8小時內診斷出罕見遺傳疾??！斯坦福學者重新定義人類基因組測序速度，創(chuàng)下吉尼斯世界記錄
“對患者的全基因組進行測序、分析并收到結果，用時數周已經算得上大多數臨床醫(yī)生所認為的‘快速’了?！?斯坦福大學醫(yī)學、遺傳學和生物醫(yī)學數據科學教授 Euan Ashley 博士說。
而現在，Ashley 所帶領的團隊把對人類基因組進行測序的時間縮短到了5 小時 2 分鐘。據悉，這個時長創(chuàng)造了最快人類基因組測序的吉尼斯世界記錄。完成測序后，繼續(xù)對基因組測序結果進行分析并診斷出結果，總共所需的時間是7 小時 18 分鐘。Ashley 和他的團隊重新定義了 “快速”，這在標準臨床診斷中幾乎是聞所未聞的。
圖 | Euan Ashley（來源：stanford medicine）
Ashley 團隊的研究成果于近日刊登在The New England Journal of Medicine上，題為：Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a Critical Care Setting。在這項研究中，研究人員在不到六個月的時間里，招募并測序了 12 名患者的基因組，其中 5 人從測序結果中獲得了疾病診斷。這或將為臨床治療提供一種新思路。
參與該研究的還有 NVIDIA、牛津納米孔技術公司、谷歌、貝勒醫(yī)學院和加州大學圣克魯斯分校的研究人員。
在這項研究中，疾病診斷率約為42%（5/12），比平均水平高出約 12%。因此，這次的 “提速”并沒有降低準確性。
隨著成本的不斷下降，基因組測序技術給臨床醫(yī)生診斷遺傳疾病提供了更有力的手段。但基因測序大數據的分析往往需要耗費很長時間，這是阻礙基因組學發(fā)展的最大障礙。同時對于患者來說，時間就是生命。
早在 2016 年 4 月 25 日，瑞迪兒童醫(yī)院（Rady Children’s Hospital）旗下基因組藥物研究所總裁兼首席執(zhí)行官 Stephen Kingsmore 博士采用基因組測序技術在 26 小時內成功為患有嚴重出生缺陷的嬰兒從基因層面診斷出了疾病。這創(chuàng)下當時世界上最快的基因診斷紀錄。
此后 Kingsmore 團隊不斷刷新記錄， 2019 年創(chuàng)下 19.5 小時的記錄，去年他們又以 14.5 小時的成績再次榮登榜首。
Ashley 的研究成果讓診斷時間變得更短。他使用了牛津納米孔技術公司開發(fā)的 PromethION 48 測序系統(tǒng)，這套系統(tǒng)里一共有 48 個均可以獨立完成基因測序工作的測序流動池（flow cell）。研究人員讓 48個流動池同時工作，極大地加快了速度。
提速后測序產生了海量的數據，超出了實驗室的計算能力，研究人員必須將這些數據上傳到云端以加快數據處理速度，他們使用了 Google Cloud 上的 NVIDIA GPU 加速了堿基調用和變異調用，NVIDIA Clara Parabricks 計算基因組應用框架也加快了識別基因組中數百萬個變異的過程 。
當獲得基因變異結果后，研究人員拿公開發(fā)表的論文進行對比和確認，最終診斷出疾病。
其中，能保證測序速度加快而準確性不降反升的利器是，長讀長測序。
傳統(tǒng)的基因組測序技術先將基因切成小片段進行測序，然后使用標準人類基因組作為參考，將整個測序結果重新拼成一個基因組。但這種方法并不總能捕獲我們的整個基因組，而且它提供的信息有時會忽略指向診斷的基因變異。
（來源：the Pathologist）
長讀長測序可以對由數萬個堿基對組成的長片段 DNA 進行測序，為科學家在序列中尋找錯誤提供了更多細節(jié)?！巴ㄟ^長序列測序，更容易在大片段的基因組上找到突變，” Ashley 說，“如果不使用一些長序列測序的手段，幾乎不可能發(fā)現其中的一些變異。這是我們采用這種方法的重要原因之一?！?論文中指出，在本次研究中序列比對一致性（alignment identity）達到 94%。
在研究期間，Ashley 的團隊為斯坦福醫(yī)院重癥監(jiān)護病房未確診的患者提供了這項基因組測序技術。他們?yōu)檠芯炕颊咛峁┝伺R床現有的測試標準以及實驗室的快速基因測序，并借此尋求兩個重要問題的答案：患者的疾病是否應該歸咎于基因變異？如果是，哪些特定的基因變異引發(fā)了這個疾?。?/span>
這次研究中，有一名只有 3 個月大的嬰兒出現原因不明的癲癇，醫(yī)生一方面使用標準的臨床基因診斷，另一方面則使用試驗中的全基因組快速測序技術。僅用 8 個多小時，后者就給出了答案 —— 這名患兒的 CSNK2B 基因出現了突變，它已知與神經發(fā)育疾病有關，會導致早發(fā)的癲癇。而標準的臨床診斷并不能給出這樣的診斷結果。
該論文一經發(fā)表引發(fā)圈內人士的眾多關注，也許在不久的將來，基因快速測序診斷會成為疾病診斷中的重要方式。
參考資料：
https://www.sciencedaily.com/releases/2022/01/220113092144.html
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