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8小时内诊断出罕见遗传疾病!斯坦福学者重新定义人类基因组测序速度,创下吉尼斯世界记录

生辉SciPhi | 专注于生命科学产业 2022/01/15 19:32

基因组测序对于诊断患有 DNA 相关疾病的患者至关重要:一旦医生知道特定的基因突变,他们就可以相应地调整治疗方案。

“对患者的全基因组进行测序、分析并收到结果,用时 已经算得上大多数临床医生所认为的‘ 快速 ’了。” 斯坦福大学医学、遗传学和生物医学数据科学教授 Euan Ashley 博士说。

而现在,Ashley 所带领的团队把对人类基因组进行测序的时间缩短到了 5 小时 2 分钟 据悉,这个时长创造了 最快人类基因组测序 的吉尼斯世界记录。完成测序后,继续对基因组测序结果进行分析并诊断出结果,总共所需的时间是  7 小时 18 分钟 。Ashley 和他的团队重新定义了 “ 快速 ”,这在标准临床诊断中几乎是闻所未闻的。

新知达人, 8小时内诊断出罕见遗传疾病!斯坦福学者重新定义人类基因组测序速度,创下吉尼斯世界记录

图 | Euan Ashley(来源:stanford medicine)

Ashley 团队的研究成果于近日刊登在 The New England Journal of Medicine 上,题为: Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a Critical Care Setting 在这项研究中,研究人员在不到六个月的时间里,招募并测序了 12 名患者的基因组,其中 5 人从测序结果中获得了疾病诊断。这或将为临床治疗提供一种新思路。

参与该研究的还有 NVIDIA、牛津纳米孔技术公司、谷歌、贝勒医学院和加州大学圣克鲁斯分校的研究人员。

在这项研究中,疾病诊断率约为 42%(5/12) ,比平均水平高出约 12%。因此,这次的 “提速”  并没有降低准确性

随着成本的不断下降,基因组测序技术给临床医生诊断遗传疾病提供了更有力的手段。但 基因测序大数据的分析往往需要耗费很长时间,这是阻碍基因组学发展的最大障碍。 同时对于患者来说,时间就是生命。

早在 2016 年 4 月 25 日,瑞迪儿童医院(Rady Children's Hospital)旗下基因组药物研究所总裁兼首席执行官 Stephen Kingsmore 博士采用基因组测序技术在 26 小时内成功为患有严重出生缺陷的婴儿从基因层面诊断出了疾病。 这创下当时世界上最快的基因诊断纪录。

此后 Kingsmore 团队不断刷新记录, 2019 年创下 19.5 小时的记录,去年他们又以 14.5 小时的成绩再次荣登榜首。

Ashley 的研究成果让诊断时间变得更短。他使用了牛津纳米孔技术公司开发的 PromethION 48 测序系统,这套系统里一共有 48 个均可以独立完成基因测序工作的测序流动池(flow cell)。 研究人员让 48 个流动池同时工作, 极大地加快了速度。

提速后测序产生了海量的数据,超出了实验室的计算能力,研究人员必须将这些数据上传到云端以加快数据处理速度,他们使用了 Google Cloud 上的 NVIDIA GPU 加速了碱基调用和变异调用,NVIDIA Clara Parabricks 计算基因组应用框架也加快了识别基因组中数百万个变异的过程 。

当获得基因变异结果后,研究人员拿公开发表的论文进行对比和确认,最终诊断出疾病。

其中,能保证测序速度加快而准确性不降反升的利器是, 长读长测序

传统的基因组测序技术先将基因切成小片段进行测序,然后使用标准人类基因组作为参考,将整个测序结果重新拼成一个基因组。但这种方法并不总能捕获我们的整个基因组,而且它提供的信息有时会忽略指向诊断的基因变异。

新知达人, 8小时内诊断出罕见遗传疾病!斯坦福学者重新定义人类基因组测序速度,创下吉尼斯世界记录

(来源:the Pathologist)

长读长测序可以对由数万个碱基对组成的长片段 DNA 进行测序, 为科学家在序列中寻找错误提供了更多细节。“通过长序列测序,更容易在大片段的基因组上找到突变,” Ashley 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。这是我们采用这种方法的重要原因之一。” 论文中指出,在本次研究中 序列比对一致性(alignment identity)达到 94%。

在研究期间,Ashley 的团队为斯坦福医院重症监护病房未确诊的患者提供了这项基因组测序技术。他们为研究患者提供了临床现有的测试标准以及实验室的快速基因测序,并借此寻求两个重要问题的答案: 患者的疾病是否应该归咎于基因变异?如果是,哪些特定的基因变异引发了这个疾病?

这次研究中,有一名只有 3 个月大的婴儿出现原因不明的癫痫,医生一方面使用标准的临床基因诊断,另一方面则使用试验中的全基因组快速测序技术。仅用 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,会导致早发的癫痫。 而标准的临床诊断并不能给出这样的诊断结果。

该论文一经发表引发圈内人士的众多关注,也许在不久的将来,基因快速测序诊断会成为疾病诊断中的重要方式。


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