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o genoma Ultra-rápido que arranja em seqüência a tecnologia pode detectar doenças genéticas raras em oito horas

Um genoma ultra-rápido novo que arranja em seqüência a aproximação desenvolvida por cientistas da medicina de Stanford e por seus colaboradores foi usado para diagnosticar doenças genéticas raras em uma média de oito horas -; um repto que seja quase inaudito no cuidado clínico padrão.

“Algumas semanas são o que a maioria de clínicos chamam “rapid” quando se trata de arranjar em seqüência o genoma de um paciente e de retornar resultados,” disseram Euan Ashley, MB ChB, DPhil, professor da medicina, da genética e da ciência biomedicável dos dados em Stanford.

Arranjar em seqüência do genoma permite que os cientistas considerem a composição completa do ADN de um paciente, que contem a informação sobre tudo da cor do olho às doenças herdadas. Arranjar em seqüência do genoma é vital para diagnosticar pacientes com as doenças enraizadas em seu ADN: Uma vez que os doutores conhecem a mutação genética específica, podem costurar tratamentos em conformidade.

Agora, uma aproximação mega-arranjando em seqüência planejada por Ashley e seus colegas redefiniram o “rapid” para diagnósticos genéticos: Seu diagnóstico mais rápido foi feito dentro apenas sobre sete horas. Os pacientes médios dos diagnósticos rápidos podem passar menos tempo em unidades críticas do cuidado, exigir menos testes, recuperá-los mais rapidamente e gastar menos no cuidado. Notàvel, o mais rápido que arranja em seqüência não sacrifica a precisão.

Um papel que descreve o trabalho dos pesquisadores publicará Jan.12 em New England Journal da medicina. Ashley, vice-decano da Faculdade de Medicina de Stanford e o Roger e o professor de Joelle Burnell na saúde da genómica e da precisão, são o autor superior do papel. O erudito pos-doctoral John Gorzynski, DVM, PhD, é o autor principal.

Exposição para ajustar um registro

Sobre o período de menos de seis meses, a equipe registrou e arranjou em seqüência os genomas de 12 pacientes, cinco de quem recebeu um diagnóstico genético da informação arranjando em seqüência aproximadamente no tempo onde toma para arredondar para fora um dia no escritório. (Não todas as doenças são baseadas genetically, que é provável a razão que alguns dos pacientes não receberam um diagnóstico depois que sua informação arranjando em seqüência foi retornada, Ashley disse.) A taxa diagnóstica da equipe, aproximadamente 42%, é aproximadamente 12% mais alto do que a taxa média para diagnosticar doenças do mistério.

Em um dos casos, tomou umas 5 horas ásperos e 2 minutos para arranjar em seqüência o genoma de um paciente, que ajustou o primeiro título dos recordes mundiais de Guinness para o ADN o mais rápido que arranja em seqüência a técnica. O registro foi certificado pelo instituto nacional do genoma da ciência e de tecnologia em um grupo da garrafa e é documentado por recordes mundiais de Guinness.

Era apenas um daqueles momentos surpreendentes aonde os povos adequados vieram de repente junto conseguir algo que surpreende,” Ashley disse. “Sentiu realmente como nós aproximávamos uma fronteira nova.”

Euan Ashley, MB ChB, DPhil, professor, medicina da genética e ciência biomedicável dos dados, medicina de Stanford

O tempo onde tomou para diagnosticar que o caso era 7 horas e 18 minutos, que, ao conhecimento de Ashley, é aproximadamente duas vezes mais rapidamente que o registro precedente para um genoma arranjar em seqüência-baseou o diagnóstico (14 horas) guardarado pelo instituto das crianças de Rady. Quatorze horas são ainda uma rotação impressionante rápida, Ashley disse. Os cientistas de Stanford planeiam oferecer uma rotação de sub-10-hour aos pacientes nas unidades de cuidados intensivos no hospital de Stanford e no hospital de crianças Stanford de Lucile Packard -; e, ao longo do tempo, a outros hospitais demasiado.

Aceleração

Para conseguir velocidades arranjando em seqüência super-rápidas, o hardware novo necessário dos pesquisadores. Assim Ashley contactou colegas nas tecnologias de Oxford Nanopore que tinham construído uma máquina compor de 48 unidades arranjando em seqüência conhecidas como pilhas de fluxo. A ideia era arranjar em seqüência o apenas um genoma da pessoa usando todas as pilhas de fluxo simultaneamente. A aproximação da mega-máquina era um sucesso -; quase demasiado. Os dados Genomic oprimiram os sistemas computacionais do laboratório.

“Nós não podíamos processar os dados rápidos bastante,” Ashley disse. “Nós tivemos que completamente reconsideração e para melhorar nossos encanamentos dos dados e sistemas do armazenamento.” O aluno diplomado Sneha Goenka encontrou uma maneira de convergir os dados rectos a um sistema nuvem-baseado do armazenamento onde a potência computacional poderia ser amplificada bastante a peneirar com os dados no tempo real. Os algoritmos então fizeram a varredura independente do código genético entrante para os erros que puderam causar a doença, e, no passo final, os cientistas conduziram uma comparação das variações do gene do paciente contra as variações publicamente documentadas conhecidas para causar a doença.

Do início ao fim, a equipe procurou acelerar cada aspecto de arranjar em seqüência o genoma de um paciente. Os pesquisadores executaram literalmente amostras pelo pé ao laboratório, as máquinas novas foram equipadas para apoiar o genoma simultâneo que arranja em seqüência, e a potência informática foi escalada a eficientemente tritura séries de dados maciças. Agora, a equipe está aperfeiçoando seu sistema para reduzir o tempo mesmo mais adicional. “Eu penso que nós podemos o partir ao meio outra vez,” Ashley disse. “Se nós podemos fazer isso, nós estamos falando sobre poder obter uma resposta antes da extremidade de uma divisão de hospital redonda. Aquele é um salto dramático.”

arranjar em seqüência do Longo-read

Talvez a característica a mais importante da capacidade da aproximação diagnóstica para manchar rapidamente fragmentos suspeitos do ADN é seu uso de algo arranjar em seqüência chamado do longo-read. As técnicas genoma-arranjando em seqüência tradicionais desbastam o genoma em bits pequenos, soletram para fora o pedido exacto dos pares da base do ADN em cada pedaço, a seguir remendam o tudo isto para trás que usa junto um genoma humano padrão como uma referência. Mas essa aproximação não captura sempre a totalidade de nosso genoma, e a informação que fornece pode às vezes omitir variações nos genes que apontam a um diagnóstico. o Longo-read que arranja em seqüência conservas estica por muito tempo do ADN compor dos dez dos milhares de pares baixos, fornecendo a precisão similar e o mais detalhe para os cientistas que limpam a seqüência para erros.

As “mutações que ocorrem sobre um grande pedaço do genoma são mais fáceis de detectar usando arranjar em seqüência do longo-read. Há as variações que seriam quase impossíveis de detectar sem algum tipo da aproximação do longo-read,” Ashley disse. É igualmente muito mais rápida: “Que era uma das razões grandes nós fomos para esta aproximação.”

Somente tenha recentemente empresas e os pesquisadores afiaram a precisão da aproximação do longo-read bastante para confiar nela para diagnósticos. Isso e uma gota de seu preço uma vez que-robusto criaram uma oportunidade para a equipe de Ashley. A seu conhecimento, este estudo é o primeiro para demonstrar a possibilidade deste tipo de longo-read que arranja em seqüência como um grampo da medicina diagnóstica.

Durante o estudo, a equipe de Ashley ofereceu o genoma acelerado que arranja em seqüência a técnica aos pacientes undiagnosed nas unidades de cuidados intensivos dos hospitais de Stanford. Forneceram estabeleceram o padrão de cuidado que testa aos pacientes do estudo junto com o gene rápido experimental que arranja em seqüência, com que procuraram respostas a duas perguntas importantes: É a culpa da genética para a doença do paciente? Em caso afirmativo, que erros específicos do ADN estão agitando acima o problema?

Mistério do coração

Aquelas eram as perguntas chaves que cercam a caixa de Matthew Kunzman de Oregon. Aproximadamente um ano há, quando Matthew era 13, uma tosse cansativo e uma febre alta aterrou-o no escritório de um doutor local. “Nós pensamos que era a gripe, ou talvez COVID,” disse Jenny Kunzman, a matriz de Matthew. Despejou a tosse era o primeiro sinal de uma condição de coração conhecida como o myocarditis -; inflamação do coração -; isso faz duro para que o órgão bombeie o sangue ao resto do corpo. Os testes subseqüentes no hospital local de Matthew revelaram uma situação extremo: Seu coração estava falhando. Seu doutor recomendou a mosca da família imediatamente ao hospital de Stanford para o cuidado.

Horas mais tarde, Matthew e seu pai, Sénior de Matthew Kunzman., chegado no hospital de Stanford. Jenny Kunzman chegou um dia mais tarde e encontrou que a condição do seu filho se tinha agravado. Matthew estava na manutenção das funções vitais.

Há duas razões que uns anos de idade 13 na maior parte saudáveis poderiam experimentar este tipo da parada cardíaca, Ashley disse. Um é sabido como o myocarditis, e acontece quando as pilhas imunes pululam o coração, provocado frequentemente por um vírus ou por algum outro esforço corporal. A outro é uma causa genética, uma mutação em um gene envolvido na função do coração.

Conhecer a diferença, Ashley disse, é crucial. O “Myocarditis é frequentemente reversível,” disse. “Com tratamento, o coração pode ir para trás ao normal. Mas uma condição genética não é. Se a condição de Matthew era genética, provavelmente a única solução seria uma transplantação de coração.”

Gorzynski aproximou os pais de Matthew, explicando a pesquisa arranjando em seqüência rápida, e perguntou se gostariam de registrar o menino no estudo. “Disseram-nos que há esta novo pesquisa que estavam trabalhando sobre para tentar acelerar o processo de diagnóstico,” Jenny Kunzman disse. “Perguntaram se nós seríamos dispostos participar, e nós dissemos, “absolutamente. “Nós quisemos tanta informação como possível tentar para fora e figurar o que a causa era.”

Com alguns mililitros do sangue de Matthew, a equipe começou o processo rápido-genético-arranjando em seqüência. “Em questão de horas, arranjar em seqüência dados mostrou que a circunstância estêve enraizada na genética,” Ashley disse.

Armado com essa informação, Matthew foi posto imediatamente sobre uma lista da transplantação de coração. Vinte e um dias mais tarde, recebeu um coração novo; hoje, aproximadamente um ano mais tarde, sua mamã diz que está fazendo “excepcionalmente bem.”

Apreensões suspeitos

Em um outro caso, um paciente 3 mês-velho veio ao departamento de emergência pediatra de Stanford com apreensões inexplicados. Era claro que o infante estava sofrendo de um formulário da epilepsia, mas exactamente o que causava os sintomas era desconhecido.

Os pesquisadores arranjaram em seqüência o genoma do paciente, executando os dados com os algoritmos dedetecção e fazendo remissão recíproca dados públicos genomic e da doença. Pediram simultaneamente o teste diagnóstico clínico padrão para os biomarkers do sangue associados com as apreensões da origem genética. Apenas sobre oito horas mais tarde, os agradecimentos aos dados arranjando em seqüência rápidos, a equipe tiveram sua resposta: As convulsões do paciente novo eram devido a uma mutação em um gene chamado CSNK2B.

Se a equipe tinha confiado somente no teste padrão, nenhum diagnóstico seria feito naquele tempo, embora é provável que uns testes mais adicionais surgiriam o diagnóstico correcto para o paciente eventualmente, Ashley disse. “Nós estaríamos na obscuridade por muitas semanas,” disse.

Os testes padrão seleccionam o sangue de um paciente para os marcadores associados com a doença, mas fazem a varredura somente para um punhado de genes bem documentados. Os laboratórios comerciais, que executam frequentemente estes testes, são lentos actualizar as moléculas para que seleccionam, significando o podem tomar uns muitos tempos antes do descoberto recentemente doença-causando mutações são integrados no teste. E isso pode conduzir aos diagnósticos faltados.

É por isso arranjar em seqüência rápido do genoma poderia ser tal jogo-cambiador para os pacientes que afligem da doença genética rara, Ashley disse. Os cientistas podem fazer a varredura de genoma inteiro de um paciente para alguns e de todas as variações do gene sugeridas pela literatura científica, mesmo se esse gene é descoberto somente o dia antes. Além disso, se um paciente não recebe inicialmente um diagnóstico genético, há ainda uma esperança que os cientistas encontrarão uma variação nova do gene ligada à doença do paciente abaixo da linha.

O interesse de outros clínicos já está começando derramar dentro. “Eu sei os povos em Stanford se ouviram que nós podemos fazer um diagnóstico genético em algumas horas, e são entusiasmado sobre ele,” Ashley disse. “Os testes genéticos apenas não são pensados como dos testes que voltam rapidamente. Mas nós estamos mudando essa percepção.”