Test sekwencjonowania metagenomicznego nowej generacji opracowany na Uniwersytecie UCSF demonstruje jego zdolność do szybkiego i dokładnego diagnozowania szerokiego zakresu patogenów.
Test genomowy opracowany na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Francisco, umożliwiający szybką identyfikację niemal każdego rodzaju patogenu – w tym wirusów, bakterii, grzybów i pasożytów – okazał się skuteczny po dziesięciu latach stosowania.
Test może znacznie poprawić opiekę nad infekcjami neurologicznymi powodującymi choroby takie jak zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych i zapalenie mózgu, a także przyspieszyć wykrywanie nowych zagrożeń związanych z pandemią wirusową. Wykorzystuje zaawansowaną technikę sekwencjonowania genomu, zwaną metagenomicznym sekwencjonowaniem nowej generacji (mNGS).
Zamiast szukać jednego typu patogenu na raz, mNGS analizuje wszystkie kwasy nukleinowe, RNA I DNAktóre są obecne w próbce.
„Nasza technologia jest zwodniczo prosta” – powiedział lekarz medycyny Charles Chiu, profesor medycyny laboratoryjnej i chorób zakaźnych na Uniwersytecie Kalifornijskim w Kalifornii oraz główny autor badania. „Zastępując wiele testów jednym testem, możemy uniknąć czasochłonnego zgadywania przy diagnozowaniu i leczeniu infekcji”.
Naukowcy pierwotnie opracowali kliniczny test mNGS do analizy płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF), dziewiczego płynu, który obmywa mózg i rdzeń kręgowy.
Test przeprowadzono już na tysiącach pacjentów z niewyjaśnionymi objawami neurologicznymi, zarówno na Uniwersytecie Kalifornijskim, jak i w innych szpitalach w całym kraju.
W artykule opublikowanym 12 listopada br Medycyna Naturyzespół wykazał, że test mNGS prawidłowo zidentyfikował 86% infekcji neurologicznych.
W badaniu towarzyszącym opublikowanym tego samego dnia w Komunikacja przyrodniczazespół wykorzystał także mNGS do identyfikacji patogenów w płynie oddechowym, które mogą powodować zapalenie płuc, i zautomatyzował to, aby szybciej uzyskiwać wyniki.
Oczekują, że zautomatyzowany test będzie w stanie wykryć nowe patogeny wirusowe, które mogą powodować pandemie oddechowe, takie jak COVID 19.
Przełom w diagnostyce rzadkich, zakaźnych chorób neurologicznych
Choroby neurologiczne mogą być bardzo trudne do zdiagnozowania, szczególnie gdy przyczyną jest rzadki lub nieznany wcześniej patogen. W wielu przypadkach każdy dzień bez diagnozy oznacza ciągłe pogarszanie się stanu pacjenta.
Na początku 2010 roku Chiu wraz z kolegami z UCSF, doktorem Joe DeRisim i lekarzem Michaelem Wilsonem, opracowali nowatorską metodę sekwencjonowania metagenomicznego w celu zbadania płynu mózgowo-rdzeniowego pod kątem potencjalnych patogenów powodujących infekcje neurologiczne.
Test polega na sekwencjonowaniu całego materiału genetycznego w płynie mózgowo-rdzeniowym, a następnie uruchomieniu analizy obliczeniowej w celu oddzielenia sekwencji ludzkich od tych pochodzących z bakterii, wirusów, grzybów lub pasożytów.
W 2014 roku zespół wykorzystał tę technologię, aby pomóc lekarzom w stanie Wisconsin leczyć młodego chłopca który był w stanie krytycznym i przebywał na oddziale intensywnej terapii z niezdiagnozowaną infekcją.
Długa seria badań nie wykazała, co mu dolega, ale badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles po zaledwie 48 godzinach wykazało, że chłopiec cierpi na leptospirozę, którą można leczyć penicyliną. Lekarze mu to przekazali i całkowicie wyzdrowiał.
Test mNGS szybko stał się rutyną na Uniwersytecie UCSF, a szpitale i kliniki w całym kraju wysyłały próbki do opracowania przez Laboratorium Mikrobiologii Klinicznej UCSF, którego dyrektorem jest Chiu.
W latach 2016–2023 zespół UCSF przeanalizował za pomocą testu prawie 5000 próbek płynu mózgowo-rdzeniowego, z czego 14,4% okazało się zakażonych. W tych próbkach test dokładnie zidentyfikował patogen w 86% przypadków.
„Nasz test mNGS sprawdza się lepiej niż jakakolwiek inna kategoria testów pod kątem infekcji neurologicznych” – powiedział Chiu. „Wyniki potwierdzają jego zastosowanie jako kluczowego elementu wyposażenia diagnostycznego dla lekarzy zajmujących się pacjentami z chorobami zakaźnymi”.
Aby zwiększyć dostęp do tej technologii, Chiu, DeRisi, Wilson i inni pomogli założyć firmę Delve Bio, która jest obecnie wyłącznym dostawcą testu mNGS CSF opracowanego na UCSF.
„Te odkrycia potwierdzają włączenie mNGS jako podstawowego narzędzia w badaniach klinicznych infekcji OUN” – powiedział Steve Miller, lekarz medycyny, dyrektor medyczny Delve Bio. „mNGS oferuje najbardziej bezstronne, kompletne i ostateczne narzędzie do wykrywania patogenów. Dzięki możliwości szybkiego diagnozowania infekcji mNGS pomaga w podejmowaniu decyzji dotyczących postępowania i leczenia pacjentów z zapaleniem opon mózgowo-rdzeniowych i zapaleniem mózgu, potencjalnie zmniejszając w przyszłości koszty opieki zdrowotnej”.
Przygotowania do kolejnej pandemii
Jeśli ma służyć jako system wczesnego ostrzegania przed pandemiami, test mNGS musi być szybki. Chiu i jego współpracownicy przystosowali go do pracy z płynami oddechowymi i wymyślili, jak to zautomatyzować.
Podczas gdy badanie płynu mózgowo-rdzeniowego obejmuje ponad 100 oddzielnych etapów, a jego przetworzenie może zająć od 2 do 7 dni, badanie układu oddechowego wymaga zaledwie 30 minut praktycznej pracy, zanim roboty i algorytmy będą mogły przejąć kontrolę.
„Naszym celem było zakończenie całego procesu w ciągu 12–24 godzin i uzyskanie wyniku tego samego lub następnego dnia” – powiedział Chiu.
W badaniu Nature Communications naukowcy wykazali, że test jest w stanie wykryć wirusy układu oddechowego o potencjale pandemicznym, m.in SARS-CoV-2grypę A i B oraz RSV w mniej niż jeden dzień, nawet jeśli były ich tylko niewielkie ilości wirus obecny w próbce.
Modelowali także zdolność tej technologii do wykrywania odmiennych wirusów – lub nowo wyewoluowanych szczepów – i odkryli, że hipotetycznie może ona wykryć wszystkie z nich, jeśli pojawią się w przyszłości.
Zarówno wersja testu mNGS, przeznaczona do badania CSF, jak i oddechowa, otrzymała oznaczenie przełomowego urządzenia od amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA).
Referencje: „Siedmioletnie prowadzenie klinicznego testu sekwencjonowania metagenomicznego nowej generacji w diagnostyce infekcji ośrodkowego układu nerwowego”: Patrick Benoit, Noah Brazer, Mikael de Lorenzi-Tognon, Emily Kelly, Venice Servellita, Miriam Oseguera, Jenny Nguyen, Jack Tang, Charles Omura, Jessica Streithorst, Melissa Hillberg, Danielle Ingebrigtsen, Kelsey Zorn, Michael R. Wilson, Tim Blicharz, Amy P. Wong, Brian O’Donovan, Brad Murray, Steve Miller i Charles Y. Chiu, 12 listopada 2024 r., Medycyna Natury.
DOI: 10.1038/s41591-024-03275-1
„Laboratoryjna walidacja klinicznego metagenomicznego testu sekwencjonowania nowej generacji do wykrywania i odkrywania wirusów układu oddechowego”: Jessica Karielle Tan, Venice Servellita, Doug Stryke, Emily Kelly, Jessica Streithorst, Nanami Sumimoto, Abiodun Foresythe, Hee Jae Huh, Jenny Nguyen, Miriam Oseguera, Noah Brazer, Jack Tang, Danielle Ingebrigtsen, Becky Fung, Helen Reyes, Melissa Hillberg, Alice Chen, Hugo Guevara, Shigeo Yagi, Christina Morales, Debra A. Wadford, Peter M. Mourani, Charles R. Langelier, Mikael de Lorenzi-Tognon, Patrick Benoit i Charles Y. Chiu, 12 listopada 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-51470-y
Finansowanie: Artykuł Nature Medicine został częściowo wsparty przez nagrodę BARDA EZ-BAA 75A50122C00022, granty amerykańskiej CDC 75D30122C15360 i 75D30121C12641 oraz Chan Zuckerberg Biohub San Francisco.
Artykuł Nature Communications był częściowo wspierany przez nagrodę BARDA EZ-BAA 494 75A50122C00022, granty US CDC 75D30122C15360 i 75D30121C12641, Abbott Laboratories i Chan Zuckerberg Biohub San Francisco.
Ujawnienia: Chiu jest założycielem Delve Bio i zasiada w jej naukowej radzie doradczej, a także w radach Flightpath Biosciences, Biomeme, Mammoth Biosciences, BiomeSense i Poppy Health. Jest także twórcą patentu amerykańskiego nr 509 11380421 „Wykrywanie patogenów przy użyciu sekwencjonowania nowej generacji”. Wilson jest współzałożycielem i członkiem naukowej rady doradczej oraz zarządu Delve Bio.
