Рейтинг@Mail.ru
Поиск
x
Человек

В Стэнфорде секвенировали ДНК за рекордные 5 часов. Обычно эта процедура занимает недели

National Geographic Россия
14 января 2022
003.jpeg
Новая методика позволит своевременно выявлять генетические заболевания и спасать пациентов.

Ученые из медицинского факультета Стэнфордского университета установили мировой рекорд, разработав самую быструю методику секвенирования генома. В среднем эта процедура теперь занимает восемь часов, но для одного из участников исследования результаты были получены за пять часов и две минуты.

Секвенирование генома позволяет ученым увидеть полный состав ДНК пациента, который содержит информацию обо всем, от цвета глаз до наследственных заболеваний. Секвенирование генома имеет жизненно важное значение для диагностики пациентов с заболеваниями, укоренившимися в их ДНК: как только врачи узнают конкретную генетическую мутацию, они могут соответствующим образом адаптировать лечение.

001.jpg

Юэн Эшли

ведущий автор разработки

«Когда речь идет о секвенировании генома пациента, большинство медиков назовет "быстрым результатом" промежуток в несколько недель».

Теперь способ секвенирования ДНК, разработанный Эшли и его коллегами, дал новое определение «быстрой» генетической диагностике. Это означает, что пациенты могут проводить меньше времени в отделениях интенсивной терапии, они быстрее выздоравливают и тратят меньше средств на лечение. Примечательно, что при более быстром результате такое секвенирование не жертвует точностью, пишут исследователи.

Менее чем за шесть месяцев команда зарегистрировала и секвенировала геномы 12 пациентов, пятерым из которых был поставлен генетический диагноз на основе информации о секвенировании примерно за время обычного рабочего дня в офисе.

Чтобы достичь сверхвысоких скоростей секвенирования, исследователям потребовалось новое оборудование. Поэтому Эшли связался с коллегами из Oxford Nanopore Technologies, которые построили машину, состоящую из 48 секвенаторов. Идея заключалась в том, чтобы секвенировать геном только одного человека, используя все проточные ячейки одновременно. Однако этот подход привел к перегрузке вычислительных систем лаборатории.

«Нам пришлось полностью переосмыслить и обновить наши конвейеры данных и системы хранения», – говорит Эшли. Аспирантка Снеха Гоенка нашла способ направлять данные прямо в облачную систему хранения, где вычислительная мощность можно было увеличить достаточно, чтобы «просеять» данные в режиме реального времени.

Затем алгоритмы независимо сканировали входящий генетический код на наличие ошибок, которые могут вызвать заболевание. На последнем этапе ученые проводили сравнение вариантов гена пациента с публично задокументированными вариантами, которые, как известно, вызывают заболевание.

Исследователи поделились одним из медицинских случаев, где такое быстрое секвенирование позволило спасти жизнь пациенту. Около года назад 13-летний Мэттью Кунцман из Орегона обратился к врачу из-за постоянного кашля и высокой температуры. По словам Дженни Кунцман, матери Мэттью, семья решила, что всему виной грипп или COVID-19.

Однако оказалось, что кашель был первым признаком сердечного заболевания, известного как миокардит – поражение сердечной мышцы миокарда, – из-за которого органу трудно перекачивать кровь к остальным частям тела. Последующие анализы в местной больнице выявили критическую ситуацию: сердце Мэттью отказывало. Его врач порекомендовал семье немедленно лететь в Стэнфордскую больницу для лечения.

Через несколько часов Мэттью и его отец Мэттью Кунцман-старший прибыли в Стэнфордскую больницу. Дженни Кунцман приехала через день и обнаружила, что состояние ее сына ухудшилось. Мэтью был на аппарате жизнеобеспечения.

002.jpeg
Jenny Kunzman Мэттью Кунцман

По словам Эшли, есть две причины, по которым у практически здорового 13-летнего подростка возникает такая сердечная недостаточность. Одна из них – миокардит. Такое случается, когда иммунные клетки скапливаются в сердце, часто вызванные вирусом или каким-либо другим физическим стрессом. Другая – генетическая причина: мутация в гене, отвечающем за работу сердца.

Понимание разницы, по словам Эшли, имеет решающее значение. «Миокардит часто бывает обратимым. При лечении сердце может вернуться в норму. Но генетическое заболевание вылечить не возможно. Если бы Мэттью страдал от него, вероятно, единственным решением была бы пересадка сердца», – сказал ученый.

Родителям мальчика предложили включить его в исследование. «Они сказали нам, что есть совершенно новое исследование, над которым они работают, чтобы попытаться ускорить процесс диагностики. Они спросили, готовы ли мы участвовать, и мы ответили: "Абсолютно"», – рассказывает Дженни Кунцман. 

Получив в распоряжение несколько миллилитров крови Мэттью, команда начала процесс быстрого генетического секвенирования. В течение нескольких часов данные секвенирования показали, что его заболевание связано с генетикой. Сразу после этого Мэттью был немедленно включен в список на трансплантацию сердца. 21 день спустя он получил новое сердце; сегодня, примерно через год, его мама говорит, что он чувствует себя отлично.

В другом случае пациент возрастом всего 3 месяца поступил в педиатрическое отделение неотложной помощи Стэнфорда с необъяснимыми судорогами. Было ясно, что младенец страдал формой эпилепсии, но что именно вызывало симптомы, было неизвестно.

Исследователи секвенировали геном пациента, прогнали данные через алгоритмы обнаружения мутаций и сделали перекрестные ссылки на общедоступные геномные данные и данные о заболеваниях. Одновременно они запросили стандартное клиническое диагностическое тестирование биомаркеров крови, связанных с судорогами генетического происхождения.

Чуть более восьми часов спустя, благодаря данным быстрого секвенирования, команда получила ответ: судороги младенца были вызваны мутацией в гене CSNK2B.

По словам Эшли, если бы команда полагалась только на стандартное тестирование, в тот момент не было бы поставлено никакого диагноза, хотя вполне вероятно, что дальнейшие тесты в конечном итоге выявили бы правильный диагноз. «Мы бродили бы во тьме неведения в течение долгих недель», – признался он.

004.jpg
Stanford Medicine Стэнфордский госпиталь

Стандартные тесты проверяют кровь пациента на маркеры, связанные с заболеванием, но они сканируют всего лишь несколько хорошо задокументированных генов. Коммерческие лаборатории, которые часто проводят такие тесты, медленно обновляют молекулы, которые они проверяют, а это означает, что может пройти много времени, прежде чем недавно обнаруженные болезнетворные мутации будут интегрированы в тест. И это может привести к упущенным диагнозам.

По словам Эшли, именно поэтому быстрое секвенирование генома может изменить «правила игры» для пациентов, страдающих редкими генетическими заболеваниями. Ученые могут сканировать весь геном пациента на наличие всех вариантов генов, предложенных в научной литературе, даже если этот вариант был обнаружен накануне.

Кроме того, если пациент изначально не получает генетический диагноз, все еще есть надежда, что ученые в будущем обнаружат новый вариант гена, связанный с болезнью пациента.

Теперь команда оптимизирует свою систему, чтобы еще больше сократить время секвенирования и, следовательно, постановки диагноза.

«Я думаю, мы можем сократить время еще вдвое. Если это получится, то мы будем говорить о возможности получить результаты до окончания обхода больничной палаты. Это поразительный скачок», – заявил Эшли.

рекомендации
Планета Земля

Забота об экологии и легендарный дизайн: электромобили Audi

Древний храм

Маршрут построен: музейные истории за границами столиц

Снег, снежинка, холод

10 мест России для лучшего зимнего отдыха

Новогодняя елка, рождественская елка, Рождество, Новый год, ель

Разделяй и празднуй: насколько экологичны ваши праздничные привычки?