首个吉尼斯世界纪录:最快的平价DNA测序技术

【字体: 时间:2022年01月14日 来源:New England Journal of Medicine

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  斯坦福大学科学家的一项研究创造了最快DNA测序技术的首个吉尼斯世界纪录,该技术仅用了5小时2分钟就完成了人类基因组的测序。

  

该研究发表于《新英格兰医学杂志》(the New England Journal of Medicine)

最快的DNA测序技术可以帮助未确诊的患者在短短几个小时内找到答案

斯坦福医学院的科学家和他们的合作者开发了一种新的超快速基因组测序方法,用于诊断罕见的基因疾病,平均8小时,这是一个在标准临床护理中几乎闻所未闻的壮举。

斯坦福大学医学、遗传学和生物医学数据科学教授尤安·阿什利(Euan Ashley)博士说:“在对病人的基因组进行测序并返回结果时,大多数临床医生称之为‘快速’。”

基因组测序可以让科学家看到病人完整的DNA构成,其中包含从眼睛颜色到遗传疾病的所有信息。基因组测序对于诊断患者的DNA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。

现在,Ashley和他的同事设计的一种大型测序方法重新定义了基因诊断的“快速”:他们最快的诊断在7个多小时内完成。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。值得注意的是,更快的排序并不会牺牲准确性。

一篇描述研究人员工作的论文于1月12日发表在《新英格兰医学杂志》上。Ashley这篇论文的高级作者。博士后学者John Gorzynski是第一作者。

开始创造记录

在不到6个月的时间里,该团队招募了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,时间大约是在办公室里工作一天的时间。(Ashley说,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。)该小组的诊断率约为42%,比神秘疾病的平均诊断率高12%。

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测序技术的首个吉尼斯世界纪录。这一记录是由国家科学技术研究所的一瓶基因组组认证的,并被吉尼斯世界纪录记录。

Ashley说:“这只是一个令人惊叹的时刻,合适的人突然走到一起,实现了令人惊叹的事情。真的感觉我们正在接近一个新领域。”

诊断这个病例所需的时间是7小时18分钟,据Ashley所知,这大约是之前由雷迪儿童研究所(Rady Children’s Institute)保持的基于基因组测序的诊断记录(14小时)的快一倍。

Ashley说,14小时仍然是一个令人印象深刻的快速转变。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10小时以内的康复服务,随着时间的推移,其他医院也将提供这种服务。

加速加速再加速

为了达到超快的测序速度,研究人员需要新的硬件。因此,Ashley联系了牛津纳米孔技术公司的同事,他们制造了一台由48个测序单元组成的机器,称为测序芯片(flow cell)。当时的想法是用所有的测序芯片同时对一个人的基因组进行测序。巨型机器的方法是成功的——几乎太多了。基因组数据淹没了实验室的计算系统。

“我们处理数据的速度不够快,”Ashley说。“我们必须彻底重新考虑和改进我们的数据管道和存储系统。”

研究生Sneha Goenka找到了一种方法,可以将数据直接输入基于云的存储系统,计算能力可以被放大到足以实时筛选数据。然后,算法独立地扫描传入的遗传密码,找出可能导致疾病的错误。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。

从开始到结束,该团队都在寻求加快病人基因组测序的各个方面。研究人员真的是步行将样本送到实验室,新的机器被装配起来支持同步基因组测序,计算能力被提升到有效地处理大量数据集。现在,该团队正在优化其系统,以进一步减少时间。“我想我们可以再把它减半,”Gorzynski说。“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。这是一个戏剧性的飞跃。”

长读测序

这种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测序的方法。传统的基因组测序技术将基因组切成小块,并将每个片段中DNA碱基对的准确顺序拼出来,然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。长序列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类似的准确性和更多的细节。

“在一大块基因组上发生的突变更容易通过长读测序来检测。有些变体几乎不可能在没有某种长时间阅读方法的情况下被检测出来,”Ashley说。它的速度也快得多:“这是我们采用这种方法的主要原因之一。”

直到最近,公司和研究人员才磨练了长读长测序的准确性,使其足以用于诊断。这一点,加上一度高昂的价格标签,为Ashley的团队创造了一个机会。据他所知,这项研究首次证明了这种长读测序作为诊断医学的主要手段的可行性。

在这项研究中,Ashley的团队向斯坦福医院重症监护病房的未确诊患者提供了加速基因组测序技术。他们为接受研究的患者提供了既定的护理测试标准,并采用了实验性的快速基因测序方法。通过这些方法,他们找到了两个重要问题的答案:是基因导致了患者的疾病吗?如果是这样的话,是哪些特定的DNA错误引起了麻烦?

争分夺秒拯救心脏

俄勒冈州马修·昆茨曼(Matthew Kunzman)案。大约一年前,当马修13岁的时候,一阵烦人的咳嗽和高烧让他去了当地的医生办公室。马修的母亲珍妮·昆兹曼说:“我们以为是流感,或者是新冠肺炎。”事实证明,咳嗽是一种被称为心肌炎的心脏疾病的第一个迹象。心肌炎是心脏的炎症,它使心脏器官难以向身体其他部位泵血。马修当地医院随后的检查显示了可怕的情况:他的心脏正在衰竭。他的医生建议他的家人立即飞往斯坦福医院接受治疗。

几个小时后,马修和他的父亲老马修·昆兹曼(Matthew Kunzman Sr.)被送往斯坦福医院。珍妮·昆兹曼一天后来到医院,发现儿子的病情恶化了。

Ashley说,一个基本健康的13岁孩子可能会经历这种心力衰竭有两个原因。一种被称为心肌炎,它发生在免疫细胞群集心脏时,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。

Ashley说,了解两者的区别至关重要。“心肌炎通常是可逆的,”他说。“经过治疗,心脏可以恢复正常。但遗传条件却不是。如果马修的情况是遗传的,可能唯一的解决办法就是心脏移植。”

Gorzynski找到马修的父母,解释了快速测序研究,并询问他们是否愿意让这个男孩参加研究。珍妮·昆兹曼说:“他们告诉我们,他们正在进行一项全新的研究,试图加快诊断过程。他们问我们是否愿意参与,我们说,‘当然愿意。’我们希望得到尽可能多的信息,试图找出原因。”

用马修的几毫升血液,研究小组开始了快速基因测序过程。“在几个小时的时间内,测序数据显示,这种情况源于基因,”Ashley说。

有了这些信息,马修立刻被列入了心脏移植名单。21天后,他得到了一颗新的心脏;大约一年后的今天,他的妈妈说他恢复的“特别好”。

可疑的癫痫

在另一个案例中,一名3个月大的患者因不明原因的癫痫发作来到斯坦福大学儿科急诊科。很明显,这名婴儿患有某种形式的癫痫,但究竟是什么导致了这些症状还不清楚。

研究人员对患者的基因组进行排序,通过突变检测算法和交叉引用公共基因组和疾病数据来运行数据。他们同时要求对与基因起源发作相关的血液生物标志物进行标准临床诊断检测。仅仅8个多小时后,多亏了快速测序数据,研究小组找到了答案:这位年幼患者的抽搐是由一种名为CSNK2B的基因突变造成的。

Ashley说,如果研究小组仅仅依靠标准测试,那么当时就不会做出任何诊断,尽管进一步的测试可能最终会揭示出患者的正确诊断。他说:“我们将在黑暗中度过许多个星期。”

标准的检测检查病人血液中与疾病相关的标记物,但它们只扫描少数几个有良好记录的基因。商业实验室经常进行这些测试,但更新他们筛选的分子的速度很慢,这意味着新发现的致病突变可能需要很长时间才能整合到测试中。这可能会导致误诊。

Ashley说,这就是为什么快速基因组测序可能成为罕见基因疾病患者的游戏规则改变者。科学家可以扫描病人的整个基因组,寻找科学文献中提到的任何和所有的基因变异,即使那个基因是前一天才发现的。此外,如果患者一开始没有得到基因诊断,科学家仍有希望找到与患者疾病相关的新基因变体。

其他临床医生的兴趣已经开始涌入。“我知道斯坦福大学的人听说我们可以在几个小时内做出基因诊断,他们对此很兴奋,”Ashley说。“基因检测不被认为是恢复得很快的检测。但我们正在改变这种看法。”


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