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La tecnologia ultrarapida di sequenziamento del genoma può diagnosticare le malattie genetiche rare in otto ore

Un nuovo approccio ultrarapido di sequenziamento del genoma sviluppato dagli scienziati della medicina di Stanford e dai loro collaboratori è stato usato per diagnosticare le malattie genetiche rare in una media di otto ore -; un'abilità che è quasi inascoltata in cura clinica standard.

“Alcune settimane è che cosa la maggior parte dei clinici chiamano “rapida„ quando si tratta dell'ordinamento del genoma di un paziente e della restituzione dei risultati,„ hanno detto Euan Ashley, il MB ChB, DPhil, professore di medicina, della genetica e di scienza biomedica di dati a Stanford.

Il sequenziamento del genoma permette che gli scienziati vedano il trucco completo del DNA di un paziente, che contiene le informazioni su tutto da colore degli occhi alle malattie ereditate. Il sequenziamento del genoma è vitale per la diagnostica dei pazienti con le malattie piantate in loro DNA: Una volta che medici conoscono la mutazione genetica specifica, possono adattare di conseguenza i trattamenti.

Ora, un approccio d'ordinamento inventato da Ashley ed i suoi colleghi ha ridefinito “la rapida„ per i sistemi diagnostici genetici: La loro diagnosi più veloce è stata fatta dentro appena al disopra sette ore. I pazienti medi di diagnosi veloci possono passare meno tempo nelle unità critiche di cura, richiedere meno prove, recuperare più rapidamente e spendere di meno su cura. Considerevolmente, l'ordinamento più veloce non sacrifica l'accuratezza.

Un documento che descrive il lavoro dei ricercatori pubblicherà Jan.12 in New England Journal di medicina. Ashley, decano di socio della scuola di medicina di Stanford e Roger ed il professore di Joelle Burnell nella salubrità di precisione e di genomica, è l'autore senior del documento. Lo studioso postdottorale John Gorzynski, DVM, PhD, è l'autore principale.

Precisare per collocare una registrazione

Sopra la portata di meno di sei mesi, il gruppo ha iscritto ed ordinato i genoma di 12 pazienti, cinque di chi ha ricevuto una diagnosi genetica dalle informazioni d'ordinamento circa nel tempo che catturano per arrotondare fuori un giorno all'ufficio. (Non tutti i disturbi geneticamente sono basati, che è probabile la ragione che alcuni dei pazienti non hanno ricevuto una diagnosi dopo che le loro informazioni d'ordinamento sono state restituite, Ashley ha detto.) La tariffa diagnostica del gruppo, approssimativamente 42%, è circa 12% superiore alla tariffa media per la diagnostica delle malattie di mistero.

In uno dei casi, ha richiesto le 5 ore vivaci e 2 minuti per ordinare il genoma di un paziente, che ha fissato il primo titolo dei record del mondo di Guinness per DNA più veloce che ordina la tecnica. La registrazione è stata certificata dall'istituto nazionale del genoma di scienza e tecnologia in un gruppo della bottiglia ed è documentata dai record del mondo di Guinness.

Era appena una di quei momenti stupefacenti dove la persone giuste è venuto improvvisamente insieme a raggiungere qualcosa che stupisce,„ Ashley ha detto. “realmente ritenuto come stavamo avvicinando ad una nuova frontiera.„

Euan Ashley, MB ChB, DPhil, il professor, medicina della genetica e scienza biomedica di dati, medicina di Stanford

Il tempo che ha catturato per diagnosticare che il caso era di 7 ore e 18 minuti, che, alla conoscenza di Ashley, è circa due volte più velocemente la registrazione precedente per ad una diagnosi basata ordinare del genoma (14 ore) ha tenuto dall'istituto dei bambini di Rady. Quattordici ore è ancora un ritorno impressionante rapido, Ashley ha detto. Gli scienziati di Stanford pianificazione offrire un ritorno di sub-10-hour ai pazienti in unità di cure intensive all'ospedale di Stanford ed all'ospedale pediatrico Stanford di Lucile Packard -; e, col passare del tempo, ad altri ospedali anche.

Accelerazione

Per raggiungere le velocità d'ordinamento ultrarapide, i ricercatori hanno avuto bisogno di nuovo hardware. Così Ashley ha contattato i colleghi alle tecnologie di Oxford Nanopore che avevano costruito un commputer composto di 48 unità di ordinamento conosciute come le celle di flusso. L'idea era di ordinare simultaneamente l'appena un genoma della persona facendo uso di tutte le celle di flusso. L'approccio del mega-commputer era un successo -; quasi troppo. I dati genomica hanno sopraffatto i sistemi di calcolo del laboratorio.

“Non potevamo elaborare i dati abbastanza veloci,„ Ashley ha detto. “Abbiamo dovuto completamente ripensare e migliorare le nostri condutture di dati e sistemi di memorizzazione.„ Il dottorando Sneha Goenka ha trovato un modo versare i dati con un imbuto diritti ad un ad un sistema di memorizzazione basato a nuvola in cui la potenza di calcolo potrebbe essere ampliata abbastanza da setacciare con i dati in tempo reale. Gli algoritmi poi hanno scandito indipendente il codice genetico ricevuto per gli errori che potrebbero causare la malattia e, alla tappa finale, gli scienziati hanno condotto un confronto delle varianti del gene del paziente contro le varianti pubblicamente documentate conosciute per causare la malattia.

Dall'inizio alla fine, il gruppo ha cercato di accelerare ogni aspetto di ordinamento del genoma di un paziente. I ricercatori hanno eseguito letteralmente i campioni a piedi al laboratorio, i nuovi commputer sono stati attrezzati per supportare il sequenziamento del genoma simultaneo e la potenza di calcolo è stata intensificata efficientemente sgranocchia gli insiemi di dati massicci. Ora, il gruppo sta ottimizzando il suo sistema per diminuire il tempo ancora ulteriore. “Penso che possiamo dividerlo in due ancora,„ Ashley ha detto. “Se possiamo fare quello, stiamo parlando di potendo ottenere una risposta prima dell'estremità di un reparto di ospedale rotonda. Quello è un salto drammatico.„

ordinamento del A lungo read

Forse la funzionalità più importante della capacità dell'approccio diagnostico di macchiare rapidamente i frammenti sospettosi di DNA è il suo uso di qualcosa ordinamento chiamato del a lungo read. Le tecniche tradizionali di sequenziamento del genoma tagliano il genoma a pezzi nei piccoli bit, spiegano l'ordine esatto delle coppie di basi del DNA in ogni bello pezzo, quindi collegano l'intero affare indietro insieme facendo uso di un genoma umano standard come riferimento. Ma quell'approccio non cattura sempre la totalità del nostro genoma ed informazioni che fornisce possono a volte omettere le variazioni in geni che indicano una diagnosi. il A lungo read che ordina le prerogative lungamente allunga di DNA composto di decine di migliaia di coppie di basi, fornendo la simile accuratezza e più dato dettagliato per gli scienziati che raschiano la sequenza per gli errori.

“Le mutazioni che si presentano sopra un gran pezzo di genoma sono più facili da individuare facendo uso dell'ordinamento del a lungo read. Ci sono varianti che sarebbero quasi impossibli da individuare senza certo genere di approccio del a lungo read,„ Ashley hanno detto. È egualmente molto più veloce: “Che era una di grandi ragioni siamo andato per questo approccio.„

Recentemente abbia soltanto società ed i ricercatori smerigliatrice l'accuratezza dell'approccio del a lungo read abbastanza per contare su per i sistemi diagnostici. Quello e un calo dal suo prezzo da pagare una volta vigoroso hanno creato un'opportunità per il gruppo di Ashley. Alla sua conoscenza, questo studio è il primo per dimostrare la fattibilità di questo tipo di a lungo read che ordina come graffetta di medicina diagnostica.

Durante lo studio, il gruppo di Ashley ha offerto la tecnica accelerata di sequenziamento del genoma ai pazienti undiagnosed in unità di cure intensive degli ospedali di Stanford. Hanno fornito hanno stabilito il livello di cura che prova ai pazienti di studio con il gene rapido sperimentale che ordina, con cui hanno cercato le risposte a due domande importanti: È la colpa della genetica per il disturbo del paziente? In caso affermativo, che errori specifici del DNA stanno mescolando sulla difficoltà?

Mistero del cuore

Quelle erano le questioni chiavi che circondano la cassa di Matthew Kunzman dell'Oregon. Circa un anno fa, quando Matthew era 13, una tosse fastidiosa e un'alta febbre lo ha sbarcato ad un ambulatorio locale. “Abbiamo pensato che fosse l'influenza, o forse COVID,„ ha detto l'asina Kunzman, la madre di Matthew. Ha risultato la tosse era il primo segno delle condizioni del cuore conosciute come la miocardite -; infiammazione del cuore -; quello lo rende duro affinchè l'organo pompi il sangue al resto dell'organismo. Le prove successive all'ospedale locale di Matthew hanno rivelato una situazione terribile: Il suo cuore stava venendo a mancare. Il suo medico ha raccomandato immediatamente la mosca della famiglia all'ospedale di Stanford per cura.

Ore più successivamente, Matthew ed suo padre, Sr di Matthew Kunzman., arrivato all'ospedale di Stanford. L'asina Kunzman è arrivato più successivamente un giorno ed ha trovato che lo stato di suo figlio aveva peggiorato. Matthew era su sostegno vitale.

Ci sono due ragioni che un 13enne principalmente sano potrebbe avvertire questo genere di infarto, Ashley ha detto. Uno è conosciuto come miocardite ed accade quando le celle immuni sciamano il cuore, avviato spesso da un virus o da un certo altro sforzo corporeo. L'altra è una causa genetica, una mutazione in un gene in questione nella funzione del cuore.

Conoscere la differenza, Ashley ha detto, è cruciale. “La miocardite è spesso reversibile,„ ha detto. “Con il trattamento, il cuore può ritornare a normale. Ma uno stato genetico non è. Se lo stato di Matthew fosse genetico, probabilmente la sola soluzione sarebbe un trapianto di cuore.„

Gorzynski si è avvicinato ai genitori di Matthew, spieganti la rapida che ordina la ricerca ed ha chiesto se volessero iscrivere il ragazzo allo studio. “Ci hanno detto che c'è questa ricerca nuovissima che stavano lavorando sopra per provare ad accelerare il trattamento della diagnosi,„ Jenny Kunzman ha detto. “Hanno chiesto se fossimo disposti a partecipare ed abbiamo detto, “assolutamente. “Abbiamo voluto tante informazioni come possibile provare e capire che cosa la causa era.„

Con alcuni millilitri del sangue di Matthew, il gruppo ha cominciato il trattamento d'ordinamento. “Nel giro di poche ore, ordinare i dati ha mostrato che la circostanza è stata piantata nella genetica,„ Ashley ha detto.

Armato con quelle informazioni, Matthew immediatamente è stato messo su una lista del trapianto di cuore. Il ventuno giorno più successivamente, ha ricevuto un nuovo cuore; oggi, circa un anno più successivamente, la sua mamma dice che sta facendo “eccezionalmente bene.„

Attacchi sospettosi

In un altro caso, un paziente di 3 mesi è venuto al pronto soccorso pediatrico di Stanford con gli attacchi non spiegati. Era chiaro che l'infante stava soffrendo da un modulo dell'epilessia, ma esattamente che cosa stava causando i sintomi era sconosciuto.

I ricercatori hanno ordinato il genoma del paziente, eseguente i dati con gli algoritmi dirilevazione e riferente i dati pubblici di malattia e genomica. Hanno richiesto simultaneamente il test diagnostico clinico standard per i biomarcatori di sangue connessi con gli attacchi dell'origine genetica. Appena al disopra otto ore più successivamente, grazie ai dati d'ordinamento rapidi, il gruppo hanno avuti loro risposta: Le convulsioni del giovane paziente erano dovuto una mutazione in un gene chiamato CSNK2B.

Se il gruppo avesse contato soltanto sulla prova standard, nessuna diagnosi sarebbe stata fatta allora, sebbene fosse probabile che ulteriori prove sarebbero affiorato finalmente la diagnosi corretta per il paziente, Ashley ha detto. “Saremmo stati nello scuro per molte settimane,„ ha detto.

Le prove standard schermano il sangue di un paziente per gli indicatori connessi con la malattia, ma scandiscono soltanto per una manciata di geni ben documentati. I laboratori commerciali, che eseguono spesso queste prove, sono lenti aggiornare le molecole per cui schermano, significante la possono richiedere molto tempo prima recentemente dello scoperto di malattia-causando le mutazioni sono integrati nella prova. E quello può piombo alle diagnosi mancanti.

Ecco perché il sequenziamento del genoma rapido potrebbe essere un tal cacciagione-commutatore per i pazienti che indispongono dalla malattia genetica rara, Ashley ha detto. Gli scienziati possono scandire l'intero genoma di un paziente per qualsiasi varianti del gene suggerite dalla letteratura scientifica, anche se quel gene è scoperto soltanto prima il giorno. Ancora, se un paziente inizialmente non riceve una diagnosi genetica, c'è ancora speranza che gli scienziati troveranno una nuova variante del gene collegata alla malattia del paziente giù la riga.

L'interesse da altri clinici già sta partendo versare dentro. “So la gente a Stanford ha sentito che possiamo fare una diagnosi genetica in alcune ore e sono eccitate a questo proposito,„ Ashley ha detto. “Le prove genetiche appena non sono pensate come a prove che ritornano rapidamente. Ma stiamo cambiando quella percezione.„