Технология за ултра бързо геномно секвениране може да открие редки генетични заболявания за осем часа

Нов ултра-бърз подход за секвениране на генома, разработен от учени от Stanford Medicine и техни сътрудници, е използван за диагностициране на редки генетични заболявания средно за осем часа -; подвиг, който е почти нечуван в стандартните клинични грижи.

„Няколко седмици е това, което повечето клиницисти наричат „бързо“, когато става въпрос за секвениране на генома на пациента и връщане на резултати“, казва Euan Ashley, MB ChB, DPhil, професор по медицина, генетика и наука за биомедицински данни в Станфорд.

Геномното секвениране позволява на учените да видят пълния ДНК профил на пациента, който съдържа информация за всичко – от цвета на очите до наследствените заболявания. Последователността на генома е жизненоважна за диагностицирането на пациенти със заболявания, идентифицирани в тяхната ДНК. След като лекарите знаят конкретната генетична мутация, те могат да препоръчат лечение.

Сега подходът за мега-последователност, разработен от екипа на Ashley, предефинира „бързина“ за генетична диагностика: най-бързата им диагноза е направена за малко повече от седем часа. Бързите диагнози означават, че пациентите могат да прекарват по-малко време в отделения за интензивни грижи, да се изискват по-малко тестове, да се възстановяват по-бързо и да харчат по-малко за грижи. Трябва да се отбележи, че по-бързото секвениране не жертва точността.

Поставяне на  рекорд

За период от по-малко от шест месеца екипът записва и секвенира геномите на 12 пациенти, пет от които получават генетична диагноза за времето, равно на работен ден в офиса. (Не всички заболявания са генетично обусловени, което вероятно е причината някои от пациентите да не са получили диагноза, след като информацията за последователността им е била върната, казва Ashley. Диагностичната честота на екипа, приблизително 42%, е с около 12% по-висока от средната стойност за диагностициране на редки заболявания.

В един от случаите са необходими 5 часа и 2 минути за секвениране на генома на пациент, което поставя постижението в Световните рекорди на Гинес за най-бърза техника за секвениране на ДНК. Рекордът е сертифициран от групата “ Genome in a Bottle “ от Националния институт за наука и технологии и е документиран от Световните рекорди на Гинес.

Това беше само един от онези невероятни моменти, в които правилните хора изведнъж се събраха, за да постигнат нещо невероятно“, казва Ashley. „Наистина се чувствах сякаш се приближаваме към нова граница.“

Времето, необходимо за диагностицирането на този случай, е 7 часа и 18 минути, което, доколкото е известно на Ashley, е около два пъти по-бързо от предишния рекорд за диагностика, базирана на секвениране на генома (14 часа), държан от детския институт Rady. Четиринадесет часа все още са впечатляващо бърз резултат, казва Ashley. Учените от Станфорд планират да предложат време под 10 часа на пациентите в отделенията за интензивно лечение в болницата в Stanford и детската болница Lucile Packard в Stanford -; а с течение на времето и в други болници.

Ускоряване

За да постигнат супер бързи скорости на секвениране, изследователите се нуждаят от нов хардуер. Така Ashley се свързва с колеги от Oxford Nanopore Technologies, които са построили машина, съставена от 48 секвениращи единици, известни като поточни клетки. Идеята е да се секвенира геномът само на един човек, като се използват всички поточни клетки едновременно. Подходът на мега-машината е много успешен, но геномните данни затрупват изчислителните системи на лабораторията.

„Не успяхме да обработим данните достатъчно бързо“, казва Ashley. „Трябваше напълно да преосмислим и обновим нашите канали за данни и системи за съхранение.“

Аспирантът Sneha Goenka намира начин да прехвърли данните направо към облачна система за съхранение, където изчислителната мощност може да бъде усилена достатъчно, за да отсее данните в реално време. След това алгоритмите сканират входящия генетичен код за грешки, които биха могли да причинят заболяване, и в последната стъпка учените правят сравнение на генните варианти на пациента с публично документирани варианти, за които е известно, че причиняват заболяване.

От началото до края екипът се стреми да ускори всеки аспект от секвенирането на генома на пациента. Сега екипът оптимизира системата, за да намали времето още повече. „Мисля, че можем отново да го намалим наполовина“, казва Ashley. „Ако сме в състояние да го направим, говорим за това, че можем да получим отговор преди завършване на кръг от прегледи в болнично отделение. Това е драматичен скок.“

Последователност за „дълго четене“

Може би най-важната характеристика е способността на диагностичния подход да забелязва бързо подозрителни фрагменти от ДНК, това  е използването на нещо, наречено „последователност за дълго четене“. Традиционните техники за секвениране на генома го нарязват на малки парченца, изписват точния ред на ДНК-основните двойки във всяка част, след което събират цялото нещо обратно заедно, използвайки стандартен човешки геном като референция. Но този подход не винаги обхваща целия геном и информацията, която предоставя, понякога може да пропусне вариации в гените, които сочат към диагноза. Продължителното четене на последователност запазва дълги участъци от ДНК, съставени от десетки хиляди базови двойки, осигурявайки точност и повече подробности за учените, които претърсват последователността за грешки.

„Мутациите, които се появяват върху голяма част от генома, са по-лесни за откриване с помощта на секвениране с „дълго четене“. Има варианти, които биха били почти невъзможни за откриване без някакъв подход за дълго четене“, казва Ashley. Освен това е много по-бърз: „Това беше една от главните причини да използваме този подход.“

Едва наскоро компании и изследователи усъвършенстваха точността на подхода за дълго прочитане достатъчно, за да разчитат на него за диагностика. Това и спад от някогашната му висока цена създава възможност за екипа на Ashley. Доколкото е известно, това проучване е първото, което демонстрира осъществимостта на този тип дългопрочитано секвениране като основен елемент в диагностичната медицина.

По време на проучването екипът на Ashley предложи техниката за ускорено секвениране на генома на недиагностицирани пациенти в отделенията за интензивно лечение на болници в Stanford. Те предоставят установен стандарт за тестване на грижите на изследваните пациенти заедно с експерименталното бързо генно секвениране, с което търсят отговори на два важни въпроса: Дали генетиката е виновна за заболяването на пациента? Ако е така, какви специфични ДНК грешки предизвикват проблеми?

Стандартните тестове проверяват кръвта на пациента за маркери, свързани с болестта, но те сканират само за шепа добре документирани гени. Търговските лаборатории, които често провеждат тези тестове, бавно актуализират молекулите, за които проверяват, което означава, че може да отнеме много време, преди новооткритите болестотворни мутации да бъдат интегрирани в теста. И това може да доведе до пропуснати диагнози.

Ето защо бързото секвениране на генома може да бъде огромна промяна в играта за пациенти, страдащи от рядко генетично заболяване, казва Ashley. Учените могат да сканират целия геном на пациента за всеки и всички генни варианти, предложени от научната литература, дори ако този ген е открит само преди ден. Освен това, ако пациентът първоначално не получи генетична диагноза, все още има надежда, че учените ще намерят нов генен вариант, свързан с болестта на пациента.

Интересът от други клиницисти вече започва да залива екипа. „Знам, че хората от Stanford са чули, че можем да поставим генетична диагноза за няколко часа, и са развълнувани от това“, казва Ashley. „Генетичните тестове просто не се смятат за тестове, които се връщат бързо. Но ние променяме това възприятие.“

Източник: www.news-medical.net

Сподели