یک مطالعه تحقیقاتی سریع ترین تکنیک توالی یابی DNA را به عنوان اولین رکورد جهانی گینس به ثبت رساند. محققان توانستند تعیین توالی ژنوم انسان را تنها در 5 ساعت و 2 دقیقه انجام دهند. این تکنیک می تواند باعث تشخیص زود هنگام بسیاری از بیماری ها شود.
خب حالا داستان چیه؟
تیم تحقیقاتی این مطالعه، شامل دانشمندان Stanford Medicine و همکارانشان است. با این رویکرد جدید توالی یابی ژنوم، تشخیص بیماری های ژنتیکی نادر به طور متوسط در هشت ساعت صورت می گیرد. شاهکاری که تقریباً در مراقبت های بالینی استاندارد بی سابقه است.Euan Ashley، پروفسور پزشکی، ژنتیک و علم داده های زیست پزشکی در استنفورد است. او گفت: از نظر اکثر پزشکان تعیین توالی ژنوم یک بیمار و دریافت نتیجه در چند هفته از نظر بازه زمانی، سریع است.
توالی ژنوم به دانشمندان اجازه می دهد تا ساختار کامل DNA بیمار را ببینند. این ساختار حاوی اطلاعاتی در مورد همه چیز از رنگ چشم تا بیماری های ارثی می باشد. تعیین توالی ژنوم برای تشخیص بیماران مبتلا به بیماری های ژنتیکی حیاتی است. درواقع هنگامی که پزشکان جهش ژنتیکی خاص را بدانند، می‌توانند بر اساس آن درمان ها را تنظیم کنند.
اکنون اشلی و همکارانش یک رویکرد توالی یابی مگا را ابداع کردند. این رویکرد جدید ” تشخیص سریع” را برای توالی یابی ژنوم اینگونه تعریف میکند: سریع ترین تشخیص در کمتر از هفت ساعت انجام شد. تشخیص سریع به این معناست که بیماران ممکن است زمان کمتری را در بخش های مراقبت های ویژه بگذرانند. همچنین به آزمایش های کمتری نیاز داشته باشند. درنهایت سریع تر بهبود یابند و هزینه های کمتری را صرف مراقبت های درمانی کنند. قابل ذکر است، تعیین توالی در مدت زمان کمتر، دقت را قربانی نمی کند.
مقاله ای که کار محققان را توصیف می کند، 12 ژانویه در مجله پزشکی نیوانگلند منتشر خواهد شد. اشلی، دانشیار دانشکده پزشکی استنفورد و پروفسور راجر و جوئل برنل در ژنومیک و سلامت دقیق، نویسنده ارشد این مقاله هستند. همچنین جان گورزینسکی، دکترای تخصصی دامپزشکی، نویسنده اصلی است.
نحوه انجام تحقیقات
این تیم اطلاعات ژنوم 12 بیمار را در مدت زمان کمتر از شش ماه ثبت و توالی یابی کردند. تشخیص ژنتیکی پنج نفر از آنها از طریق اطلاعات توالی یابی در مدت زمان یک روز انجام شد. اشلی گفت: همه بیماری ها مبتنی بر ژنتیک نیست، این احتمالاً دلیلی برای عدم تشخیص برخی از بیماری ها پس از دریافت جواب است. میزان تشخیص این تیم، تقریباً 42 درصد، حدود 12 درصد بیشتر از میانگین نرخ تشخیص بیماری های خطرناک است.
در یکی از موارد 5 ساعت و 2 دقیقه طول کشید تا ژنوم یک بیمار توالی یابی شود. این مورد اولین عنوان رکورد های جهانی گینس را برای سریعترین روش توالی یابی DNA ثبت کرد. موسسه ملی علم و فناوری ژنوم در گروه باتل این رکورد را تایید کرد و توسط گینس ثبت شد.
مدت زمانی که برای تشخیص این مورد طول کشید 7 ساعت و 18 دقیقه بود. طبق اطلاعات اشلی، تقریباً دو برابر سریع تر از رکورد قبلی تشخیص مبتنی بر توالی ژنوم (14 ساعت) است که توسط مؤسسه کودکان رادی نگهداری می‌شد. اشلی گفت: چهارده ساعت هنوز یک پروسه سریع و چشمگیر است.
همچنین دانشمندان دانشگاه استنفورد قصد اجرای برنامه ای طولانی مدت را دارند. آنها می خواهند به بیماران بستری در بخش های مراقبت‌های ویژه در بیمارستان استنفورد و بیمارستان کودکان لوسیل پاکارد استنفورد با پروسه کاری زیر 10 ساعت را ارائه دهند. البته در آینده، آنها این خدمات را در بیمارستان های دیگر اجرا می کنند.
افزایش سرعت
برای دستیابی به سرعت های توالی فوق سریع، محققان به سخت افزار جدید نیاز داشتند. بنابراین اشلی با همکارانش در Oxford Nanopore Technologies تماس گرفت. این شرکت ماشینی متشکل از 48 واحد توالی یابی به نام سلول های فلو ساخت. آنها می خواستند ژنوم یک فرد را با استفاده از تمام سلول های فلو به طور همزمان توالی یابی کنند. رویکرد ماشین مگا تقریبا بیش از حد موفقیت آمیز بود. داده های ژنومی، سیستم های محاسباتی آزمایشگاه را تحت الشعاع قرار دادند.
اشلی گفت: ما قادر به پردازش سریع داده ها نبودیم. باید گذرگاه انتقال داده و سیستم های ذخیره سازی خود را کاملاً بازنگری و اصلاح می کردیم. Sneha Goenka دانشجوی فارغ التحصیل، راهی برای انتقال مستقیم داده ها به یک سیستم ذخیره سازی ابری یافت. در این سیستم قدرت محاسباتی می تواند به اندازه کافی تقویت شود تا داده ها را در زمان واقعی غربال کند. سپس الگوریتم ها به طور مستقل کد ژنتیکی دریافتی را برای خطاهایی که ممکن است باعث بیماری شوند، اسکن کردند. در مرحله آخر، دانشمندان انواع ژن های بیمار را با انواع مستند شده عمومی که عامل بیماری هستند، مقایسه کردند.
از ابتدا تا انتها، تیم به دنبال تسریع در تمام جنبه های توالی یابی ژنوم یک بیمار بود. محققان به معنای واقعی کلمه، نمونه ها را با پای پیاده به آزمایشگاه بردند. ماشین های جدید برای پشتیبانی از توالی یابی ژنوم همزمان ایجاد شدند. همچنین قدرت محاسباتی برای تقسیم کارآمد مجموعه های داده بزرگ افزایش یافت. اکنون، تیم در حال بهینه سازی سیستم خود است تا زمان را تا حد امکان کاهش دهد. اشلی گفت: “من فکر می کنم، می توانیم دوباره آن را به نصف برسانیم.” امیدوارم بتوانیم قبل از پایان پاسخ از بخش های بیمارستان انجام دهیم. این یک جهش چشمگیر است.”
توالی خوانده شده طولانی (Long-read sequencing)
شاید مهمترین ویژگی توانایی رویکرد تشخیصی در تشخیص سریع قطعات مشکوک DNA، استفاده از توالی خوانی طولانی است. تکنیک های سنتی توالی‌یابی ژنوم، ژنوم را به قطعات کوچک تقسیم می‌کنند. درنهایت ترتیب دقیق جفت‌های باز DNA را در هر تکه مشخص می‌کنند. سپس کل قطعات را با استفاده از یک ژنوم استاندارد انسانی به عنوان مرجع به هم می‌چسبانند. اما این رویکرد همیشه کل ژنوم ما را در بر نمی‌گیرد. درواقع اطلاعاتی که ارائه میکند گاهی اوقات می‌تواند باعث حذف ژن های تغییریافته ای شود که به تشخیص کمک می‌کنند. توالی خوانی طولانی، بخش های طولانی از DNA متشکل از ده ها هزار جفت باز را حفظ می کند. همچنین بادقت جزئیات بیشتری را برای دانشمندانی که دنباله ها را برای یافتن خطا بررسی می کنند، ارائه می دهد.
جهش هایی که در بخش بزرگی از ژنوم رخ می‌دهند، با استفاده از توالی‌یابی طولانی قابل تشخیص هستند. اشلی گفت: انواعی وجود دارد که تشخیص آنها بدون نوعی رویکرد طولانی خوانی تقریبا غیرممکن است. همچنین بسیار سریعتر است. او ادامه داد: “این یکی از دلایل بزرگی بود که ما از این رویکرد استفاده کردیم. اخیراً شرکت ها و محققان دقت رویکرد طولانی خوانی را به اندازه کافی تقویت کرده اند تا برای تشخیص بر روی آن تکیه کنند. این مورد و کاهش قیمت آن که زمانی گرون بود، فرصتی را برای تیم اشلی ایجاد کرد. این مطالعه، اولین مطالعه ای است که امکان سنجی این نوع توالی خوانی طولانی را به عنوان یکی از پایه های پزشکی تشخیصی نشان می دهد.
آیا ژنتیک یکی از عوامل موثر در ایجاد بیماری است؟
در طول این مطالعه، تیم اشلی تکنیک تعیین توالی ژنومی را در بیمارانی که بیماریشان مشخص نبود، در بخش مراقبت های ویژه بیمارستان استنفورد انجام داد. آنها به همراه توالی یابی سریع ژن آزمایشی، استاندارد های آزمایش مراقبتی را برای بیماران مورد مطالعه ارائه کردند. آنها به دنبال پاسخ دو سوال مهم بودند: آیا ژنتیک در بیماری نقش دارد؟ اگر چنین است، کدام خطا های DNA باعث ایجاد مشکل می شود؟
آزمایش های استاندارد، خون بیمار را از نظر نشانگر های مرتبط با بیماری غربال می‌کنند اما فقط تعداد معدودی از ژن‌های مستند را اسکن می‌کنند. آزمایشگاه های تجاری که اغلب این آزمایش ها را انجام می‌دهند، در به‌روزرسانی مولکول هایی که غربالگری می‌کنند کند هستند. یعنی زمان زیادی طول می‌کشد تا جهش های بیماری زای تازه کشف‌شده در آزمایش ادغام شوند. درنتیجه این می تواند منجر به تشخیص نادرست شود.
نتیجه تحقیقات
اشلی گفت: توالی‌یابی سریع ژنوم می‌تواند برای بیمارانی که از بیماری های ژنتیکی نادر رنج می برند، یک رویداد تعیین کننده و تحول افرین باشد. دانشمندان می توانند کل ژنوم بیمار را برای سرچ هر گونه واریته ژنی که توسط متون علمی پیشنهاد می شود، اسکن کنند. حتی اگر آن ژن فقط یک روز قبل کشف شده باشد. اگر بیمار در ابتدا تشخیص ژنتیکی دریافت نکند، هنوز امید وجود دارد که دانشمندان یک نوع ژن جدید مرتبط با بیماری بیمار را پیدا کنند.
علاقه سایر پزشکان در حال حاضر در حال افزایش است. اشلی گفت: «من می دانم که افراد در استنفورد شنیده‌اند که ما می‌توانیم در عرض چند ساعت تشخیص ژنتیکی بدهیم. آنها در مورد آن هیجان‌زده هستند.» آزمایش‌های ژنتیکی به عنوان آزمایش‌هایی که به سرعت انجام می‌شوند، به حساب نمی آیند، اما ما می توانیم این تصور را تغییر می دهیم.
سایر نویسندگان استنفورد این مطالعه عبارتند از دیانا فیسک، دانشمند داده های بالینی. دانشجوی فارغ التحصیل Tanner Jensen؛ جاناتان برنشتاین، پزشک و استاد اطفال. فیزیولوژیست ورزش بالینی جفری کریستل، دکترا. مهندس نرم افزار کارن دالتون؛ مشاور ژنتیک مگان گرو، Maura Ruzhnikov، پزشک، استادیار بالینی نورولوژی و علوم عصبی؛ الیزابت اسپیتری، پزشک، استادیار بالینی پاتولوژی؛ و رزیدنت اطفال کاترین شیونگ، محققانی از Google، UC Santa Cruz، Oxford Nanopore Technology و کالج پزشکی Baylor نیز در این مطالعه مشارکت داشتند.
این مطالعه توسط Oxford Nanopore Technologies، Google و NVIDIA پشتیبانی شد.
منبع
- John E. Gorzynski, Sneha D. Goenka, Kishwar Shafin, Tanner D. Jensen, Dianna G. Fisk, Megan E. Grove, Elizabeth Spiteri, Trevor Pesout, Jean Monlong, Gunjan Baid, Jonathan A. Bernstein, Scott Ceresnak, Pi-Chuan Chang, Jeffrey W. Christle, Henry Chubb, Karen P. Dalton, Kyla Dunn, Daniel R. Garalde, Joseph Guillory, Joshua W. Knowles, Alexey Kolesnikov, Michael Ma, Tia Moscarello, Maria Nattestad, Marco Perez, Maura R.Z. Ruzhnikov, Mehrzad Samadi, Ankit Setia, Chris Wright, Courtney J. Wusthoff, Katherine Xiong, Tong Zhu, Miten Jain, Fritz J. Sedlazeck, Andrew Carroll, Benedict Paten, Euan A. Ashley. Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a Critical Care Setting. New England Journal of Medicine, 2022; DOI: 10.1056/NEJMc2112090
مترجم: فائزه الیاسی | تولید محتوا و ویراست: مطهره تقیپور
بیشتر بخوانید: کووید بر علیه کووید
