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La technologie ultra-rapide de séquençage du génome peut trouver des maladies génétiques rares en huit heures

Une approche ultra-rapide neuve de séquençage du génome développée par des scientifiques de médicament de Stanford et leurs collaborateurs a été employée pour diagnostiquer des maladies génétiques rares à une moyenne de huit heures - ; un exploit qui est presque inconnu dans des soins cliniques normaux.

« Est quelques semaines ce que la plupart des cliniciens appellent « rapid » quand il s'agit d'ordonnancer le génome d'un patient et renvoyer des résultats, » ont dit Euan Ashley, mb ChB, DPhil, professeur de médecine, de génétique et de la science biomédicale de caractéristiques chez Stanford.

Le séquençage du génome permet à des scientifiques de voir le renivellement complet de l'ADN d'un patient, qui contient des informations sur tout de la couleur d'oeil aux maladies héritées. Le séquençage du génome est indispensable pour diagnostiquer des patients présentant les maladies enracinées dans leur ADN : Une fois que les médecins connaissent la mutation génétique spécifique, ils peuvent régler des demandes de règlement en conséquence.

Maintenant, une approche de méga-ordonnancement conçue par Ashley et ses collègues a redéfini le « rapid » pour la diagnose génétique : Leur diagnostic plus rapide a été effectué dedans juste plus de sept heures. Les moyens patients de diagnostics rapides peuvent passer moins de temps dans les éléments critiques de soins, exiger moins tests, récupérer plus rapidement et dépenser moins sur des soins. Notamment, l'ordonnancement plus rapide ne sacrifie pas l'exactitude.

Un papier décrivant le travail des chercheurs publiera Jan.12 dans New England Journal de médicament. Ashley, adjoint au doyen de l'École de Médecine de Stanford et Roger et le professeur de Joelle Burnell dans la santé de génomique et de précision, est l'auteur supérieur du papier. Le chercheur post-doctoral John Gorzynski, DVM, PhD, est l'auteur important.

Viser pour régler un dossier

Au-dessus de l'envergure de moins de six mois, l'équipe a inscrit et a ordonnancé les génomes de 12 patients, cinq de qui a reçu un diagnostic génétique de l'information de ordonnancement dans environ le temps où elle prend pour arrondir à l'extérieur un jour au bureau. (Pas tous les mal sont génétiquement basés, qui est susceptible la raison que certains des patients n'ont pas reçu un diagnostic après que leur information de ordonnancement ait été renvoyée, Ashley a dit.) Le régime diagnostique de l'équipe, approximativement 42%, est environ 12% plus élevé que le taux moyen pour diagnostiquer les maladies de mystère.

Dans un des cas, cela a pris des 5 heures vives et 2 mn pour ordonnancer le génome d'un patient, qui a réglé le premier titre de records mondiaux de Guinness pour l'ADN le plus rapide ordonnançant la technique. Le dossier a été certifié par l'institut national du génome de la science et technologie dans un groupe de bouteille et est documenté par des records mondiaux de Guinness.

Il était juste un de ces moments étonnants où les personnes concernées soudainement sont venues ensemble pour réaliser quelque chose stupéfiant, » Ashley a dit. « Il réellement feutré nous approchions une frontière neuve. »

Euan Ashley, mb ChB, DPhil, professeur, médicament de génétique et la Science biomédicale de caractéristiques, médicament de Stanford

Le temps où il a pris pour diagnostiquer que le cas était de 7 heures et 18 mn, qui, à la connaissance d'Ashley, est environ deux fois plus rapidement que le dossier précédent pour un diagnostic basé sur ordonnancer de génome (14 heures) s'est retenu par l'institut des enfants de Rady. Quatorze heures est toujours un retournement impressionnant rapide, Ashley a dit. Les scientifiques de Stanford planification pour offrir un retournement de sub-10-hour aux patients dans des unités de soins intensifs à l'hôpital et à l'hôpital pour enfants Stanford de Stanford de Lucile Packard - ; et, au fil du temps, à d'autres hôpitaux aussi.

Accélération

Pour réaliser des vitesses de ordonnancement ultra-rapides, les chercheurs ont eu besoin de visserie neuve. Ainsi Ashley a contacté des collègues aux technologies d'Oxford Nanopore qui avaient établi une machine composée de 48 unités d'ordonnancement connues sous le nom de cellules de débitmètre. L'idée était d'ordonnancer juste un génome de la personne utilisant toutes les cellules de débitmètre simultanément. L'approche de méga-machine était une réussite - ; presque trop. Les caractéristiques génomiques ont accablé les systèmes de calcul du laboratoire.

« Nous ne pouvions pas traiter les caractéristiques assez rapides, » Ashley a dit. « Nous avons dû complet repenser et améliorer nos pipelines et systèmes de stockage de caractéristiques. » L'étudiant de troisième cycle Sneha Goenka a trouvé une voie de diriger les caractéristiques droites à un système de stockage basé sur nuage où le pouvoir de calcul pourrait être amplifié asse'à tamiser par les caractéristiques en temps réel. Les algorithmes alors ont indépendamment balayé code génétique entrant pour les erreurs qui pourraient entraîner la maladie, et, dans l'opération finale, les scientifiques ont conduit une comparaison des variantes du gène du patient contre des variantes publiquement documentées connues pour entraîner la maladie.

Du début à la fin, l'équipe a recherché à accélérer chaque aspect d'ordonnancer le génome d'un patient. Les chercheurs ont littéralement fait fonctionner des échantillons à le pied au laboratoire, des machines neuves ont été calées pour supporter le séquençage du génome simultané, et calculer le pouvoir a été escaladé à efficacement craquent les ensembles de données massifs. Maintenant, l'équipe optimise son système pour réduire le temps encore autre. « Je pense que nous pouvons le diviser en deux de nouveau, » Ashley a dit. « Si nous pouvons faire cela, nous parlons pouvant obtenir une réponse avant l'extrémité d'une salle d'hôpital ronde. C'est un saut spectaculaire. »

ordonnancement de Long-Read

Peut-être la caractéristique la plus importante de la capacité de l'approche diagnostique de repérer rapidement les fragments d'ADN suspects est son utilisation de quelque chose ordonnancement appelé de long-Read. Les techniques traditionnelles de séquençage du génome hachent le génome dans de petits morceaux, définissent la commande exacte des paires de bases d'ADN dans chaque accumulation, puis rapiècent le sujet d'ensemble de retour ensemble utilisant un génome humain normal comme référence. Mais cette approche ne capte pas toujours l'intégralité de notre génome, et les informations qu'elle fournit peuvent parfois manquer des variations des gènes qui indiquent un diagnostic. le Long-Read ordonnançant des conserves s'étend longtemps de l'ADN composé de dizaines de milliers de paires de bases, fournissant l'exactitude assimilée et plus de petit groupe pour des scientifiques récurant la séquence pour des erreurs.

Les « il est plus facile trouver mutations qui se produisent au-dessus d'un gros morceau de génome utilisant l'ordonnancement de long-Read. Il y a des variantes qui seraient impossibles presque à trouver sans un certain genre d'approche de long-Read, » Ashley a dit. Elle est également beaucoup plus rapide : « Qui était l'une des grandes raisons nous sommes allés chercher cette approche. »

Ayez tout récemment les compagnies et les chercheurs ont rectifié l'exactitude assez de l'approche de long-Read pour compter là-dessus pour la diagnose. Cela et une goutte de son prix à payer une fois-lourd ont produit une opportunité pour l'équipe d'Ashley. À sa connaissance, cette étude est la première pour expliquer la faisabilité de ce type de long-Read ordonnançant comme agrafe de médicament diagnostique.

Pendant l'étude, l'équipe d'Ashley a offert la technique accélérée de séquençage du génome aux patients de non disgnostiqué dans des unités de soins intensifs des hôpitaux de Stanford. Elles ont fourni ont déterminé le niveau de soins vérifiant aux patients d'étude avec le gène rapide expérimental ordonnançant, avec lequel elles ont recherché des réponses à deux questions importantes : Le blâme de génétique est-il pour le mal du patient ? Si oui, quelles erreurs du détail ADN remuent la panne ?

Mystère de coeur

Telles étaient les questions clé entourant la caisse de Matthew Kunzman de l'Orégon. Environ une année il y a, quand Matthew avait 13 ans, une toux et une grosse fièvre ennuyeuses l'a mis à terre à un cabinet médical local. « Nous avons pensé que c'était la grippe, ou peut-être COVID, » a indiqué Jenny Kunzman, la mère de Matthew. Il s'est avéré la toux était le premier signe d'un état cardiaque connu sous le nom de myocardite - ; inflammation du coeur - ; cela le rend dur pour que l'organe pompe le sang au reste du corps. Les tests suivants à l'hôpital local de Matthew ont indiqué une grande situation : Son coeur défaillait. Son docteur a recommandé la mouche de famille immédiatement à l'hôpital de Stanford pour des soins.

Heures plus tard, Matthew et son père, Sr de Matthew Kunzman., obtenu à l'hôpital de Stanford. Jenny Kunzman a obtenu un jour plus tard et a constaté que l'état de son fils avait empiré. Matthew était sur l'assistance vitale.

Il y a deux raisons qu'un de 13 ans en grande partie sain pourrait remarquer ce genre d'insuffisance cardiaque, Ashley a dit. Un est connu comme myocardite, et elle se produit quand les cellules immunitaires grouillent le coeur, souvent déclenché par un virus ou une autre tension corporelle. L'autre est une origine génétique, une mutation dans un gène impliqué dans la fonction cardiaque.

Connaître la différence, Ashley a dit, est essentiel. La « myocardite est souvent réversible, » il a dit. « À la demande de règlement, le coeur peut être de retour assorti à la normale. Mais un état génétique n'est pas. Si l'état de Matthew était génétique, vraisemblablement la seule solution serait une transplantation cardiaque. »

Gorzynski a approché les parents de Matthew, expliquant la recherche de ordonnancement rapide, et a demandé s'ils voudraient inscrire le garçon dans l'étude. « Ils nous ont dit qu'il y a cette recherche toute neuve qu'ils travaillaient en circuit pour essayer d'accélérer le procédé du diagnostic, » Jenny Kunzman a dit. « Ils ont demandé si nous serions disposés à participer, et nous avons dit, « absolument. « Nous avons voulu autant l'information comme possible d'essayer et figurer à l'extérieur ce qu'était la cause. »

Avec quelques millilitres du sang de Matthew, l'équipe a commencé le procédé de rapide-génétique-ordonnancement. « En quelques heures, l'ordonnancement des caractéristiques a montré que la condition a été enracinée en génétique, » Ashley a dit.

Armé avec cette information, Matthew a été immédiatement mis sur une liste de transplantation cardiaque. Vingt et un jours plus tard, il a reçu un coeur neuf ; aujourd'hui, environ un an après, sa maman dit qu'il fait « exceptionnellement bien. »

Grippages suspects

Dans un autre cas, un mois-vieux patient 3 est venu au service des urgences pédiatrique de Stanford avec des grippages inexpliqués. Il était clair que le mineur ait souffert d'une forme d'épilepsie, mais exact ce qui entraînait les sympt40mes était inconnu.

Les chercheurs ont ordonnancé le génome du patient, faisant fonctionner les caractéristiques par des algorithmes mutation-trouvants et établissant les renvois de des caractéristiques publiques génomiques et de la maladie. Ils ont simultanément demandé le test diagnostique clinique normal pour des biomarqueurs de sang liés aux grippages de l'origine génétique. Juste plus de huit heures plus tard, grâce aux caractéristiques de ordonnancement rapides, l'équipe a eu leur réponse : Du jeune les convulsions patient étaient dues à une mutation dans un gène CSNK2B appelé.

Si l'équipe avait compté seulement sur le contrôle normal, aucun diagnostic n'aurait été effectué alors, bien qu'il soit susceptible que d'autres tests auraient apprêté le diagnostic correct pour le patient éventuellement, Ashley a dit. « Nous aurions été dans l'obscurité pendant beaucoup de semaines, » il a dit.

Les tests normaux examinent le sang d'un patient pour des bornes liées à la maladie, mais ils balayent seulement pour une poignée de gènes bien documentés. Les laboratoires commerciaux, qui exécutent souvent ces tests, sont lents pour mettre à jour les molécules pour lesquelles ils examinent, la signifiant peuvent prendre un bon moment avant des mutations neuf découvertes de pathogène sont intégrés dans le test. Et cela peut mener aux diagnostics manqués.

C'est pourquoi le séquençage du génome rapide pourrait être un tel jeu-commutateur pour des patients indisposant de la maladie génétique rare, Ashley a dit. Les scientifiques peuvent balayer le génome entier d'un patient pour l'intégralité de variantes de gène proposées par la littérature scientifique, même si ce gène est seulement découvert la veille. En outre, si un patient ne reçoit pas au commencement un diagnostic génétique, il reste espoir que les scientifiques trouveront une variante neuve de gène liée à la maladie du patient en bas de la ligne.

L'intérêt à partir d'autres cliniciens commence déjà à affluer. « Je sais les gens chez Stanford ont entendu que nous pouvons effectuer un diagnostic génétique en quelques heures, et ils sont excités à son sujet, » Ashley a dit. Des « tests génétiques juste ne sont pas considérés comme les tests qui reviennent rapidement. Mais nous changeons cette perception. »