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美国疾病预防控制中心17.5亿美元的测序计划可能是在错误的方向上乱花钱

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  美国总统拜登就职后不久,负责指挥新冠应对部门的杰夫·齐恩茨就传达了美国需要做什么的信息,他在 1 月的新闻发布会上说:“我们的基因组测序排名世界第 43 位,这完全不可接受。”


  (来源:MIT Technology Review)

  针对这一现状,他提出的建议是“进行适当数量的基因组测序,这将使我们能够尽早发现变异毒株,我相信这是处理任何潜在变异毒株的最佳方法。”

  自从武汉首次发现新冠病例以来,科学家们便一直在对共生样本的基因组进行测序。最早的 mRNA 疫苗是使用中国科学家在 1 月份公开发布的遗传密码制成的,此后科学家们以前所未有的规模完成了它。

  在 12 月中旬,来自美国的 51000 个新冠基因组已经被解码并发布在了公共存储库中,这是疾病控制与预防中心每年测序的流感样本数量的七倍。

  美国绝大多数的新冠测序实验是在学术中心进行的,这主要是因为直到最近它仍被认为是一种学术追求,它可以追踪被人们广泛认为发展缓慢而稳定的病毒的变化。

  甚至在 11 月和 12 月,随着英国和南非公布了更多可传播的毒株,丹麦也表示将杀死 1500 万只貂,以控制一个病毒突变体。许多科学家和公共卫生组织都认为该病毒不太可能摆脱疫苗引发的免疫。

  然而,正如头条新闻警告“新冠病毒突变体”蔓延“失控”一样,政客和公众要求知道美国国内是否存在“令人担忧的变异毒株”。

  疾病预防控制中心在网上发表的一份声明中说:“鉴于已经测序的美国国内感染的一小部分,该变体可能已经在美国传播而并未被发现。”

  “美国瞎了”迅速成了一种口头禅,不仅对于寻求工作上支持的科学家,而且对于那些在政府回应中寻求可解决问题的批评者都是如此。

  消息传递不准确肯定会导致一些挫败感:例如,在 12 月 22 日,《纽约时报》就报道说,自 12 月 1 日以来,美国只有不到 40 个共生基因组序列被测序。实际上,在那个时期美国实验室向公共存储库提交了将近 10000 个新序列。

  在新政府的领导下,CDC 很快得到了 2 亿美元“首付款” 的财政支持,用于测序工作。然后,3 月份通过的救济法案投入了数量惊人的 17.5 亿美元,用于支持“包括新冠在内的疾病或感染”进行测序的全国公共卫生计划。

  疾病预防控制中心和世界卫生组织设定的目标是对 5% 阳性的确诊病例进行测序,以追踪变异毒株的传播。美国通过聘请私人测试实验室对少量阳性样品进行测序,很快便实现了这一目标。

  CDC 和 WHO 设定了对 5% 阳性病例进行测序以追踪变异传播的目标,该数字基于主要新冠测序仪生产商 Illumina 的印前研究得出。

  美国通过聘请私人测试实验室对少量阳性样品进行测序,很快便实现了这一目标。在 3 月的最后一周,当有 45 万新确诊病例时,美国实验室包括通过其他计划资助的学术实验室向全球生物数据存储库 GISAID 提交了 16143 个匿名序列,并向国家生物技术信息中心(NCBI)提交了 6811 个匿名序列。

  这段时间是六个月以来最低的确诊率之一;然而,要在 1 月份的高峰期进行 5% 测序,美国实验室则每天需要花费超过一百万美元进行五倍于样本数量的测序。

  美国应该是研究新冠病毒遗传进化的绝佳场所,因为病毒在全美广泛传播,感染者具有遗传多样性,并且美国是世界上接种疫苗人数最多的人。但是,尽管基因组测序的数量有所增加,一些公共卫生专家和科学家仍想知道所有这些信息正在做什么—以及该领域目标的可实现性究竟如何。

  CDC 在描述基因组监测的网站上说,测序可以追踪变种是否具有了逃避疫苗或治疗的性质。但是,该机构的测序监视程序不会将其任何序列重新重回到他们来自的人身上,无论他们是否接种了疫苗或患病轻重与否。

  同时,支持这种匿名的“监视”排序的最大论据是,它可以给官员们提早警告有关确诊率的潜在变化。然而,尽管新闻一再报道在美国已经有更多可传播的变异毒株,各州却一直在放松口罩禁令,并重新开放室内就餐场所。

  我们与在疫情期间具有第一手经验的许多测序专家进行了交谈,并从许多人那里听到了相同的信息:将监视数据转化为有用的信息在美国面临着巨大的法律,政治和基础设施障碍,其中有些是无法克服的。

  除非科学家和政策制定者问他们为什么要使用新冠病毒测序,以及如何最好地利用这些数据,否则基因组检测将产生越来越少的回报,而且其很大的潜力可能会被浪费掉。

  约翰霍普金斯大学健康安全中心的高级分析师莱恩·沃姆布罗德说:“在美国,做到这一点非常困难。如果所有的钱都花在获得一堆完整的新冠测序上,而没有去构建一些可以更持久的东西的话,我将感到非常失望。”

  监视测序无法完成的操作

  毫无疑问,测序对于公共卫生来说是革命性的,这不仅仅是因为 mRNA 疫苗是在一个患有疾病的人在武汉一家医院就诊后仅一个月便被开发出来的。

  监视测序可以识别一部分阳性测验的遗传密码并寻找其随时间变化的信息,这可以帮助研究人员追踪病毒的进化过程。如果一种菌株的生长速度快于其他菌株,研究人员便可以对其进行进一步研究。

  高级分子检测办公室(OAMD)首席科学官邓肯·麦肯尼尔说:“我们的监测并不完善,但是我们能够看到病毒何时何地在整个地区传播,并识别出广泛的变化模式。”据悉,该办公室主要负责扩张国家测序工作。

  当被问及为什么监视测序如此重要时,官方通常会回答说,它可以帮助追踪菌株在现实世界中的行动轨迹。但是,此类争论通常将两件事混为一谈:对已经匿名的阳性测试进行抽样,以及使用针对性分析来了解特定的、可识别的病例。

  CDC 对新冠变异毒株监视测序页声称例如 “基因序列数据的常规分析”可以帮助检测变异毒株“逃避天然或疫苗诱导的免疫”以及“在人群中导致较轻的或更严重的疾病”的能力。

  “仅仅是因为我们经常看到一个变体,是否意味着它实际上更易传播?也许吧。我们需要做更多的研究来了解它是否会引发我们真正担心的情况。”

  知道变异毒株何时学会摆脱免疫,可以告诉科学家们是否需要改变疫苗配方。但是,除非与有关样本信息相关联,否则测序无法告诉我们这些事情。根据美国法规,这通常是不可能的。

  LabCorp(该公司与 CDC 有共同的测序合同)的研究与开发技术总监布莱恩·克鲁格说, “仅仅是因为我们经常看到一种变异毒株,是否意味着它实际上更易传播?也许吧,我们需要做更多的研究来了解它是否会引发我们真正担心的情况。”

  LabCorp 与 CDC 的合同,是 OAMD 的主要测序计划的一部分,该计划支付了全国各地的大型测试实验室对数千个阳性新冠测试进行测序的费用。该项目旨在寻找“令人关注的变量”,如科学家们已经怀疑它们会导致不良后果或传播更快。

  它还跟踪新冠病毒的家谱的不同分支、何时何地传播,以及哪些遗传变化会反复出现,如果病毒的一个分支比其他分支增长更快,或者一个突变持续出现在不同的家谱中,则可以对其进行标记它以引起科学家们的注意。

  同时,OAMD 正在从全国各地的公共卫生实验室收集原始样品,以在实验室中进行研究,在盘中培养病毒样品,并将其与治疗剂和患者的抗体进行比对。这些试管研究是有关疫苗是否能免疫变体的“头条新闻”,此外他们还倾向于大大降低针对具有许多重叠机制疾病的免疫保护。

  但是由于患者的隐私和监管监督的其他要求,所有这些样本以及它们从实验室收集的所有序列都将被刻意取消标识:这些样本与患者本身没有任何关系。

  10,000 英尺的视野

  根据麦肯尼尔的说法,OAMD 并不打算将去信息化的数据与临床信息进行关联。

  他说:“建立这些合同的目的是为我们提供 10,000 英尺的视野。”

  即使该机构希望在其分析中将监视测序与患者信息结合起来,它仍将进行艰巨的艰巨战斗。在美国,大多数患者记录如测试结果、免疫信息、医院记录等分散在许多未连接的数据库中。

  无论数据的所有者是否有兴趣将信息移交给政府,这都需要每个人表示同意,这是一项非常费力的工作。

  测序合同不是尝试在国家层面解决这些问题,而是允许了各个公共卫生机构要求感染了变异毒株患者提供姓名和联系信息,但这只是将相同的数据所有权问题推到了产业链的下一层。

  Labcorp 的布莱恩·克鲁格说:“有些州非常好,他们想知道很多关于该州正在流行的变异毒株的信息。而其他州则完全没有。”

  公共卫生流行病学家通常对生物信息学缺乏经验,他们一般使用软件来分析诸如基因组序列之类的大型数据集。只有少数机构拥有预先存在的测序程序;即使他们这样做了,让每个管辖区仅分析数据集的一小部分也弱化了可以收集有关病毒在现实社会中行为的知识。

  但是,解决使测序和临床元数据的大规模连接变得更容易的问题,不仅需要对隐私法规进行彻底的改革,这需要对美国的整个医疗保健和公共卫生系统进行重组。

  在美国,这 64 个公共卫生机构中的每个机构都是一片私人领地,它们之间并不存在信息或权力的集中化。

  洛克菲勒基金会疫情应对、防备和预防常务董事乔纳森·奎克说:“元数据是最大的不变的坚果。”

  他说,由于公共卫生很难将足够大的数据集组合在一起以真正了解病毒在现实世界中的变异行为,我们的信息必须来自疫苗制造商以及将测序添加到临床试验中的医院。

  令他感到沮丧的是,电子病历、免疫登记簿和其他来源中已经存在如此大量的有用信息数据集,但这些数据却并不方便使用。

  奎克说:“在没有束缚我们使用这些数据的情况下,我们将会学到很多东西,而且会学得更快。”我们不能仅仅依靠疫苗公司进行监视。”

  促进美国州级生物信息学

  如果期望公共卫生实验室自己更专注于跟踪和理解变异毒株,他们将需要获得能获得的所有帮助。毕竟,逐例对变种进行操作是一项公共卫生工作,而在政策层面上对变种进行操作是一项政治工作。

  公共卫生实验室通常使用基因组学来公开有关疾病暴发的隐藏信息,或者作为跟踪和追踪工作的一部分。过去,测序已用于将大肠杆菌暴发与特定农场联系起来、识别和中断 HIV 传播链、隔离美国埃博拉病毒病例、以及追踪年度流感模式。

  即使是那些拥有完善程序的人,也倾向于少量使用基因组学。在过去十年中,测序的成本已急剧下降,但是该过程仍然不便宜,特别是对于资金短缺的州和地方卫生部门而言。

  这些机器本身要花费数十万美元来购买,并且还要花更多的钱才能运行:Illumina 是测序设备的最大制造商之一,它们称实验室平均每年都要在每台机器上花费 120 万美元。

  “如果我们只是给卫生部门钱来建立计划而不制定联邦战略,每个人便不会清楚自己在做什么,我们将错过很多机会。”

  卫生机构不仅需要钱,他们还需要专业知识。监视需要训练有素的生物信息学家将序列中的长字母字符串转换成有用的信息、需要人们向官员解释结果、以及说服他们将所领悟的经验教训转化为政策。

  幸运的是,OAMD 一直在努力支持各州和地方卫生部门,以帮助他们了解自己的测序数据、聘请区域生物信息学家与公共卫生官员进行协商、以及促进各机构分享他们的经验。

  它还投入数亿美元来建立和支持这些机构自己的测序程序,不仅用于新冠,而且用于其他所有病原体。

  但是,这些机构中的许多机构都面临着对尽可能多的共生基因组进行测序的压力。如果没有用于收集和分析数据的统一策略,则我们不清楚这些程序将会有多实用。

  沃姆布罗德说,“如果我们只是给卫生部门钱来建立计划而不制定联邦战略,每个人便不会清楚自己在做什么,我们将错过很多机会。”

  被篡夺的初始愿景

  马克·潘多里是内华达州公共卫生实验室(OAMD 支持的项目之一)的主任。多年来,他一直是基因组检测的坚定支持者。在搬到里诺之前,他在加利福尼亚州阿拉米达县运营了一所公共卫生实验室,在那里他率先开发了一项利用测序来跟踪医院附近如何传播感染的项目。

  他说,将序列转化为可用数据是公共卫生基因组计划的最大挑战。

  “疾病预防控制中心可以说:'去买一堆测序设备,做一堆测序。' 除非这些数据的使用者知道如何使用它,并且知道如何应用它,否则它什么也不会做。我正在与你谈论我们需要每天排序的详细技术,但是卫生部门只需要一种简单的方法来了解它是否与病例相关联。”

  当涉及变种时,公共卫生实验室将面临许多 CDC 所面临的相同压力:每个人都想知道哪些变种正在传播,以及我们是否可以对信息进行一些处理。

  潘多里启动了他的新冠测序计划,他希望减少调查潜在的病毒爆发所需的工作量,从而迅速确定彼此之间被发现的病例是相关的还是偶然的。

  他的实验室是北美第一个鉴定重复感染新冠患者的实验室,后来在刚从南非回来的一名住院男子中发现了 B.1.351 变体。通过快速的接触者追踪,卫生部门便可以防止其传播。

  他说,然而为了响应公众对关注已知关注问题的关注,县卫生部门将工作重点从地面调查转移了。这是他令非常疑惑的举动。

  潘多里说:“我最初将其用作流行病学和疾病调查工具的想法被篡改了。这是实验室测试的新阶段。我猜我们已经从没有足够的测试,转为没有足够的基因测序。这就是人们现在都在讨论的。”

  潘多里并不是唯一一个专注于监测的研究兴趣的人。LabCorp 的克鲁格建立了公司的新冠病毒测序计划,希望研究变异在个体患者中如何演变。“现在的情况似乎是我们是否可以提交很多完整的基因组到不同的数据库”,他说。

  潘多里的实验室每月应要求向 CDC 发送 40 个样品。该小组还每天对自己的样品进行 64 次测序。当他们没有足够的近期样本时,便会进入档案库搜寻自 11 月起到目前为止的样本。

  至于对内华达州 5% 的病例进行测序,该州的大多数测试都是由私人实验室进行的,这些实验室通常会先将样本先分解再进行测序。他说:“通过私人实验室测试或进行抗原测试的标本,将被先分解。”

  潘多里说,他还没有从 CDC 或公共卫生部门收到 CDC 实验室计划中的任何变异数据。

  当你有疑问的时候再这么做

  美国在将变异序列与现实病例联系起来时可能会面临独特的困难,但是每个系统都面临着自己的挑战。即使是拥有完善的国家医疗保健系统的国家,也都在努力搞清楚为真正了解这些基因改变的作用而需要花费的大量数据。

  实际上,很少有政府进行这项工作,也许只有一个政府能够大规模地成功开展这项工作。

  英国的学术和政府实验室联盟 COG-UK 组织了世界上首次重要的新冠病毒测序工作,并被广泛认为是该领域最耀眼的明星。它的科学家不仅进行了数量几乎是美国的两倍的测序,而且还率先鉴定和区分了具有更高传播性的变异毒株。

  “当你有疑问时候再这么做。如果没有,请停止用完我们所有的 Illumina 试剂。自从美国宣布要提高测序能力以来,我们的供应链就已经枯竭了。”

  财团的科学项目经理利·杰克逊表示,他们以不到 5000 万英镑(6900 万美元)的价格完成了这一切。他说:“将我们的成本与私营部门针对这些类型的服务收取的费用进行比较真是令人垂涎,”他指出,大部分劳动力来自学术实验室,而这些实验室主要向他们收取材料费用。

  “绝大多数情况下,头号目标将是意识到现实世界中变体逃逸疫苗突变的发生。这即将要发生。由于我们现在拥有如此广泛的覆盖范围和能力,因此我们应该很快就能够看到它们。”杰克逊说。

  这项工作之所以可行,是因为英国的公共卫生和医学都已收归国有,因此测试和疫苗记录都标有患者独特的 NHS 编号。COG-UK 仅需要几个数据共享协议即可将他们测序的所有 40 万个样本链接回疫苗清单和顶级医院数据。

  这并不是说合并这些数据集很容易,该小组目前正在构建简化的系统,以将所有其他断开连接的系统连接在一起,从而自动上传新数据,并使合作伙伴更易于访问。

  杰克逊很高兴听到精心设计的测序程序不断扩展的消息,但他对没有明确目标的大规模测序感到不满。

  “不要仅仅因为它能帮你获得选票,或者因为看起来不错,或者它会使人们感到高兴而这样做。当你有疑问时候再这么做,”他说:“如果你不这样做,请停止用完我们所有的 Illumina 试剂。自从美国宣布要提高测序能力以来,我们的供应链枯竭了。”

  从样本到“那又怎样?”

  与基础研究不同,在公共卫生领域,只有采取行动时,知识才是力量。来自洛克菲勒基金会的奎克所说的就是“从样本到'那又怎样?'”

  测序需要大规模地与免疫数据联系起来,才能表达出有关疫苗功效的任何内容。如果要对变异毒株进行测序,则决策者需要对变体做出响应。

  目前,尽管有明显证据表明,更多可传播的毒株正在爆发性地推动全国各地的确诊病例,但美国许多州仍在重新开放电影院和室内用餐场所。

  约翰·霍普金斯大学的沃姆布罗德希望这笔钱将被着眼于未来正确地使用,而不是被动地被使用。

  她说:“当我回头看六,七年前就有的论文时,我会惊叹'噢,天哪,我们已经知道这个确切的问题很多年了,然而我们什么也没做。”无论我们现在构建什么工具和基础架构,它们的用途都不仅限于新冠病毒。”

  麦肯尼尔也有同样的感觉,“我们的角色是真正弄清楚如何以不仅仅针对新冠的方式在整个美国公共卫生系统中扩展基因组监测。我们希望吸取经验教训,并将其广泛应用。”

  如果将这笔巨额资金投入不仅用于应对一场危机,还为下一场危机做准备,那么将对所有人都有利。它提供了一个真正的机会来修复我们的公共卫生系统中的漏洞,并建立稳定的机构来弥合健康差异,对潜在威胁做出及时反应并在危机中保持运转。

  同时,如果 CDC 要充分发挥其作为国家公共卫生机构的角色,则它应该利用其可利用的所有资源(包括庞大的真实世界变异毒株序列库)来跟踪病毒在真实世界中的行为,例如逃避疫苗诱导的免疫力。

  否则,这可能会导致致命的后果。

  “我们正着手为全球进行免疫接种,对此我感到非常担忧,”奎克说。“为了无需花费大量时间和精力来为尽可能多的人免疫,我们需要共享这些数据。然而,它的有效性远低于我们的想象。这将使更多的生命丧生,并且会让人们对疫苗失去信心。”

  本文节选自洛克菲勒基金会资助的《流行病科技计划》。

  -End-

  参考:

  https://www.technologyreview.com/2021/04/05/1021782/cdc-variant-surveillance-1-75-billion-wasted/


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