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纳米孔技术创造新纪录!8小时内测完人类基因组

2022-1-14 17:14| 编辑: 归去来兮| 查看: 285| 评论: 0|来源: 药明康德

摘要: ▎药明康德内容团队编辑一年前,美国俄勒冈州的昆兹曼一家遇到了些意外——13岁的马修·昆兹曼(Matthew Kunzman)突然咳嗽不已,并伴有高烧。在疫情期间,任何类似新冠的症状都会引起人的高度警觉,而医生的诊断结 ...

▎药明康德内容团队编辑

一年前,美国俄勒冈州的昆兹曼一家遇到了些意外——13岁的马修·昆兹曼(Matthew Kunzman)突然咳嗽不已,并伴有高烧。在疫情期间,任何类似新冠的症状都会引起人的高度警觉,而医生的诊断结果喜忧参半:好消息是马修没有得新冠,坏消息是马修的症状可能源自心脏。

▲马修·昆兹曼是受益于这项技术12名患者之一(图片来源:参考资料[2];Courtesy of Jenny Kunzman)


当地的医生告诉马修的父母,他的身上有心肌炎的征兆。这是一种心脏出现的炎症,使这个重要器官难以维持正常功能,无法把足够的血液送至全身。后续的检测结果证实了这一猜测:马修的心脏功能正在衰竭,这超出了当地诊所的治疗能力。医生们推荐马修立刻前往斯坦福医院就诊,那里可能保住马修的一条命。

马修短暂躲过了死神的这次突然袭击。几个小时后,他的父亲带他飞到了斯坦福就诊。第二天,他的情况就迅速恶化。当他母亲次日抵达时,他已经用上了生命支持系统。如果再晚上几天,后果可能不堪设想。

尤安·阿什利(Euan Ashley)是斯坦福大学医学院的一名教授,也是一名遗传学和生物医学数据方面的专家。听说马修的病例后,他的心里萌生出了不同的看法——总体而言,马修是一名非常健康的年轻人。突发心衰,主要可能有两个原因:其一就是俄勒冈医生的诊断,即由于病毒或者其它身体不适诱发的心肌炎;其二则是遗传学上的原因,某个基因突变带来的影响,在日积月累之下,终于压垮了马修的心脏。

▲本研究的负责人尤安·阿什利教授(斯坦福医学院)


这两个原因各有各的可能,却有着完全不同的治疗方案——心肌炎往往是可逆的。通过治疗,心脏功能可以恢复正常水平。但基因突变带来的心脏病则不然。如果病因真的是基因缺陷,唯一的治疗方案就是心脏移植。

阿什利教授课题组的约翰·戈尔津斯基(John Gorzynski)博士联系了马修的父母,介绍了他们实验室正在进行的一项基因组快速测序的研究,并征求许可,将马修纳入到这项研究中。对于这个请求,马修的父母当即同意下来。他们迫不及待地想知道,马修究竟是得了什么病。

征得同意后,研究人员们抽取了几毫升马修的血液,送去做快速的基因组测序。几小时后,测序结果返回,显示马修的基因组里确实有着导至疾病的基因突变。获取这一信息后,医生们立即将马修放到了心脏移植的等待列表上。过了三周,他等来了一颗全新的心脏。一年后的今天,马修的母亲说他依然活得很健康。

喜悦之余,他们可能没有想到马修参与的是一项具有里程碑意义的研究。替马修做出关键诊断的技术,仅在短短数小时内就完成了全基因组的测序。“通常来说,如果能在几周时间里完成对患者基因组的测序,并返回结果,大部分医生就会说很迅速了。” 阿什利教授说道。

图片来源:123RF


在世纪之交,当人类首次完成基因组草图的绘制时,或许少有人能预料到在短短二十多年后,基因组测序竟能成为诊断个体疾病的工具——当时,为了完成基因组草图,多个国家的科学家们耗时十余年,耗费了近30亿美元的资金。放在任何一个个体身上,这都是难以想象的天文数字。

而如今,随着分子生物学技术的发展,基因组测序技术的门槛不断下降。数年前,商业化的个体基因组测序便已成为了可能。几千美元,几周时间,一份属于自己的生命蓝图就将测序完成。在有经验的医生眼中,这份蓝图里还蕴藏着遗传疾病的蛛丝马迹,也有着通往治疗疾病方向的指示牌。

▲人类基因组的测序成本在过去二十年迅速下降(图片来源:Wetterstrand KA. DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Genome Sequencing Program (GSP) Available at: www.genome.gov/sequencingcostsdata. Accessed 01/13/2021.)


但正如阿什利教授所言,现有的基因组测序技术和世纪之交相比已经变迅速了不少,但对于马修这样的危重症患者,还是太慢了。传统的几周测序时间,普通健康人还等得起,马修等不起。为了对类似马修的患者做出及时诊断,研究人员们还需要开发出更为快速的测序技术。快速测序意味着更快的诊断,更快的治疗,也意味着患者可能会在重症病房待上更短的时间,或是更快康复。更关键的是,这种速度上的提升,还不能牺牲准确度。

为了满足这一需求,研究人员们想到了“纳米孔”技术。这是一种已经在基因测序中得到广泛应用的技术,它的原理也很容易理解——当长链DNA分子通过纳米尺寸的空隙时,会随着碱基的不同,产生相应的电流变化。而通过仪器识别这种电流变化,就可以反推出相应的碱基,从而还原DNA的序列。

阿什利教授联系了牛津纳米孔技术公司,并使用了该公司开发的PromethION 48测序系统。这套系统里一共有48个测序流动池(flow cell),每一个流动池都能单独完成基因组测序的工作。而为了节省时间,研究人员们决定让48个流动池同时工作,极大加快速度。

▲纳米孔技术对DNA测序的示意图(图片来源:DataBase Center for Life Science (DBCLS), CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons)


并行的测序固然提高了速度,却也产生了海量数据,超过了实验室的分析能力。为此,研究团队进一步将数据传到云端,扩大计算能力。同时,团队也开发了一些算法,在扫描测序获得的遗传信息的同时,寻找可能导至遗传疾病的突变。最后,科学家们还会拿寻找到的基因变异去和公开发表的论文进行比对,进行确认。

在2020年12月到2021年5月间,研究人员们在两家位于斯坦福的医院招募了12名患者,使用上述的技术进行了快速的基因组测序,用于辅助诊断。昨日,科学家们在《新英格兰医学杂志》上介绍了他们的阶段性工作成果。根据介绍,从收集患者血样到获得初步诊断结果,最短的时间仅为7小时18分钟。


速度当然是这项工作非常引人注目的一点。根据斯坦福医学院的新闻稿,在一个病例中,如果去除诊断环节,仅统计基因组的测序部分,那么耗时仅需5小时2分钟,这也创下了吉尼斯世界纪录。

但速度绝非本研究的唯一亮点。事实上,纳米孔技术的一大特征就是对长序列的测序。传统的基因组测序方法会先将基因组打碎成小的片段进行测序,然后再以标准的人类基因组作为参照,将测序结果重新拼成一个基因组。但这样的方法有时会错过一些基因组片段,或是遗漏一些遗传变异。长序列测序则能对长达几万个碱基的DNA片段进行测序,提供更多的细节。

《新英格兰医学杂志》的文章中提到,超过一半的测序片段超过25 kb。总体来看,每一个基因组能产生173到236 Gb的数据,序列比对一致性(alignment identity)达到94%,常染色体的覆盖率达到46到64x。

▲本研究的示意图(图片来源:参考资料[1])


“通过长序列测序,更容易在大片段的基因组上找到突变,” 阿什利教授评论说,“如果不使用一些长序列测序的手段,几乎不可能发现其中的一些变异。”

该技术还能回答通过传统诊断技术难以回答的医学问题。研究团队介绍了另外一个案例——一名3个月大的婴儿出现病因不明的癫痫,于是医院双管齐下,一方面使用标准的临床基因诊断,另一方面则使用这种新型的全基因组快速测序技术。仅过了8个多小时,后者就给出了答案——这名患儿的CSNK2B基因出现了突变,它已知与神经发育疾病有关,会导至早发的癫痫。相反,标准的临床基因诊断中则不含有CSNK2B这一项检测内容,因此检测返回的信息对患者的帮助有限。

这一研究成果得到了不少医生和科学家的关注。斯坦福的医生们对能在几小时内完成遗传诊断的前景感到非常兴奋,知名科学家Eric Topol教授也在其社交媒体上表示“未来已来”。

图片来源:Eric Topol教授社交媒体截图


当然,这一工作目前只是得到了小规模的运用,在成本和准确度上相信还有不少可以优化的空间。但这一先驱性的尝试已向我们证明,基因组的快速测序有望成为诊断的重要一环,为怀疑患有罕见遗传疾病的患者家庭及时带来重要的诊断信息。快速、准确、个体化……或许,这就是未来医疗诊断的模样。



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