Detektion und genetische Charakterisierung viraler Enzephalitiserreger mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und Metagenomdiagnostik

Ebinger, Arnt

published

Detektion und genetische Charakterisierung viraler Enzephalitiserreger mittels Hochdurchsatz-Sequenzierung und Metagenomdiagnostik

English
German

Viral pathogens can cause severe and fatal encephalitis in humans and animals. However, the etiologic agent is identified in only about 50% of cases. In this work, we investigated the potential of the metagenomic next-generation sequencing (mNGS) to identify novel pathogens in infectious encephalitis in humans and animals. Another objective was to define the endemic areas of Borna disease virus 1 in Germany, Austria, Switzerland, and Liechtenstein in very much detail using phylogeographic analyses. Within this study, a likelihood-based mathematical model was developed and validated. It calculates the individual limit of detection of mNGS analyses and the minimum dataset size required to detect at least one virus read, depending on the virus-host ratio and dataset size (Ebinger et al. (2020), Comput Struct Biotechnol J). Furthermore, mNGS was applied to fatal encephalitis in zoo and domestic mammals. This led to the first identification of Rustrela Virus (RusV) as the etiological agent, a virus distantly related to the human rubella virus. RusV was also detected in yellow-necked mice (Apodemus flavicollis), identified as a reservoir host due to the phylogenetic proximity of the virus and the absence of signs of inflammation (Bennett, Paskey, Ebinger et al. (2020), Nature). Additionally, an unknown ovine enterovirus was identified in lambs during an acute outbreak on an Austrian organic dairy sheep farm as the cause of fatal encephalitis (Weissenböck, Ebinger et al. (2021), Transbound Emerg Dis). The phylogeographic analysis of a total of 246 BoDV-1 infections in humans, domestic mammals, and bicoloured white-toothed shrews (Crocidura leucodon), which are considered as BoDV-1 reservoirs, revealed a detailed definition of BoDV-1 endemic areas. It was demonstrated that the various cross-species phylogenetic clusters divide into barely overlapping regional subclades and that most zoonotic spillover infections occured in the vicinity of patients' homes or husbandry sites (Ebinger et al. (2023), submitted). Overall, the results contribute to an improved understanding of the sensitivity and interpretability of mNGS analyses in the clinical and scientific context. They also provide important insights into the occurrence, distribution, host range, and genetic diversity of rubiviruses, ovine enteroviruses, and BoDV-1.

Virale Erreger können bei Mensch und Tier schwere bis fatale Enzephalitiden auslösen. Jedoch wird in nur ca. 50 % der Fälle das ätiologische Agens identifiziert. In dieser Arbeit wurde das Potential der Next Generation Sequencing-basierten Metagenomdiagnostik (mNGS) zur Identifizierung neuer Erreger bei infektiösen Enzephalitiden von Mensch und Tier untersucht. Ein weiteres Ziel war es, die Endemiegebiete des Virus der Borna’schen Krankheit 1 (BoDV-1) in Deutschland, Österreich, der Schweiz und Liechtenstein mittels phylogeographischer Analysen genauer zu definieren. Es konnte im Rahmen dieser Arbeit ein wahrscheinlichkeitsbasiertes mathematisches Modell entwickelt und validiert werden, das die individuellen Nachweisgrenzen von mNGS-Analysen und die minimal benötigte Datensatzgröße zur Detektion mindestens eines Virus-Reads in Abhängigkeit des Virus-Wirts-Verhältnisses und der Datensatzgröße berechnet (Ebinger et al. (2020), Comput Struct Biotechnol J). Des Weiteren wurde mNGS bei fatalen Enzephalitiden von Zoo- und Haussäugetieren angewendet, was einerseits zur Identifizierung von Rustrela-Virus (RusV) als ätiologischem Agens führte, einem Virus, das mit dem im Menschen vorkommenden Rötelnvirus verwandt ist. RusV wurde zudem in Gelbhalsmäusen (Apodemus flavicollis) detektiert, die aufgrund der phylogenetischen Nähe des Virus und den fehlenden Anzeichen einer Entzündung als Reservoirwirt identifiziert wurden (Bennett, Paskey, Ebinger et al. (2020), Nature). Andererseits wurde ein bislang unbekanntes ovines Enterovirus in Lämmern bei einem akuten Ausbruchsgeschehen auf einem österreichischen Milchschafbetrieb als Ursache von fatalen Enzephalitiden identifiziert (Weissenböck, Ebinger et al. (2021), Transbound Emerg Dis). Die phylogeographische Analyse von insgesamt 246 BoDV-1-Infektionen in Mensch, Haussäugetieren und in den als Reservoirtier geltenden Feldspitzmäusen (Crocidura leucodon) ergaben eine umfassende und detaillierte Definition der BoDV-1-Endemiegebiete. Es konnte belegt werden, dass sich die verschiedenen speziesübergreifenden phylogenetischen Cluster in kaum überlappende regionale Subkladen aufteilen und die meisten zoonotischen Spillover-Infektionen in der Nähe der Wohn- oder Haltungsorte der jeweiligen Fälle auftraten (Ebinger et al. (2023), eingereicht). Insgesamt tragen die Ergebnisse zu einem deutlich verbesserten Verständnis der Sensitivität und Interpretierbarkeit von mNGS-Analysen im klinischen und wissenschaftlichen Kontext bei und geben wichtige Hinweise zum Vorkommen, Verbreitung, Wirtsspektrum und genetischer Diversität von Rubiviren, ovinen Enteroviren und BoDV-1.