在COVID-19新冠肺炎大流行期间，宏基因组方法是成功进行疫情追踪和疫情管理的关键研究方法。我们应如何利用这些知识更好地准备、制定战略和预防未来的流行病呢？ COVID-19于2019年12月在武汉（中国湖北）爆发,2020年1月5日，张永振（中国上海公共卫生临床中心）领导的一个小组首次使用宏基因组RNA测序方法鉴定了引起该疾病的新型冠状病毒。2020年1月10日，新型冠状病毒基因组在virological.org和GenBank公开发布，以协助世界各地的研究。 新冠肺炎病毒在人类之间迅速传播，并传播到其他国家，导致其在2020年3月11日被世卫组织归类为大流行病（仅在共享基因组信息两个月后）。作为一种新型疾病，没有疫苗或靶向药物用于治疗或阻止新冠肺炎病毒的传播，因此快速诊断和隔离患者变得至关重要。 国家封锁，包括在家隔离和工作的规定，是许多国家减缓病毒快速传播的最初反应。虽然这一决定得到了不同的回应，但很难否认这是降低死亡率和防止医疗服务不堪重负的重要一步。 这得到了Flaxman等人的支持。他们组织研究了从2020年2月新冠肺炎疫情爆发到2020年5月4日封锁开始解除期间欧洲11个国家的主要干预措施的效果。结果表明，主要的非药物干预——尤其是封锁——对减少传播有很大影响。
对大多数人来说，封锁和保持社交距离措施似乎是唯一普遍推出的流行病管理战略。截至2021年1月13日，已向世卫组织报告了92，148，761例新冠肺炎确诊病例，包括1，973，486例死亡。如何才能使这些数字保持在较低水平？我们从以前的大流行中学到了什么吗？我们如何为未来的流行病做准备？
阅读这篇科技新闻文章的人很少会记得如此大规模的流行病，但历史表明，我们目前经历的并不罕见。仅在20世纪，就发生了三次流感大流行——1918年、1957年和1968年(图1)。令人鼓舞的是，这些事件之间有所进展——到1957年，有一个全球实验室网络与伦敦(英国)的世界流感研究中心相连，该中心是研究和跟踪病毒的中心。
有趣的是，尽管在防治传染病方面取得了诸多进步——仅举几个例子——但我们在人口、移民、贸易和城市化方面的增长让我们变得更加脆弱。 最终，目标是在尽可能早的阶段检测、理解和控制传染病的爆发。这是预防和控制疾病爆发的基础。一个通用的监控网络有可能满足这些需求。 宏基因组学正在成为生物监测、公共卫生和临床应用的重要工具。大流行风险计算使用宏基因组学等技术来跟踪病原体出现期间的分子变化，并使用数学模型来评估风险。这种技术的结合使我们能够预测大量有用的信息——出现的热点、面临风险的人群和遗传进化中的病原体。 问题是，虽然监控技术是可用的，但它通常仅限于西半球；随着许多疾病在东南亚等地区不断出现，确保宏基因组学和大流行风险预测得以共享至关重要。
虽然这仅仅是对以前的流行病和理想的应对措施的粗略描述，但重要的是要注意到这些措施已经在流行病应对方面取得的进展；然而，这篇文章强调了宏基因组学在预防未来大流行病中的潜力。
传统上，用于公共卫生传染病监测的病原体检测依赖于通过化验或筛选来识别特定疾病的预先建立的标记。然而，通过使用下一代测序技术（NGS），宏基因组学有能力检测样品中的所有微生物，无论它们是已知的还是新的病原体。
有两种明确的策略来检测疾病爆发。第一个是症状监测，在实验室确诊之前，它依赖于症状和模式等健康指标。然而，由于缺乏明确的疾病诊断，这并不总是指示感染传播的准确方法。更可靠的策略是基于实验室的监测，其中可以实施多种方法来检测和确认病原体的存在。在传统的病原体检测领域中，当无法检测到病原体时，样本通常会被置之不理。宏基因组学不使用旨在搜索特定病原体的分析，而是有可能完全改变这一过程，通过单一测序技术检测所有微生物的存在，而不需要培养。除此之外，NGS宏基因组测序能够收集的基因组信息还可以用于疫情调查以外的其他方面，包括鉴定毒力基因和预测潜在的抗生素耐药性。
使用宏基因组学技术在新病毒出现时扫描并捕捉它们的想法——让研究人员能够尽早阻止病毒的传播，从而在大流行开始之前防止其流行的可能性——并不是一个新的想法。事实上，2016年在PNAS发表的一篇论文警告说，一种类似非典的病毒“即将在人类中”出现。 该论文强调，在之前的宏基因组研究中从中国马蹄蝠种群中分离出的WIV1-CoV，在嵌合型和全长人畜共患型病毒都被证明能够在人体内复制后，在人体内出现的风险特别高。这听起来是不是很熟悉？ 该论文还强调，尽管宏基因组筛查已经确定SARS样病毒正在这些蝙蝠种群中传播，并且在以前的研究中已经确定了具有演变为人类传染性病毒株潜力的物种，但仅靠这些观察是不够的。文森特·拉卡尼略(美国纽约哥伦比亚大学医学中心)在同一期的另一篇文章中评论PNAS的论文时说，“凝视病毒序列有其局限性；需要做实验”。 PNAS论文的作者概述了一种获取宏基因组数据的方法，并通过实验对其进行检验，以确定病毒感染人类的可能性、由此导致的感染的可能严重性，以及如果出现这种情况，我们应对紧急物种的准备情况。为了探索严重性和可能性，他们进行了一系列涉及转基因小鼠的小鼠模型实验，通过操作来表达人ACE2受体—由冠状病毒尖峰蛋白结合的受体。 为了评估我们对人类群体中出现WIV1-CoV的准备情况，作者首先在细胞培养物中，然后在转基因小鼠模型中，测试了为预防SARS-CoV而产生的抗体在阻断WIV1-CoV感染方面的效力。这确定了一种抗体，它确实可以防止病毒的复制和预防严重的疾病；然而，初步尝试确定由灭活的SARS-CoV组成的疫苗是否对WIV1-CoV有效被证明是阴性的。 最终，该案例研究强调，有些病毒正处于从动物致病性向人类致病性飞跃的尖端，我们没有为这些病毒准备好易于适应的疫苗，对这些病毒的潜在治疗可能包括广泛中和的抗体。 Racaniello根据这些要点制定了下一步措施，并提出了几项进一步研究的建议。首先，一项研究确定了一组抗体，可有效防止冠状病毒常见的尖峰蛋白的入侵作用。接下来，确定WIV1-CoV对人类具有传染性所需的基因组改变——这一行动应适用于所有被确定有感染人类风险的病毒。最后，对这些病毒致病性增加的机制进行了研究。 那么，随着这些行动的凸显和未来大流行风险的暴露，哪里出了问题？要研究这些行为，需要对这些病毒进行功能增益实验。在这篇论文发表的时候，人们对这些实验的风险进行了激烈的辩论，反对者偶尔会引用值得好莱坞效仿的世界末日场景。这些论点，虽然建立在很少的实际证据上，但仍然很有吸引力，足以促使美国政府发布一项禁令，严格限制这些实验。 虽然这一限制在2017年12月被取消，但这一时期会推迟这些重要的研究，并降低本文的影响，可能会阻止Racaniello的建议得到执行。与此同时，关于功能增益研究的争论仍然很激烈，可能会干扰研究人员进行这些研究，许多合理的保留意见需要得到彻底解决，更煽情的文章煽风点火的辩论。 尽管围绕这一主题的辩论在病毒学界绝不是完全片面的，而是要取消这一做法，但需要制定协议，以确保这些研究在公开和负责任的环境中以尽可能安全的方式进行——这些行动可能会消除辩论的压力，并使研究取得安全进展，而这些进展可能被证明是无价的。为了让宏基因组扫描物有所值，它需要伴随着以有效但安全的方式跟踪发现的能力。 聚合酶链反应检测很快被确立为诊断的“黄金标准”，允许可扩展、快速和相对便宜的结果，并具有良好的可靠性。然而，将传统的实验室方法与宏基因组NGS相结合来理解疾病和改善疫情反应有明显的好处，正如开源项目Nextstrain所强调的那样。 在全球范围内，新冠肺炎疫情爆发期间的主要焦点是快速检测，而不是全基因组测序，一些国家在追踪新型冠状病毒感染的宏基因组分析方面的立场完全两极分化。 2020年5月，东非各国的一组研究人员为《生物技术》杂志撰写了一篇文章，质疑东非的新型冠状病毒基因组在哪里。在撰写这篇于2020年5月15日发表的文章时，东非还没有可公开获得的新型冠状病毒基因组——在肯尼亚首次报道新冠肺炎病例的10周之后。 如文章所述，一项刊登在bioRxiv上的法国研究——现已发表在《欧洲监测》杂志上——通过NGS分析证明，法国首次记录的新冠肺炎病例并非源于中国，这表明新型冠状病毒之前曾在该国出现过。这一认识对于生物监测和疫情管理至关重要。 冰岛对新冠肺炎的研究方法主要集中在科学方法上，包括宏基因组技术，并被誉为对理解大流行做出“关键”贡献。人类基因组公司deCODE(冰岛雷克雅未克)是Amgen(美国)的子公司，向冰岛卫生局提供服务。他们一起追踪了每一个新型冠状病毒检测呈阳性的冰岛人的健康状况，对捕获的样本进行了分离和测序COVID阳性样本，并对368，000人中的一半以上进行了感染筛查。 他们都揭示了关于新冠肺炎感染的重要见解，包括几乎一半的感染者无症状，并防止了大量死亡——报告约为每10万人中有7人死亡，而美国约为每1万人中有80人死亡——同时仍然对游客开放边境。 2020年10月发表在《临床病毒学杂志》上的一项研究概述了通过模拟新病毒发现来验证冠状病毒鉴定的宏基因组学方案，从而为大流行准备提供了一个潜在的工具。 该团队使用包含冠状病毒MERS-CoV、SARS-CoV和新型冠状病毒的临床样本来执行宏基因组方案。为了模拟新的病毒发现，他们用于分类的数据库在发现这三种冠状病毒之前只包含已知的病毒。 由此产生的NGS读数使得能够将冠状病毒鉴定为新的，与基因组信息存在于数据库中的冠状病毒相关，验证了新冠状病毒发现的方案。 2020年6月，发表在《临床化学》上的一项研究也概述了通过宏基因组分析检测新型冠状病毒。研究人员用NGS宏基因组评估了实验室确认的COVID阳性和阴性样本，并将数据与新型冠状病毒发现之前创建的2019年基因组数据库进行了比较。 通过这种方法，他们能够在36小时内鉴定出新的冠状病毒。这项研究的样本量很少；然而，宏基因组测序的好处也得到强调。该小组发现了样本中存在的许多其他病毒，提供了一种针对性较低的诊断途径，确定了患者生病的原因和最佳治疗方案。 新冠肺炎大流行的程度和严重性让一些研究人员展望未来，并提出疑问：下一次大流行可能来自哪里，如何预防？ 2020年3月发表在《自然》杂志上的一篇文章概述了通过宏基因组测序在马来穿山甲中发现的两种新型冠状病毒相关冠状病毒，其中一种具有与新型冠状病毒极其相似的受体结合结构域。研究人员建议，由于新型冠状病毒疫情与海鲜市场有关，穿山甲应该从市场上移除，作为未来冠状病毒爆发的预防措施。 宏基因组学在检测和追踪新型冠状病毒方面的潜力是巨大的。虽然宏基因组学可能是一个相对较新的领域，但它肯定不是新颖的。由于疫情的直接严重性、快速传播和相对缺乏准备(与大流行期间获得的大量知识相比)，可能没有时间或资源来关注宏基因组测序。 然而，冰岛的做法中有一个值得注意的成功例子。通过精心的计划和策略，将传统的诊断测试与宏基因组学方法相结合，以追踪传播并找到新冠肺炎感染的根源，冰岛能够控制并最大限度地减少传播。
