由Mega-Sequencing罕见遗传疾病的快速诊断方法

斯坦福大学的科学家领导的研究工作设置的第一个吉尼斯世界纪录最快的DNA测序技术,这是用于人类基因组测序在5小时2分钟。

开发了一个新的超快速基因组测序方法斯坦福大学医学科学家和他们的合作者是用于诊断罕见遗传疾病的平均8小时——这一壮举几乎闻所未闻的标准临床护理。

“几个星期是大多数临床医生叫“快速”当涉及到病人的基因排序和返回结果,”说尤安阿什利,DPhil MB慢性乙肝的医学教授,斯坦福大学的遗传学和生物医学数据的科学。

基因组测序可以让科学家们看到病人的完整DNA组成,其中包含从眼睛的颜色到遗传性疾病的信息。基因组测序是至关重要的诊断患者疾病源于他们的DNA:一旦医生知道特定的基因突变,他们可以调整相应治疗。

现在,mega-sequencing方法由阿什利和他的同事设计重新定义了“快速”基因诊断:最快的诊断在短短7个小时。快速诊断意味着病人在重症监护单位可能花费更少的时间,需要更少的测试,恢复更快,花费更少的关心。值得注意的是,快速排序不牺牲精度。

有一篇描述将发布Jan.12研究者的工作《新英格兰医学杂志》上。阿什利,斯坦福大学医学院的副院长和罗杰Joelle波奈尔教授在基因组学和精密健康,是论文的资深作者。博士后学者约翰Gorzynski兽医学博士,博士学位,是第一作者。

设置创下纪录

在不到六个月张成的空间,团队注册和12名患者的基因组测序,五人收到测序的基因诊断信息的时间完成一天在办公室。(并不是所有的疾病都是基因的基础,这是可能的原因的一些病人没有收到返回排序后诊断信息,Ashley说。)团队的诊断率,约42%,比平均水平高出约12%诊断神秘疾病。

在的情况下,花了一个时髦的5小时2分钟一个病人的基因组序列,使第一个吉尼斯世界纪录的头衔最快的DNA测序技术。记录是认证由国家科学和技术研究所的基因组在瓶子里集团和被吉尼斯世界记录记载。

“这只是其中的一个神奇的时刻,合适的人突然在一起实现一些令人惊叹的,”阿什利说。“这真的感觉我们正在接近一个新边疆。”

诊断这种情况下的时间是7小时18分钟,阿什利的知识,是关于两倍的纪录基因组sequencing-based诊断(14小时)持有的雷迪儿童研究所。十四个小时仍然是一个令人印象深刻的快速周转,Ashley说。斯坦福大学的科学家计划提供sub-10-hour转变斯坦福医院和患者在重症监护病房露西派克儿童医院的斯坦福大学,随着时间的推移,其他医院。

加快

为了实现超高速测序速度,研究人员需要新的硬件。所以阿什利联系同事在牛津纳米孔技术建造了一台机器组成的48测序单位被称为流动细胞。当时的想法是只有一个人的基因组序列同时使用所有流动细胞。mega-machine方法是成功的——几乎太多。基因组数据被实验室的计算系统。

“我们无法处理数据速度不够快,”阿什利说。“我们不得不完全重新思考和修改我们的数据管道和存储系统。“研究生Sneha戈恩卡发现一种漏斗云存储系统的数据直接计算能力可以被放大到足以通过实时数据。独立算法然后扫描传入可能引起疾病的基因代码错误,,在最后一步,科学家们进行了一项比较患者的基因变异对公开记录变异导致疾病。

从开始到结束,团队试图加速病人的基因组测序的方方面面。研究样本徒步跑到实验室,新机器被设计成支持同时基因组测序,和计算能力升级有效地处理大规模数据集。现在,团队进一步优化其系统来减少时间。“我想我们可以再减半,”阿什利说。“如果我们能够这样做,我们讨论的是年底前能够得到一个答案一个病房。这是一个戏剧性的跳。”

读测序

也许最重要的诊断方法的特点迅速找出可疑的DNA片段的能力叫做读测序的使用。传统基因组测序技术切成小碎片,拼出DNA碱基对的确切顺序在每个块,然后把整个事情重新拼凑起来使用一个标准的人类基因组作为参考。但是这种方法并不总是捕捉我们的基因组的全部,和它所提供的信息有时可以省略的差异基因诊断。读测序保存很长一段的DNA成千上万的碱基对组成,为科学家提供类似的准确性和更多的细节在序列错误。

“突变发生在大量使用读测序基因组更容易探测。有变异,几乎不可能检测不读的方法,”阿什利说。这也是快得多:“这是我们选择了这种方法的一大原因。”

直到最近,公司和研究人员磨练读的准确性的方法足以诊断依赖它。和减少其once-hefty标价为阿什利的团队创造了一个机会。他的知识,本研究首次证明这种读测序的可行性的主要诊断医学。

在研究过程中,希礼的团队提供了加速基因组测序技术未确诊的病人在斯坦福医院的重症监护病房。他们提供了标准测试研究患者的医疗以及实验快速基因测序,他们寻求两个重要问题的答案:遗传学原因是病人的疾病吗?如果是这样,挑起麻烦特定DNA错误是什么?

心神秘

那些关键问题周围的马修Kunzman俄勒冈州。大约一年前,在马太福音13岁的时候,一个讨厌的咳嗽、高烧他降落在当地医生的办公室。“我们认为这是流感,或者COVID,”珍妮Kunzman说,马修的母亲。原来的咳嗽是第一个迹象被称为心肌炎心脏病,心脏的炎症,使器官很难将血液输送到身体的其他部位。在马修的后续测试当地医院透露了一个可怕的情况:他的心是失败。他的医生建议立即飞到斯坦福医院护理。

小时后,马修和他的父亲,老马太Kunzman抵达斯坦福医院。珍妮Kunzman到达一天后,发现她的儿子的病情已经恶化。马太福音是对生活的支持。

有两个原因主要是健康的13岁能体验这种心脏衰竭,Ashley说。一个被称为心肌炎,当免疫细胞群,常常引发的病毒或其他身体压力。另一个是遗传原因,突变的基因参与心脏功能。

了解这些区别,阿什利说,是至关重要的。“心肌炎通常是可逆的,”他说。”治疗,心脏可以恢复正常。但不是遗传条件。如果马修的条件是遗传,可能唯一的解决方案是心脏移植。”

Gorzynski走近马修的父母解释快速测序研究,问他们是否愿意招收男孩在这项研究。“他们告诉我们有一个全新的研究,他们正在试图加快诊断的过程中,“珍妮Kunzman说。“他们问我们是否愿意参与,我们说,“绝对。我们希望尽可能多的信息,试图找出是什么原因。”

马太几毫升的血,团队开始rapid-genetic-sequencing过程。“在几小时内,根植于遗传学测序数据显示条件,”阿什利说。

有了这些信息,马修立刻把心脏移植名单上。21天以后,他收到了一个新的心;今天,大约一年以后,他的妈妈说他做的“非常好。”

可疑癫痫

在另一起案件中,一只年老的病人来到斯坦福大学儿科急诊与不明原因的发作。很明显的婴儿患有癫痫的一种形式,但是究竟是什么导致这些症状是未知的。

研究者病人的基因组测序,通过mutation-detecting运行数据算法和交叉引用公共基因和疾病数据。他们同时要求标准临床诊断检测血液生物标志物与癫痫相关的基因来源。就在八小时后,由于快速测序数据,团队有了答案:年轻的病人的抽搐是由于基因的突变称为CSNK2B。

如果团队只依赖于标准的测试,没有诊断,尽管很可能进一步测试会出现正确的诊断对病人最终,Ashley说。“我们会在黑暗中好几个星期,”他说。

标准测试病人的血液筛查与疾病相关的标记,但他们只对少数证据确凿的基因扫描。商业实验室,通常运行这些测试,更新得很慢的分子屏幕,这意味着它需要花很长时间在新发现的致病突变是集成到测试。这可能会导致错过了诊断。

这就是为什么快速基因组测序可以改变境况不佳的患者从罕见的遗传性疾病,Ashley说。科学家可以研究任何一个病人的整个基因组科学文献建议的基因变异,即使基因只是发现的前一天。此外,如果病人不最初获得基因诊断,还有希望,科学家们会发现一个新的基因变异与病人的疾病。

其他医生的兴趣已经开始涌入。“我知道人们在斯坦福大学听过我们可以在几小时内使基因诊断,他们兴奋,”阿什利说。“基因测试只是不认为是测试,很快就回来。但是我们改变这种看法。”

参考:戈恩卡SD, Gorzynski我Shafin K, et al .超速的纳米孔基因组测序在急救护理设置。N拉米夫地中海。2022;0 (0):null。doi:10.1056 / NEJMc2112090

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