimated an additional 2.22% rise in inflation in the United States, a 9.6% decrease in exports, and −101 basis point reduction in short-term interest rates [32]。鉴于我们是第一次世界社会与现代卫生保健系统能够对抗一个潜在的大流行,这些总数是更加明显,当看着预测发展中国家。总之,发展中国家的死亡率和GDP减少将远远大于美国。发展中国家的经济影响将大量由于冲击从人类生命损失以及新兴市场的资本流动的“避风港”,如美国和欧盟(32]。

而超流行是一个极其罕见的事件从未希望遇到,这些惊人的数字强调了需要快速有针对性的治疗。抗病毒耐药菌株的出现表明需要利用DNA合成作为一种手段来开发目标疗法来取代目前的抗病毒药物。这些新创基于dna的疗法可以自定义序列是孤立的,允许处理的适应性。

4所示。合成生物学:DNA合成的出现及其迅速获得治疗的承诺

合成生物学的新领域已经出现和迅速照亮的可能性产生治疗代理人对新兴的威胁,因为他们出现,威胁社区或全球。具体地说,科学界的综合能力新创,没有自然的模板,遗传物质DNA的形式使合成生物学(23]。现在门是开了一个巨大的竞技场的新实验和治疗,因为定制能力,迅速产生遗传物质是一个现实。例如,病原体与减毒的综合设计的基因组可以作为疫苗(33,34]。从本质上说,研究人员现在可以把数字序列数据转换成生物相关的遗传物质在相对较短的秩序。目前,合成的成本大约是每基合成[39美分35];然而,鉴于这种技术的快速进步,每个基地估计价格降低整个十年(图1)[23]。现在39公司提供完整的基因合成,一个了不起的数字,和资源应该利用研究实验室(36]。平均在放置nonrushed秩序,一些生物技术公司需要7到10天产量1 kb的DNA。然而,某些公司(如蓝色赫伦生物技术和GENEART)广告,任何序列有关甲型H1N1流感病毒在2到4天内将迅速生成。具体新闻稿GENEART表示公司迅速生成基因(一个超过1800个碱基对)H1N1病毒外套蛋白的3天(37]。剪切速度可以生成这个DNA是令人震惊的。它表明它可能是一个有针对性的治疗,利用这个快速生成DNA准备紧急威胁在很短的时间内。因此,新方法应对传染性病原体必须基于核酸的核酸,因此技术应该被起诉。

它也将成本效益使用合成dna疗法给前面的方法开发小分子抑制剂的微生物。以前这些分子已经过化学库的屏幕效果对某种病原体(38]。这是一个强力的药物开发的方法,可能是一种资源浪费。考虑到遗传物质合成能力,应该采取更有针对性的和具体的方法。这意味着不再是药物开发的试验和错误,而是深思熟虑的和有针对性的方式。

5。核交付作为抗病毒药物

DNA合成一个应用程序将生成平台RNAi抑制感染病毒的交付。这些特定的rna可以合成目标病原体的快速,因此作为有针对性的治疗方法。该方法已经成功地控制植物病毒传染性(39]。此外,在活的有机体内研究表明在哺乳动物有效性40]。特别是乙肝病毒复制控制在受感染的老鼠40)和众多的研究已经表明,siRNAs能够减缓疱疹复制在神经元和靶组织(41]。的主要限制是交付这些RNA分子,这仍然需要进一步调查。然而,一旦交付的障碍已经交叉,的出现新创核酸合成应该允许他们快速、有针对性的生产。为了抑制RNA分子功能,他们要求高序列相似的目标。鉴于病毒不断变异,一个单一的RNA分子,将函数作为一个治疗是不可能的;然而,能够快速生成遗传物质现在允许建设的抑制rna作为他们的目标发生变异。

6。快速紧急数据和突变菌株

DNA合成的另一个优点是它的适用性研究病原体在体外。以前,生物医学实验室依靠PCR和标准诱变研究病毒变异,通过突变出现。这些研究都集中在这些突变要么对病毒生长的影响(42,43),在活的有机体内发病机制(44),或突变的能力赋予耐药性(45]。现在通过DNA合成的镜头,这个过程非常费力的少量突变,可以研究。重要的发现和使用这些方法引起全面工作;然而,DNA合成现在提供我们的能力来生成大量变化的序列,可以筛选生物相关性。例如,现场隔离与序列变化可以快速生成直接在实验室研究,允许快速数据在这些新兴的变体。因此,核苷酸的变化从临床分离株可以几乎实时研究在实验室设置。

7所示。有针对性的肽或重组蛋白疫苗

从新兴病原体的快速生成序列数据也可能有助于增强肽的前景——或重组蛋白——基于(RP)的疫苗。一个可以预见的适用性利用快速生成的序列数据的生产目标肽或RP疫苗紧急的威胁。抗原或编码序列获得序列的一个紧急病原体可以迅速利用DNA合成和转化成一个立即肽疫苗。然而,当前低肽疫苗的免疫原性的缺点,弱佐剂,和/或缺乏最佳载体分子需要进一步增强直到肽的方法——或RP-based疫苗抗是完全可行的46]。使用肽有最新进展,例如,HP0245,作为保护肽疫苗能够保护动物免受新兴人畜共患的病原体猪链球菌血清型2 (47),以及peptide-induced免疫力结核分枝杆菌在人类48]。此外,利用重组细菌或病毒载体疫苗,如腺病毒载体系统,可以实现为一个快速反应的疫苗紧急微生物。有最近的努力尽可能地利用replication-deficient腺病毒载体艾滋病疫苗与一些成功提供增强免疫力艾滋病毒在非人灵长类动物49]。使用病毒载体的优势是他们产生强烈的CD4细胞⁺和CD8⁺感兴趣的t细胞反应你的抗原(50]。仍然有需要解决的缺陷病毒载体疫苗,如先前存在的免疫向量的可能性,进而预防免疫以及疲软的体液反应“接种”转基因,这可能需要保护(51]。因此,像肽疫苗策略,这些也需要进一步优化前病毒载体是一个现成的系统能够快速使用针对一个紧急病原体。

8。定制,减毒疫苗

最后,一个最有效的治疗传染性疾病可用今天是减毒活疫苗接种疫苗。它已经成功降低发病率和死亡率在全球范围内,以及根除一些人类病原体。以前,减毒活疫苗疫苗已经由串行通道的病毒在非人类细胞中,呈现他们回国后低致病性人类宿主(52]。这个策略是一种方法,依赖于随机突变,而不是用户选择衰减。最近,合成生物学家已经重新编码病毒病原体(脊髓灰质炎病毒和甲型流感病毒)与同义codon-pairs的衰减(33,34]。在这些研究中,codon-pair偏见的脊髓灰质炎病毒和甲型流感病毒改变在基因组层面上,这样的病毒基因组的翻译效率是通过合成down-modulated变更。大片段基因组是与不足(即“记录”。“慢”)codon-pairs。这重新编码维护氨基酸在蛋白质水平身份,但包含超过400个核苷酸水平同义突变,最终改变了基因的翻译速度。能够改变遗传物质在一个大规模的启用了gene-design计算机软件的功能结合大规模DNA合成(23]。这些综合修改病毒减毒的动物模型。根据新英格兰医学杂志》上,该方法认为承诺作为施工平台的减毒活疫苗疫苗(53]。因为这种方法依赖于DNA合成和普遍适用的计算机软件,这个技术潜在的应用程序产生减毒活疫苗疫苗病毒威胁他们出现35]。

9。结论

总之,我们最近看到的,当你考虑2009 H1N1大流行性流感全球大流行的威胁是真实的,幸运的是最近爆发是由病毒致病性降低。然而,这加剧了生物医学社区的意识到治疗和控制策略大流行疫情必须进一步改善和发展。这些包括反应在本质上是快速的,是有针对性的,包含感染的传播。这个评论表明DNA综合疗法的实施和战略值得认真考虑治疗。DNA合成提供了有针对性的适应性,即有针对性的治疗方法,可以快速生成和适应变异病毒爆发。

确认

作者要感谢JAMC准备这份出版物中对他的支持。博士伦科的研究支持的部分NYIT机构支持和创造力(ISRC)资助的研究。

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