Sekvensointi taipui tutkimuksen työkalusta koronapandemian seurantaan

Helsingin yliopiston tutkijoiden ja teknologia-asiantuntijoiden rooli koronapandemian hallinnassa on korostunut uusien, herkästi leviävien virusmuotojen saavuttua Suomeen. Virusmuunnosten seuranta saatiin pikaisesti käyntiin yliopiston sekvensointilaitteistojen ja asiantuntemuksen avulla – nopeassa reagoinnissa ovat auttaneet pandemian alusta asti käynnissä olleet tutkimusprojektit, hyvä varautuminen ja eri toimijoiden yhteistyö.

Kaikkien virusten perimään kertyy vähitellen muutoksia, joista vain osa on viruksen leviämisen kannalta edullisia. Muutoksien tunnistamiseksi kunkin virusnäytteen perimä täytyy selvittää sekvensointimenetelmällä. Samalla saadaan epidemian kannalta tärkeää tietoa tartuntaketjuista, minkälaisia virusmuunnoksia maahan on saapunut ja miten laajalle ne ovat levinneet.

Suomessa virusnäytteiden sekvensointia on kehitetty Helsingin yliopiston virologian osastolla professori Olli Vapalahden zoonosivirologian tutkimusyksikössä, jossa koronavirussekvensointia on tehty ensimmäisestä COVID-19-potilaasta alkaen. Syksystä asti sekvensoinnin tukena on ollut myös Suomen molekyylilääketieteen instituutti (FIMM).

Ennen joulua uusien, herkemmin tarttuvien virusmuotojen ilmaantumisen jälkeen sekvensointi nousi varianttien tunnistamisessa valokeilaan ja osaksi sekä diagnostiikkaa että pandemiakontrollia. Myös Helsingin yliopistoon tulevien näytteiden määrä kasvoi: HUS-alueen näytteiden lisäksi yliopistolle on joulukuusta lähtien tullut tutkittavaksi muun muassa kaikki Suomen matkustajanäytteet, kuten lentokentiltä ja satamista tulevat positiiviset näytteet.

– Viime vuoden aikana Helsingin yliopistossa tutkittiin yhteensä noin 1 600 HUS-alueen positiivista koronavirusnäytettä. Yhteisenä tavoitteena on nostaa koko yliopiston sekvensointikapasiteetti 800 virusnäytteeseen viikossa, kun aiemmin se on ollut noin 200–300 näytettä viikossa, FIMM Teknologiakeskuksen johtaja Katja Kivinen kertoo.

FIMMin teknologiaosaaminen nousi kansallisesti tärkeään rooliin

Normaalioloissa FIMM Teknologiakeskuksen sekvensointilaboratoriossa keskitytään lääketieteellisen tutkimuksen yhteydessä kerättyjen potilasnäytteiden geenivirheiden selvittämiseen. Koronaviruspandemian alkaessa sekvensointilaboratoriossa alettiin kuitenkin saman tien selvittää myös COVID-19-viruksen sekvensointiin soveltuvia menetelmiä.

– Tiesimme sekvensoinnin olevan toimivin menetelmä uusien viruskantojen kehittymisen ja leviämisen seuraamiseen ja halusimme aktiivisella varautumisella varmistaa, että laboratoriomme pystyy tarvittaessa avustamaan viranomaisia tässä työssä, sekvensointiyksikön päällikkö Pekka Ellonen kertoo.

Sekvensointiyksikössä käytetty, niin sanottua uuden sukupolven sekvensointiteknologiaa hyödyntävä laitteisto sopi sellaisenaan myös virusten sekvensointiin. Sekvensointimenetelmän tarkat ohjeet oli puolestaan julkaistu vapaasti verkossa kansainvälisen tutkijayhteisön toimesta.

– Menetelmän käyttöönottoon meni laboratorioltamme noin kaksi viikkoa. Tulosten laatu varmennettiin yhteistyössä virologian osaston kanssa, joka oli aloittanut sekvensoinnin heti vuoden alussa Teemu Smuran johdolla. Loppuvuoden aikana sekvensoimme yhteistyössä yli tuhat virusnäytettä, Ellonen kertoo.

Tuotettua tietoa hyödynnettiin kuitenkin pääasiassa tieteellisen tutkimuksen tarpeisiin, kunnes uudet, herkemmin leviävät virusmuodot rantautuivat myös Suomeen.

– Joulukuussa aloimme päästä tositoimiin. Muutaman viikon aikana perustimme työryhmän, joka kattaa kolme Helsingin alueella sekvensointia tekevää laboratoriota. Koulutimme henkilökuntaa ja harmonisoimme työtapoja sekä varastoimme ja jakelimme yhteistilauksella hankittuja reagensseja. Jos kaikkien laboratorioiden olisi pitänyt käynnistää toiminta alusta lähtien, aikaa olisi hukkaantunut jopa kuukausia.

Kouluttamisen lisäksi FIMMissä on joulusta lähtien sekvensoitu satoja uusia virusnäytteitä. Sekvensointia voidaan tehdä joko perinteisillä menetelmillä pienemmille määrille kiireellisiä näytteitä tai isommille näyte-erille noin viikon vasteajalla uuden sukupolven sekvensointimenetelmiä hyödyntäen.

Ellonen kertoo, että resursseja priorisoimalla kapasiteettia voidaan edelleen tarvittaessa nostaa.

Viruksesta saatu data yhdistetään potilastietoihin

Kaikki Helsingin yliopistossa sekvensoidut näytteet päätyvät jatkoanalysoitavaksi virologian osastolle. Analyysista vastaavat tutkijat Teemu Smura ja Ravi Kant tiimin muiden bioinformaatikkojen kanssa.  

Näytteitä voidaan lisäanalyysin avulla verrata kansainvälisiin tietokantoihin: vertailun avulla saada selville, minkä tyyppinen virus on ja minkälaisia mutaatioita viruksesta löytyy. Tiimi käyttää apunaan Tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) kanssa kehitettyä sovellusta, joka voi analysoida tuhansia näytteitä muutamassa tunnissa.

Sekvensointia virologian osastolla

Tutkija Teemu Smura johtaa zoonoosivirologian tutkimusryhmän sekvensointityötä.

Analysoitu tieto voidaan yhdistää nykyään suoraan potilastietoihin, jolloin saadaan reaaliaikaisesti selville helposti leviävät variantit. Uusi yhteistyö HUSLABin kanssa aloitettiin joulukuussa 2020.

– Nyt tiedämme, minkä tyyppinen virus tartunnan saaneella henkilöllä on, uhkaavien infektiotautien apulaisprofessori Tarja Sironen kertoo.

Hän sanoo, että ilman toimivaa yhteistyötä eri organisaatioiden kanssa, valmiina olevia käytäntöjä ja tutkimusvalmiutta maahan tulevien muunnosten kiinni saaminen olisi mahdotonta.

– Varautumisessa pitää olla valmis nopeaan toimintaan. Olemme ylpeitä siitä, että pystyimme reagoimaan joulukuussa niin nopeasti ja saimme heti alkuvaiheessa maahan tulevat muunnostapaukset kiinni. Myös jatkossa varianttien aiheuttamat tartunnat ja tartuntaketjut on löydettävä – pian tätä työtä helpottavat koronatestit, jotka tunnistavat variantit, Sironen kertoo.

Hän toivoo, että jatkossa sekvenssidatan ja potilastietojen yhdistämisen avulla voidaan tutkia myös taudinkuvan muutoksia ja esimerkiksi viruksen aiheuttamien jatkotartuntojen määrää.

Lisäksi sekvensoinnin avulla saadaan valtavasti tutkimuksellista dataa. Sironen kertoo, että sekvenssidatan lisäksi on tärkeää myös kasvattaa viruksia potilasnäytteistä laboratoriossa, jolloin on mahdollista tutkia koronaviruksen biologisia ominaisuuksia tai esimerkiksi vasta-aineiden tunnistamista.

– Tutkimuksen avulla saamme lisää työkaluja riskien arviointiin ja tietoa siitä, millä tavoin eri virusmuunnokset ovat uhkaavia, hän sanoo.