Keeping track of pathogen evolution!
Hintergrund
Die Ganzgenomsequenzierung kann das genetische Repertoire von Infektionserregern mit maximaler Auflösung (d. h. auf Ebene einzelner Nukleotide) aufschlüsseln und so z. B. die genetische Basis von erhöhter Transmissibilität, Pathogenität oder Medikamenten-Resistenz aufzeigen; sie kann entscheidende Informationen für Diagnose, Therapie und die Entwicklung von Impfstoffen liefern, Einblicke in die Phylogenetik von Erregern ermöglichen und – in Kombination mit der aufsuchenden Epidemiologie – Übertragungsdynamiken in geographischen und zeitlichen Dimensionen abbilden.
Der effektive Nutzen der Erreger-Sequenzierung ist jedoch von einer Reihe von Faktoren abhängig, u. a. der Verfügbarkeit und dem Einsatz von geeigneten Beprobungsstrategien, der nachgeschalteten Datennutzung, einer Integration mit der phänotypischen Charakterisierung, und einem kollaborativen, abgestimmten und vernetzten Vorgehen inklusive Standardisierung.
Für diese Faktoren werden im Rahmen von GenSurv und in enger Interaktion mit dem Robert Koch-Institut effiziente, effektive und nachhaltige Lösungen bereitgestellt.
Zielsetzung
Die COVID-19 Pandemie hat die wichtige Rolle der genomische Charakterisierung von Krankheitserregern für das Pandemie-Management sowie die individuelle Patientenversorgung gezeigt.
Durch GenSurv wird die bereits in B-FAST, NUM 1.0, initiierte Kooperation zwischen dem nationalen Robert Koch-Institut und dezentralen universitären SARS-CoV-2-Sequenzierungsaktivitäten sowie der effektiven Nutzung der Informationen auch im öffentlichen Gesundheitsdienst ausgebaut. GenSurv umfasst:
- Bereitstellung und Weiterentwicklung von Tools und Pipelines für die Erfassung und Verarbeitung von Sequenzierungsdaten
- Bereitstellung eines Data Hubs zur Sammlung und Analyse von Sequenzierungs-Rohdaten
- Bereitstellung von Fähigkeiten zur phänotypischen Charakterisierung
- Erweiterung und Bewertung von zielgerichteten Beprobungsstrategien
Die Infrastruktur wird kontinuierlich angepasst und auf andere Krankheitserreger erweitert.
Vision
Wir überwachen die Evolution und Verbreitung von bakteriellen und viralen Krankheitserregern in Deutschland und tragen damit zum Schutz der Bevölkerung vor Infektionskrankheiten bei. In enger Kooperation mit dem Robert Koch-Institut stärkt GenSurv die Handlungskompetenz der relevanten Stakeholder in endemischen, epidemischen, pandemischen und Ausbruchs-Situationen und verknüpfen die Expertisen der Universitätsmedizin, der Wissenschaft und des Öffentlichen Gesundheitsdienstes. Wir unterstützen politische Entscheidungsprozesse und die Öffentlichkeit durch das Bereitstellen relevanter Informationen und Analysen.
Mission
Gemeinsam mit dem Robert Koch-Institut unter Einbezug weiterer Expert*innen entwickeln wir ein nationales Netzwerk für die Genomische Erreger-Surveillance (GES), in dem wir für die Surveillance relevante Strategien, Technologien und Expertisen effizient zusammenführen, bewerten, (weiter-)entwickeln und zur gemeinsamen Nutzung zur Verfügung stellen. Dazu gehören insbesondere Strategien zur Auswahl und Beprobung relevanter Infektionserreger, der Aufbau einer Daten-Infrastruktur zur Speicherung und Analyse von Infektionserreger-Sequenzierungsdaten sowie eine Verknüpfung dieser Daten mit ausgewählten Informationen zum Verhalten des Erregers und dem Kontext, in dem die Infektion erfolgte. Diese kombinierte Infrastruktur ist grundsätzlich skalierbar und international anschlussfähig konzipiert. Flankierend werden Kommunikationstools und eine Informationsplattform zur Förderung von Interaktion und Wissensaustausch zwischen den relevanten Stakeholdern aufgebaut. Unsere Infrastruktur basiert auf Institutions-, Sektoren- und Professionen-übergreifender und überregionaler vertrauensvoller Zusammenarbeit. Wir kooperieren mit anderen Infrastrukturen und Initiativen innerhalb und außerhalb des Netzwerk Universitätsmedizin. Die Prinzipien der Offenheit, Kollaboration, Qualitätssicherung und Effizienz gemäß der FAIR-Prinzipien stellen die Basis unseres Arbeitens dar.
Methodik
GenSurv stellt Konzepte und technische Lösungen bereit für die oben angegebenen Faktoren, die für eine effiziente, effektive und nachhaltige Nutzung der genomischen Surveillance essentiell sind. Diese werden in die bereits bestehenden Strukturen des Robert Koch-Instituts integriert und zur Nutzung bereitgestellt. Die Arbeiten der Universitätskliniken können als Sentinel für das Robert Koch-Institut und Deutschland dienen.
GenSurv beinhaltet die folgenden Module:
- Auf Basis von iterativen Stakeholder Befragungen sowie einer Charakterisierung und Modellierung von Pathogen-Transmissionsnetzwerken wird eine Erfassungs- und Beprobungsstrategie unter Berücksichtigung von Effektivität, Effizienz, Passform und Akzeptanz entwickelt.
- Um Pathogen-Sequenzierungsdaten erfassen, speichern und analysieren zu können, wird ein zentraler Data-Hub betrieben, in dem auch eine optimierte SARS-CoV-2-Assemblierungspipeline zur Verfügung gestellt und zur Qualitätskontrolle der Datensätze genutzt wird.
- Zur Optimierung des Nutzens der der gesammelten Daten für andere NUM-Partner und das pandemische Management werden analytische Tools (z. B. Visualisierung von Abstammungslinien, statistische Modelle zur Erkennung der Häufigkeit von Ausbruchsereignissen) bereitgestellt.
- Die Sammlung genetischer Informationen wird mit einer Identifikation und Charakterisierung phänotypischer Veränderungen (z. B. Viruslast, Resistenzen) kombiniert, um eine Verbindung zwischen der Untersuchung genetischer Strukturen und klinischen sowie Public-Health-Entscheidungsprozessen herzustellen.
Mehrwert
GenSurv baut auf dem Arbeitspaket 8 des NUM-Projektes B-FAST, Förderlinie 1, auf, welches später als andere Arbeitspakete in 2021 startete und dessen Aufgabe die Nutzung tiefergehender Erregercharakterisierung durch die molekulare Typisierung zum besseren Pandemieverständnis war. Diese Analysen sollten die Aussagekraft der Infektionssurveillance optimieren und erlauben, z. B. Übertragungsketten besser zu erkennen und besonders leicht übertragbare Varianten zu identifizieren. Zentral ist hier ein gemeinschaftlicher Ansatz, in dem universitäre Sequenzierzentren kooperativ ihre Daten bewerten. Des Weiteren wurden die grundlegenden Schlüsselkomponenten einer Infrastruktur zur genomischen Erregersurveillance von COVID-19 entwickelt. Diese sollen nun weiter bereitgestellt, weiterentwickelt und auf weitere Erreger ausgeweitet werden.
GenSurv stellt eine Plattform für die genomische Erregersurveillance zur Verfügung, welche die genomische Variabilität, Emergenz und Verbreitungsdynamik auf Populations- und Patientenebene sichtbar macht und so das Pandemie-Management unterstützen kann. Die Universitätskliniken können als Sentinel für das Robert Koch-Institut und Deutschland fungieren. Dies ist nicht nur im Kontext einer schnell verlaufenden Pandemie relevant, sondern ist Grundvoraussetzung für das Verständnis der Ausbreitungsdynamik aller pandemischen Erreger. Die entwickelte Infrastruktur kann auch auf heute noch nicht bekannte Pathogene angepasst werden; damit trägt die Infrastruktur zu einer signifikant erhöhten “Pandemic Preparedness” gegen neue Pathogene mit pan- oder epidemischen Potential bei.
GenSurv stärkt die Zusammenarbeit zwischen dem Robert Koch-Institut, verschiedener Ebenen des Gesundheitswesens, den wissenschaftlichen/akademischen Einrichtungen und dem Öffentlichen Gesundheitsdienst.
Effektive und effiziente („intelligente“) Samplingstrategien für verschiedene pan- und epidemische Kontexte
Die Zielsetzung von AP1 ist die bestmögliche Wissensbasis, die zur Führung einer bestgeeigneten zeitgemäßen Infrastruktur erforderlich ist, iterativ herzustellen unter besonderer Berücksichtigung von Effektivität, Effizienz, Passform und Akzeptanz. Dazu wird zum einen ein Stufenplan für eine Optimierung der bereits bestehenden Basisinfrastruktur hin zu einer skalierbaren und Anwender-orientierten Erfassung- und Beprobungsstrategie für die genomische Erregersurveillance in Deutschland entwickelt. Zum anderen werden Pathogen-Transmissionsnetzwerke charakterisiert und mathematisch modelliert, um darauf Empfehlungen für repräsentative, effektive und vor allem effiziente Beprobungsstrategien zu formulieren.
Zentraler Data Hub
Das Ziel von AP2 ist der Betrieb eines zentralen Data Hubs, welcher die Erfassung, das Speichern und die Analyse von SARS-CoV-2 Sequenzierungsdaten (und ab 2023 anderer Erreger) ermöglicht, inkl. der Erfassung der beim Sequtenzierungsprozess generierten Rohdaten. Der Data Hub wird eine optimierte SARS-CoV-2-Assemblierungspipeline zur Verfügung stellen und auf zum Data Hub übertragene Datensätze zum Zwecke der Qualitätskontrolle anwenden.
Analytische Tools im Data Hub
Die zentralen Ziele von AP3 beinhalten die Entwicklung der analytischen Tools, um die Nützlichkeit der im Data Hub gesammelten Daten für andere Partner innerhalb und außerhalb des Netzwerks Universitätsmedizin und für das pandemische Management, insbesondere auch für die Öffentlichen Gesundheitsdienste, zu optimieren.
Phänotypische Charakterisierung erfolgreicher Lineages
Das Ziel von AP 4 ist, über die Charakterisierung von Pathogen-Phänotypen die Verbindung herzustellen zwischen der Untersuchung genetischer Strukturen auf der einen Seite und klinischen und Public-Health-Entscheidungsprozessen auf der anderen Seite („Stein von Rosetta“-Funktion).
Infrastruktur- übergreifende Koordination
AP5 stellt die übergreifende Koordination und Öffentlichkeitsarbeit aller Infrastrukturprojekte im Netzwerk Universitätsmedizin sicher.
Unterstützung bei Koordination und Vernetzung
Ziel des Z-Projekts ist es, zu einer Vernetzung der Infrastruktur-Partner untereinander und mit anderen Projekten und Partnern des Netzwerk Universitätsmedizin sowie externen Partnern beizutragen. Dazu wird eine zentrale Sammel- und Ausgabestelle für Informationen verwaltet.
