南极蠕虫和机器学习帮助识别脑瘫

当特拉华大学的分子生物学家亚当·马什的DNA研究蠕虫生活在南极洲的寒冷海域了解生物体设法生存——在极地环境极其恶劣,他从来没有想到他的工作可能有一天有一个人联系。

但事实证明,这些南极蠕虫的基因组非常类似于我们的基因的数量和类型。马什和开创性技术发展来分析他们的基因活动被证明是有价值的对人类健康护理研究。

马什和一个商业伙伴建立了一个生物科技公司做技术可用于此类研究。具体来说,沼泽的方法使用下一代基因测序数据测量细胞如何控制基因的开启或关闭,这一过程称为DNA甲基化。

现在,特拉华州的团队发布了同行评议期刊BMC生物信息学的一项研究表明,在循环血细胞DNA甲基化模式可以用来帮助确定痉挛性脑瘫(CP)的病人。

跨学科的工作是研究人员之间的合作在特拉华大学,沼泽的公司基因组分析有限责任公司(简称GenPro)和穆尔/阿尔弗雷德儿童医院。

这项研究的合作者包括湿地;项目首席研究员罗伯特·阿金斯来说,指导儿科临床研究与发展中心穆尔/阿尔弗雷德儿童医院和UD附属教授;艾琳Crowgey,论文的第一作者和生物信息学在穆尔副主任;Karyn罗宾逊,螺旋的实验室经理,和斯蒂芬妮·伊格尔,项目研究协调员,穆尔生物医学研究。

寻求解决方案,使早期干预

痉挛性脑瘫是一种终身疾病,其特征是关节僵硬,不平稳的运动和肌肉紧张,影响运动和姿势和限制的活动影响孩子。CP是最常见的儿童身体残疾和疾病控制和预防中心(CDC)估计,每323名儿童中就有一人CP。

在这项研究中,研究小组异形的血液样本中收集的盲法研究青少年从9到19岁探索骨科手术患者痉挛性脑瘫是否显示在细胞水平上的差异,常规骨科病人(与前交叉韧带撕裂,脊椎对齐或其他手术)。研究人员确定了一套强大的甲基化标记,或模式,表明基因组差异痉挛性脑瘫的孩子和没有它。

这些DNA测序数据中发现的甲基化模式——科学家们区分团体痉挛性脑瘫的孩子与那些没有。在另一项研究中,使用另一组样本的年龄在2到5岁时,研究人员能够验证他们的结果和预测准确率达到了73%的血液样本是否来自孩子们已经有了CP。

“有证据表明,有一些表观遗传或遗传联系,“Crowgey说,生物医学研究与穆尔bioinformatician赢得她的UD生物信息学和系统生物学的博士学位,2016年是一个附属教员在特拉华大学。“如果我们能把工作做得更好的筛查这些出生时间与等待障碍诊断说,两岁的时候,可能我们可以提供早期治疗和有更好的结果和降低医疗成本。”

医疗补助数据显示,孩子与CP 10年度医疗费用比那些没有CP 26倍,传授高负担的病人、家庭和社会。2003年,美国疾病控制和预防中心估计,一生照顾一个脑瘫的成本大约是100万美元,除了正常的生活成本。这个数量相当于大约130万美元在2014年根据通货膨胀进行调整。

数据科学的力量,分析和机器学习

UD /穆尔研究利用一个独特的统计方法和软件平台开发的湿地在特拉华大学,和GenPro许可,测量DNA甲基化模式(一个细胞的遗传代码)使用下一代测序(上天)数据。

门店是一个现代DNA技术,使科学家能够解码以更快的速度、更低的成本比传统的DNA测序技术。每个人的基因组,或完整的DNA,就像一个单词,30亿个字符的长度;但拼写只有字母T C或g .传统的DNA测序技术解码的DNA片段700个字符,而上天利用并行计算能力的同时使科学家能够解码数百万个DNA片段。

根据沼泽,他正在研究人类健康应用程序,微妙的变化在病人的身体健康是平行的DNA甲基化的变化,使其了解疾病的一个有用的工具。

“许多信号,我们捡都是基于免疫系统shifts-meaning路一个人的免疫系统响应外部压力事件,“马什说,GenPro首席科学官和UD学院的副教授地球,海洋,和环境。“我们可以捡,表观遗传响应,或信号,发现在基因测序和使用它为临床医生提供另一条线的证据使用决策。”

使用先进的机器学习技术和算法的方法整理数百gb的门店数据寻找这些独特的DNA甲基化模式。

“数据是巨大的,”Crowgey说。“这不是一个人能做的,你需要的基础设施、机器学习和数据分析,和数据科学。”

的研究和培训,将可能通过UD的新宣布的数据科学研究所,吴将由凯西,建议Crowgey的UD博士研究。

结果是有前途的,但是研究人员说,需要更多的测试

而研究结果表明有一个一致的信号出现在循环血细胞的痉挛性脑瘫患儿仍从幼儿到青少年时期,研究人员说,需要进一步研究样本不同的年龄段,包括青少年、幼儿和婴儿从出生到两岁。更好地理解这些甲基化信号还可以提供研究人员新线索在推进CP的细胞过程的理解,因此,管理疾病的新疗法。

“我们仍然处于早期阶段,但结果非常有前途,我们兴奋的敏感性测试,我们看到在我们的回顾性分析,“Crowgey说。如果成功,研究人员说,血液测试也可能是有用的其他疾病,包括婴儿白血病。

“这血液测试可以改变游戏规则,“m .韦德博士说,他还领导脑瘫中心穆尔/阿尔弗雷德儿童医院。“越早诊断、早我们可以直接治疗的孩子。具体来说,高强度的物理治疗和早期手术,以防止可能更重要的问题在未来,希望改善整体功能和生活质量。”

这部分研究的资金是由特拉华大学生物科学中心推进技术,美国国家科学基金会(奖# ' s 0944557和0944557),美国脑瘫和发育医学和穆尔。

生物技术创业公司的诞生

马什学分他独特的背景在计算生物学,海洋科学和学术界与人类健康帮助他解决问题以非传统的方式进行。

在南极洲,沼泽是试图了解环境力量epigenetically无脊椎动物蠕虫的DNA甲基化模式发生改变。具体地说,他是研究应力从低温和低食物可用性刺激的化学变化在细胞水平上帮助细胞存活,以及这些变化是如何遗传给后代。

当时,可用的技术来做这项工作非常昂贵和关注人类模型系统,因此湿地开发了自己的方法和平台使用门店数据测量DNA甲基化模式。一旦平台工作,沼泽意识到它可以应用于任何生物,包括人类基因组。

“基因组的基因组,但我需要更多的资金支持,推动进一步的工具,“马什说。

然后UD办公室主任大卫•堰经济创新和合作伙伴(OEIP),帮助湿地保护他的想法,将他介绍给杰布·康纳,专业知识的联系所在的软件和生命科学。在早期,康纳的沼泽和沼泽的安排会议之前关于技术的问题和别人谈论这个项目。快进100左右的演讲,两人知道他们是有价值的东西。

马什和康纳在2011年创立了生物技术创业公司GenPro 2014年和商业化。今天,GenPro核心团队的五个专业人士和GenPro软件平台提供了一个快速、成本效益和更准确的方法来衡量DNA甲基化模式在传统技术。

马什OEIP令人难以置信的资源帮助他称为“保持正轨,做出正确的联系人在商界和进一步推进他的想法“比他能独自一人。也有其他人,从康纳马什帮助他分析平台开发成一种产品与一个坚实的商业计划,卫生保健系统和其他合作伙伴GenPro团队开发了。

“我一直印象深刻特拉华州的生态系统,“马什说。在GenPro”不只是我们一个想法,我们有UD的帮助下,机构和其他公司。从小事的人愿意给我们反馈关于我们的想法,通过特拉华州政府资助生物科学先进技术中心拨款做基因测序的。”

去年秋天,GenPro和克里斯蒂安娜保健卫生系统研究人员宣布了一项有前景的新血液化验,或者测试,这可能提高能力结合使用时发现乳腺癌常规监测,如乳房x光检查。

试验利用GenPro分析来识别表观遗传生物标记物,可以用来检测细微变化的免疫反应的不同阶段的女性乳腺癌。工作是一个合作项目,克里斯蒂安娜保健免疫学家Jennifer Sims-Mourtada平移乳腺癌研究主任海伦·r·格雷厄姆癌症中心和研究所。团队完成了2016年首次试点研究,从各种渠道筹集资金支持正在进行的临床工作。

这篇文章被转载材料提供的特拉华大学。注:材料可能是长度和内容的编辑。为进一步的信息,请联系引用源。

参考:Crowgey, e . L。沼泽,a G。罗宾逊,k . G。耶格尔,美国K。&螺旋,r . e . (2018)。表观遗传机器学习:利用DNA甲基化模式预测痉挛性脑瘫。BMC生物信息学,19日,225。https://doi.org/10.1186/s12859 - 018 - 2224 - 0