《NEJM》:新一代测序技术挽救危重病男孩

【字体: 时间:2014年06月06日 来源:生物通

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  一个14岁男孩患上一种神秘的脑炎,这种疾病使他入院六周,并一度陷入药物引起的昏迷状态。但是,通过新一代的DNA分析工具,他的病情突然好转并快速恢复。相关研究结果发表在2014年6月4日的《新英格兰医学杂志》(New England Journal of Medicine)。

  

生物通报道:一个14岁男孩患上一种神秘的脑炎,这种疾病使他入院六周,并一度陷入药物引起的昏迷状态。但是,通过新一代的DNA分析工具,他的病情突然好转并快速恢复,这表明,即使医生没有嫌疑对象时,也可以用新的DNA分析工具来揭示危及生命感染的原因。

根据加州大学旧金山分校(UCSF)医学实验室的华裔教授Charles Chiu介绍,在对脑脊髓液和血液进行分析仅仅48小时后,该男孩就得到了快速的诊断和成功治疗,这预示着强大的“下一代测序(NGS)”技术在解开传染病谜团中的更广泛应用,不仅可用于前沿的研究机构,而且可用于随处可见的、医生可以接近的临床实验室。相关研究结果发表在2014年6月4日的《新英格兰医学杂志》(New England Journal of Medicine),Chiu是这项案例研究的资深作者。

Chiu实验室开发的工作流程,极大简化了疾病病原体的遗传检测,用NGS技术大大缩短了样品采集和可行诊断之间所需的时间,帮助威斯康星大学的一个医疗小组挽救了年轻患者的生命。

这项NEJM研究,将更快DNA测序、日益增长的基因组数据库(用于识别病原体和其他生物体)和更先进的计算分析工具(快速分析数百万个数据点)融合起来。这个流程能够使研究人快速测序,同时识别患者样本中的所有DNA,而无需培养或靶定特定的传染病原体。

Chiu指出:“从成本和周转时间的角度来看,这是一项非常强大的技术,已成为切实可用的临床实验室常规实施技术。”目前,一些临床实验室可提供NGS检测,以确定临床试验中的癌症突变,并确定出生缺陷相关的突变,但直到现在,NGS一直被视为过于缓慢和费力,因此对常规的传染病诊断不太有用。

本文共同作者、UCSF生物化学和生物物理学主席、霍华德休斯医学院(HHMI)研究人员Joseph DeRisi,是使用新基因组技术来识别以前未知的病原体(如SARS冠状病毒)的领先者,他指出,现在用一个单项检测,花费几千美元的成本,基本上就能检测到任何病原体。

DeRisi首先接触的是男孩的医生——威斯康星大学麦迪逊分校医学和公共健康学院的儿科和医学教授James Gern博士以及一项较早研究的合作者。然后,他邀请UCSF其他科学家致力于NGS技术,包括Chiu和DeRisi实验室的一个成员Michael Wilson博士(神经学助理教授,该研究的第一作者)。

最初几周,在威斯康星大学经过昂贵的检测和程序,并没有发现疾病的原因,在USCF实验室应用强大的NGS流程,最终带来了明确无误的诊断。

微生物感染的早期检测没有发现任何线索。相反,男孩的临床实验结果和病史——他出生时具有严重联合免疫缺陷病(SCID),似乎表明更可能是一个免疫反应引发了他的疾病。威斯康星大学的医生给他施用了糖皮质激素——通常用于自身免疫性脑炎的一种有效疗法,但是男孩的病情却恶化了。他出现了严重的脑积液和无法控制的癫痫发作,只在药物引起的昏迷后才平息下来。

同时,在USCF,Wilson和Chiu实验室合作,从患者的脑脊液和血液样本及一个对照样本中,产生了1000万个不同的DNA序列。医学研究人员使用Illumina的MiSeq DNA测序仪——最近被美国食品和药品管理局批准用于临床诊断实验室,经过一个通宵就完成了测序。

Chiu研究小组开发了一种分析工具,称为SURPI,同时发表在《Genome Research》的文章描述了这种工具,可让科学家们能够更迅速地将来自患者样本的DNA,与美国国家生物技术信息中心维护的GenBank进行比对。他们发现,来自患者脑脊液的300万个DNA序列中,有475个不同的DNA序列是来自一种称为钩端螺旋体(Leptospira)的细菌。虽然在脑脊液中检测到了钩端螺旋体,但并没有证据显示,在患者血液和阴性控制样本中也存在钩端螺旋体DNA。

Chiu说,这项DNA序列分析只需要96分钟。以前,利用相同硬件平台上的计算机软件进行的类似分析,将需要24小时或更多的时间。

更具体地说,研究人员确定,男孩已经感染了钩端螺旋体属的细菌(Leptospira santarosai),这种细菌原产于加勒比海和更温暖的地方。威斯康星和UCSF的医生建议,用低风险的抗生素治疗——青霉素,医疗小组决定不用临床批准的试验确诊而进行治疗。治疗消除了感染,在治疗开始三周后,患者被允许从ICU病房出来。在入院后第76天,经过住院康复治疗,他能够出院返回家中。

在治疗开始后,没有标准的临床试验可以立即进行确诊。在治疗5个月后,美国疾病控制和预防中心的工作人员,通过修改他们用于钩端螺旋体的标准测试,最终确证了UCSF的诊断。

在美国,大约有2万人(主要是儿童),每年因脑肿胀脑炎入院,有4000多人因脑膜炎入院。在几乎一半的脑炎病例中,并没有发现病因,然而,这项NEJM案例指出,如果不能将传染与自身免疫区分开来,可能会引起更严重的病情。

回想起来,这个男孩在入院一年以前,曾随家庭呆在波多黎各,可能在这期间他遇到了细菌。在那之后,他仅经历了间歇性的头痛、发烧和其他症状。这些症状虽然可以初步得到改善,但是最终他的病情更加严重,在发现钩端螺旋体之前,他在四个月内曾三次入院。

根据Chiu介绍,然而目前还没有监管机构批准将NGS检测传染疾病用于商业临床检验室的常规诊断。NEJM案例中使用的实验诊断程序,是在临床实验室中,根据所有规范实验室共用的标准操作流程进行的。他希望在几个月内获得批准,能够在UCSF临床微生物实验室,为某些类型的传染病,提供一种NGS诊断检测。

(生物通:王英)

延伸阅读:国内首台HiSeq X Ten开始服务:人全基因组测序降至万元

生物通推荐原文摘要:
Actionable Diagnosis of Neuroleptospirosis by Next-Generation Sequencing
Abstract: A 14-year-old boy with severe combined immunodeficiency presented three times to a medical facility over a period of 4 months with fever and headache that progressed to hydrocephalus and status epilepticus necessitating a medically induced coma. Diagnostic workup including brain biopsy was unrevealing. Unbiased next-generation sequencing of the cerebrospinal fluid identified 475 of 3,063,784 sequence reads (0.016%) corresponding to leptospira infection. Clinical assays for leptospirosis were negative. Targeted antimicrobial agents were administered, and the patient was discharged home 32 days later with a status close to his premorbid condition. Polymerase-chain-reaction (PCR) and serologic testing at the Centers for Disease Control and Prevention (CDC) subsequently confirmed evidence of Leptospira santarosai infection.

 

 

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