NEJM:史上最快!超快纳米孔技术8小时测序基因组,找到致病基因,挽救生命

生物世界 2022-01-15 12:30

撰文 | nagashi
编辑 | 王多鱼
排版 | 水成文

基因组测序可以让科学家看到一个人完整的DNA序列构成,其中包含从眼睛颜色到遗传疾病的所有信息。因此,基因组测序对于诊断患者涉及DNA的疾病至关重要——一旦医生知道了特定的基因突变,他们就可以相应地制定治疗方案。

在对病人进行基因组测序并返回结果上,耗时几周时间,已经被大多数医生认为是快速了。那么,能否进一步将耗时缩短到几天甚至几个小时呢?

2022年1月12日,斯坦福大学的研究人员在《新英格兰医学杂志(NEJM)上发表了题为:Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a Critical Care Setting 的文章。


研究团队开发了一种新的超快速基因组测序方法,用于诊断罕见的遗传疾病,平均仅需耗时8小时,这在标准的临床护理中前所未见。快速诊断意味着病人在重症监护病房花费的时间更短,需要的检查更少,恢复得更快,在护理上花费更少。更重要的是,这种更快的测序技术并没有牺牲准确性,测序结果依旧可靠。

开创新纪录

研究团队招募了12名患者,并对他们的基因组进行了测序,其中5人从测序信息中获得了基因诊断(这是由于其他人患病原因与基因无关),平均耗时8小时,诊断率为42%。比通过测序诊断神秘未知疾病的平均诊断率高12%。

研究人员表示,并不是所有的疾病都与基因有关,这可能是一些患者在他们的测序信息被返回后没有得到诊断的原因。在其中一个案例中,对病人的基因组进行测序只需5小时2分钟,创造了最快DNA测序技术的吉尼斯世界纪录

Euan Ashley 教授说道:“这是一个令人惊叹的时刻,实现了一件不可思议的事情,我们正在接近一个新领域。”

随后研究人员对该病人的测序数据进行分析诊断,总共花费了7小时18分钟,在此前的,世界上最快的记录是由雷迪儿童研究所(Rady Children's Institute)保持的14小时。也就是说,斯坦福大学把时间缩短到了原来的一半。

斯坦福大学的科学家们计划为斯坦福大学医院和斯坦福大学露西尔·帕卡德儿童医院的重症监护病房的病人提供不到10小时的康复服务,随着时间的推移,其他医院也会提供这种服务。

快!更快!更加快!

为了达到更快的测序速度,研究团队需要新的硬件。因此,研究团队联系了纳米孔基因测序技术的开创者牛津纳米孔技术公司,他们制造了一台由48个测序单元组成的机器,称为 flow cells

当时的想法是用所有的 flow cells 同时对一个人的基因组进行测序。量变带来质变,这种超级测序技术是成功的,但在短时间内大量读取出来的基因组数据导致实验室的计算系统不堪重负。

Euan Ashley 教授表示,处理测序数据的速度不够快,因此,必须彻底重新考虑和改进数据管道和存储系统。

超快速纳米孔基因组测序的工作流程

所幸,他的研究生 Sneha Goenka 找到了一种方法,可以将数据直接输入云存储系统,计算能力可以被放大到足以实时筛选数据。然后,通过算法扫描输入的DNA序列,还原遗传密码子,从而找出可能导致疾病的遗传突变。在最后一步,科学家们将患者的基因变异与公开记录的已知导致疾病的变异进行了比较,从而诊断出患者的遗传病因。
可以说,从开始到结束,研究团队都在寻求加快病人基因组测序的方法。现在,该团队正在优化其系统,以进一步减少时间。Euan Ashley 教授对这项技术的未来满怀期待:“我想我们可以再把时间减半,如果我们能做到这一点,我们就能在医院查房结束前得到答案。这是一个创造性的飞跃。”

长读长测序

这种新的诊断方法能够快速发现可疑的DNA片段,也许最重要的特点是它使用了一种叫做长读长测序(Long-read sequencing)的方法。

传统的基因组测序技术是将基因组切成小片段,然后读取每个片段的DNA序列,最后使用标准的人类基因组作为参考将整个基因组拼接起来。但这种方法并不总是能捕捉到我们基因组的全部,而且它提供的信息有时会忽略指向诊断的基因变异。

与之相对,长读长测序保留了由数万个碱基对组成的长段DNA,为科学家寻找序列错误提供了更多的细节。

Euan Ashley 教授表示,长读长测序更容易在大片段基因组上发现基因突变。实际上,在缺乏长读长测序的情况下,有些突变几乎不可能被检测出来,这也是我们采用这种方法的主要原因之一。

此前,长读长测序存在准确性低和价格高昂等缺点。直到最近,牛津纳米孔(Oxford Nanopore)才成功将长读长测序的准确性提高到足以用来进行疾病诊断的精度。据悉,这项研究首次证明了这种长读测序用作医学诊断的主要手段的可行性。

挽救患者生命

研究团队开发的这项新型超快速纳米孔基因组测序并不仅仅停留在技术层面,更走向了临床应用。其中一个典型的病例是美国俄勒冈州的一名13岁的男孩——Matthew Kunzman

大约一年前,这个男孩总是出现咳嗽和高烧的症状,一开始他的父母都以为是流感或者是新冠感染,然而他的症状越来越严重,检查结果也显示这些症状是由心肌炎引起的。心肌炎是一种严重的心脏炎症,它使心脏器官难以向身体其他部位泵血。

当地医院的检查显示了可怕的情况——他的心脏正在迅速衰竭,医生建议立即飞往斯坦福医院接受治疗。抵达斯坦福医院一天后,他的病情恶化了,只能依赖生命维持系统维持。

Euan Ashley 教授表示:“一个健康的孩子突然罹患这种心力衰竭有两个原因:一种是心肌炎,通常由病毒或其他身体压力引发;另一种是遗传原因,一种与心脏功能有关的基因突变所致。

诊断具体的病因对他的治疗至关重要。心肌炎通常是可逆的,经过治疗,心脏可以恢复正常,但如果他的情况是遗传的,那么目前唯一的解决办法就是心脏移植。

研究团队找到了他的父母,向他们解释了这项快速测序研究,并询问他们是否愿意参加研究。在获得父母的许可后,研究人员用他的几毫升血液进行了超快速纳米孔基因组测序,几个小时后,测序数据显示,他的这种病症是源于基因突变

有了这些信息,这名小男孩立刻被列入了心脏移植名单。21天后,他移植了一颗新的心脏,大约一年后的今天,他恢复得很好,健康快乐地生活。

超快速纳米孔基因组测序可在数小时内完成诊断

在另一个病例中,一个3个月大的婴儿因不明原因的癫痫发作来到斯坦福医院急诊。研究团队对患者的基因组进行了超快速纳米孔基因组测序,仅仅过了8个多小时,研究小组就得到了答案——这个婴儿的癫痫症状是由于CSNK2B基因突变引起的

如果当时研究小组仅仅依靠标准检测,那么就很难在短时间内做出诊断。尽管进一步的检测很可能会为患者找到正确的诊断,但这需要在黑暗中等待好几个星期。

总而言之,这项超快速纳米孔基因组测序技术可以在约8个小时的时间里诊断出患者的遗传病因,开创造了最快DNA测序技术的吉尼斯世界纪录,并成为了罕见遗传病诊断的“游戏规则改变者”

Euan Ashley 教授表示:“传统的标准测试筛选病人血液中与疾病相关的标志物,但它们只扫描少数有明确记录的基因。而这项新技术可以扫描病人的整个基因组,寻找科学文献中提出的任何和所有的基因变体,即使该基因是在前一天才被发现的。”

这项研究发表之后,更多的科学家开始涌入这一领域,也许在不远的将来,基因诊断也会像核酸检测一样,只用等上几个小时就能得到结果,方便遗传病患者将得到最快的最合适的治疗

参考资料
https://www.nejm.org/doi/full/10.1056/NEJMc2112090
https://medicalxpress.com/news/2022-01-fastest-dna-sequencing-technique-undiagnosed.html

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