Metagenomika shotgun w nadzorze pandemicznym

Ostatnia pandemia udowodniła nam, że sekwencjonowanie genomowe patogenu to nie ciekawostka akademicka, tylko przydatne narzędzie do monitorowania patogenów. W 2021 r. utworzony został zespół do spraw badań genomu i mutacji wirusa SARS-CoV-2, który był oparty na sekwencjonowaniu całego genomu wirusa (whole genome sequencing - WGS). Ten typ badania, tak jak reakcja łańcuchowa polimerazy, ma pewne ograniczenie - wykrywa jedynie to, czego szukamy.

W tym miejscu najczęściej pojawia się pierwsze pytanie - w jaki sposób szukać nowych zagrożeń? Czy da się zbudować system wykrywający takie drobnoustroje? Odpowiedzią wydaje się być sekwencjonowanie metagenomiczne typu shotgun 1 (metagenomic shotgun sequencing - MGS).

1. Czym jest MGS i czym różni się od PCR?

Reakcja łańcuchowa polimerazy (polymerase chain reaction - PCR) działa na zasadzie celowanego poszukiwania: startery (primery) są zaprojektowane tak, by hybrydyzować (łączyć się) wyłącznie z sekwencją konkretnego, z góry znanego materiału genetycznego patogenu i go wielokrotnie powielać. To czyni PCR szybkim, tanim i bardzo czułym narzędziem - pod warunkiem, że wiesz, czego szukasz.

Metagenomika shotgun rezygnuje z tego założenia. Zamiast namnażać jeden wybrany fragment, sekwencjonuje się całość materiału genetycznego obecnego w próbce - ludzkiego, bakteryjnego, wirusowego, grzybiczego - bez etapu selekcji opartego na primerach. Próbka (np. ścieki, popłuczyny oskrzelowo-pęcherzykowe, wymazy z nosa) trafia bezpośrednio do przygotowania biblioteki, a powstałe odczyty są następnie klasyfikowane bioinformatycznie przez porównanie z bazami referencyjnymi oraz wcześniejszymi wynikami w przypadku badań środowiskowych.

W jednym z opublikowanych badań walidacyjnych2 w diagnostyce zakażeń dróg oddechowych, MGS uzyskało czułość i swoistość porównywalną ze złotym standardem multipleksowego PCR z odwrotną transkryptazą (RT-PCR) - 93,6% i 93,8%,. Po analizie rozbieżności, nawet wyższą ogólną zgodność (97,9% vs. 95,0% dla RT-PCR), przy jednoczesnym zachowaniu zdolności wykrycia patogenu spoza panelu. Jest to jednak wynik jednej walidacji, a nie metaanaliza całej metody - z niecierpliwością czekam na kolejne publikacje porównujące te badania.

2. Dlaczego moim zdaniem MGS ma przewagę w prewencji pandemii?

Nadzór oparty na PCR jest “ślepy” na dwie kategorie zagrożeń:

patogeny naturalne, których jeszcze nie scharakteryzowano
patogeny celowo zaprojektowane i chimeryczne (konstrukcja chimeryczna łączy materiał genetyczny z różnych organizmów). Modyfikacje takich drobnoustrojów w kontekście diagnostyki mogą polegać na zmianie budowy regionów, na które dostępne są komercyjne primery.

MGS adresuje ten problem inaczej niż PCR: zamiast pytać “czy jest tu patogen X”, pyta “czy w tej próbce jest cokolwiek, co odbiega od oczekiwanego tła”. Koncepcja stojąca za projektami takimi jak SecureBio Detection (dawniej Nucleic Acid Observatory) zakłada monitorowanie różnic w odniesieniu do historycznej linii bazowej sekwencji środowiskowych - wykrywa każdy organizm wykazujący nietypowy wzrost udziału w próbce, niezależnie od tego, czy nauka wcześniej go opisała. To podejście działa również wobec sekwencji o nietypowej, “nienaturalnej” architekturze (np. chimerycznych połączeń genów).

Jedna z kwestii, której należy się przyjrzeć wynika z możliwości odczytania całego materiału genetycznego bez filtra. Należy zastanowić się nad przetwarzaniem uzyskanych danych3 - kto ma dostęp do surowych odczytów sekwencjonowania środowiskowego, w jaki sposób należy je zabezpieczyć, czy jak zapobiec sytuacji, w której dane te ułatwiłyby komuś projektowanie zagrożenia. Na obecną chwilę, nie ma jasnych wytycznych, z których wynika jakie kroki należy podjąć w przypadku wykrycia potencjalnego zagrożenia. Nie jest to argument przeciwko MGS, ale cecha nowej metody oraz realny element dyskusji o ryzyku, który powinien być zaadresowany w polskim prawie przed wdrożeniem.

3. Gdzie MGS został wdrożony?

Stany Zjednoczone4. CDC Traveler-based Genomic Surveillance (projekt Centrum Kontroli i Prewencji Chorób i SecureBio Detection - dawniej Nucleic Acid Observatory) łączy dobrowolne wymazy z nosa od podróżnych z sekwencjonowaniem ścieków lotniskowych w dziewięciu lokalizacjach. SecureBio Detection równolegle prowadzi pilotaż metagenomicznego sekwencjonowania ścieków miejskich z dużych aglomeracji - więcej informacji na ich stronie internetowej.
Wielka Brytania5. mSCAPE - NHS wdrożył MGS w diagnostyce zakażeń dróg oddechowych w 30 szpitalach6.
Unia Europejska7. GLOWACON - konsorcjum, które powstało przy współpracy Europejskiego Urzędu ds. Gotowości i Reagowania na Stany Zagrożenia Zdrowia (Health Emergency Preparedness and Response Authority - HERA) oraz Wspólnego Centrum Badawczego (Joint Research Centre - JRC) rozwija globalną sieć nadzoru nad ściekami i środowiskiem z uwzględnieniem prewencji pandemii z wykorzystaniem MGS.

4. Osadzenie w prawie polskim i europejskim

Dyrektywa (UE) 2024/3019 dotycząca ścieków, nakłada na państwa członkowskie obowiązek monitorowania w ściekach następujących patogenów:

SARS-CoV-2 i jego warianty
poliowirus
wirus grypy
nowych patogenów

oraz wszelkie inne parametry zdrowia publicznego, które właściwe organy uznają za na tyle istotne, aby poddać je monitorowaniu

Podczas spotkania Komisji Klimatu i Środowiska 21.01.2025 r. zostały zaprezentowane powyższe przepisy Unii Europejskiej, jednak w późniejszych posiedzeniach komisji nie przedstawiono ich implementacji. Wymagany jest nadzór ścieków >70% populacji Polski - pomimo tego, że termin realizacji minął 1.01.2025 r., widzę szansę na wdrożenie MGS do monitorowania.

5. ProtectEU

Warto osadzić powyższe w jeszcze jednej, szerszej ramie prawnej, bo dotyczy ona bezpośrednio Polski jako państwa członkowskiego UE i sygnalizuje kierunek zmian na najbliższe lata.

1 kwietnia 2025 r. Komisja Europejska przedstawiła ProtectEU - europejską strategię bezpieczeństwa wewnętrznego. Obejmuje między innymi odporność na zagrożenia hybrydowe, cyberbezpieczeństwo, ochronę infrastruktury krytycznej i zwalczanie przestępczości zorganizowanej. Jednym z zapowiedzianych elementów strategii jest plan działania wobec zagrożeń chemicznych, biologicznych, radiologicznych i jądrowych, uzupełniający istniejący od 2017 r. unijny plan działania oraz przyjętą w 2025 r. strategię na rzecz unii gotowości.

ProtectEU wpisuje zagrożenia biologiczne (w tym celowe, nie tylko naturalne) w ramy bezpieczeństwa wewnętrznego Unii Europejskiej, a nie wyłącznie zdrowia publicznego - co potencjalnie tworzy dodatkowy, niezależny od HERA kanał i źródło finansowania na rozwój zdolności wykrywania patogenów, w tym metagenomicznych.

Jeszcze w 2026 r. ma zostać opublikowany nowy unijny plan działania na rzecz gotowości i reagowania na zagrożenia chemiczne, biologiczne, radiologiczne i nuklearne (CBRN Preparedness and Response Action Plan), obejmujący m.in. zbadanie możliwości przeciwdziałania nadużyciom nowych technologii - wprost wymieniono tu syntezę kwasów nukleinowych oraz biotechnologię wspieraną przez AI. Równolegle zapowiedziano Strategię Zapasów UE i Strategię Środków Przeciwdziałania Medycznego (Medical Countermeasures Strategy) jako elementy gotowości zdrowotnej na wypadek zagrożeń CBRN.

6. Rozwój sekwencjonowania w Polsce

Genomika dla Polski (G4PL) to uruchomiony w styczniu 2026 r. projekt budowy ogólnokrajowej sieci laboratoriów genomicznych, prowadzony przez konsorcjum 12 instytucji z Instytutem Chemii Bioorganicznej PAN jako liderem, finansowany z programu FENG (Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki) kwotą 248,3 mln zł. Projekt obejmuje zakup sekwenatorów długoodczytowych, zebranie i sekwencjonowanie DNA od polskich dawców (część jako wkład do europejskiego Genome of Europe), oraz budowę centralnego repozytorium danych.

G4PL to projekt genomiki populacyjnej i medycyny personalizowanej - skierowana jest głównie na diagnostykę chorób rzadkich, onkologicznych i kardiologicznych - niestety nie uwzględniono w nim nadzoru pandemicznego. Jednak zakup sprzętu pośrednio przyczynia się do rozwoju sekwencjonowania w Polsce i w przyszłości krótszej ścieżki do wprowadzenia MGS.

Co nas czeka w przyszłości? Wdrażanie strategii One Health8, która w mojej opinii jest kluczowa w przygotowaniach do pandemii. Połączenie szerokiej diagnostyki metagenomicznej na wielu poziomach z zintegrowaną współpracą międzynarodową i wymianą danych będzie możliwe dzięki wspólnym przełamywaniu barier technologicznych i prawnych.

Jeśli jesteś zainteresowany rozwojem własnego projektu lub dołączeniem do istniejącego - sprawdź https://blueprintbiosecurity.org/biosurveillance-rfp-2026/

Endnotes

1. Russell T, Formiconi E, Casey M, McElroy M, Mallon P, Gautier VW. Viral Metagenomic Next-Generation Sequencing for One Health Discovery and Surveillance of (Re)Emerging Viruses: A Deep Review. International Journal of Molecular Sciences. 2025;26. doi:10.3390/ijms26199831

2. Tan JK, Servellita V, Stryke D, et al. Laboratory validation of a clinical metagenomic next-generation sequencing assay for respiratory virus detection and discovery. Nat Commun. 2024;15(1):9016. Published 2024 Nov 12. doi:10.1038/s41467-024-51470-y

3. Liang C, Wagstaff J, Aharony N, Schmit V, Manheim D. Managing the Transition to Widespread Metagenomic Monitoring: Policy Considerations for Future Biosurveillance. Health Security. 2023;21:34 - 45. doi:10.1089/hs.2022.0029

4. https://www.cdc.gov/traveler-genomic-surveillance/about/index.html

5. https://mscape.climb.ac.uk/

6. Venkatesan P. UK launch metagenomic pathogen surveillance programme. Lancet Microbe. Published online April 9, 2025. doi:10.1016/j.lanmic.2025.101143

7. https://glowacon.org/

8. Aarestrup FM, Bonten M, Koopmans M. Pandemics- One Health preparedness for the next. Lancet Reg Health Eur. 2021;9:100210. doi:10.1016/j.lanepe.2021.100210