La técnica de secuenciación de ADN más rápida ayuda a pacientes no diagnosticados a encontrar respuestas en solo unas horas
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Un nuevo enfoque ultrarrápido de secuenciación del genoma desarrollado por científicos de Stanford Medicine y sus colaboradores se utilizó para diagnosticar enfermedades genéticas raras en un promedio de ocho horas, una proeza casi inaudita en la atención clínica estándar.
«Unas pocas semanas es lo que la mayoría de los médicos llaman ‘rápido’ cuando se trata de secuenciar el genoma de un paciente y obtener resultados», dijo Euan Ashley, MB ChB, DPhil, profesor de medicina, genética y ciencia de datos biomédicos en Stanford. .
La secuenciación del genoma permite a los científicos ver la composición completa del ADN de un paciente, que contiene información sobre todo, desde el color de los ojos hasta enfermedades hereditarias. La secuenciación del genoma es vital para diagnosticar pacientes con enfermedades arraigadas en su ADN: una vez que los médicos conocen la mutación genética específica, pueden adaptar los tratamientos en consecuencia.
Ahora, un enfoque de megasecuenciación ideado por Ashley y sus colegas ha redefinido «rápido» para diagnósticos genéticos: su diagnóstico más rápido se realizó en poco más de siete horas. Los diagnósticos rápidos significan que los pacientes pueden pasar menos tiempo en unidades de cuidados intensivos, requerir menos pruebas, recuperarse más rápidamente y gastar menos en atención. En particular, la secuenciación más rápida no sacrifica la precisión.
Un artículo que describe el trabajo de los investigadores se publicará el 12 de enero en The New England Journal of Medicine. Ashley, decano asociado de la Escuela de Medicina de Stanford y profesor Roger y Joelle Burnell en Genómica y Salud de Precisión, es el autor principal del artículo. El erudito postdoctoral John Gorzynski, DVM, Ph.D., es el autor principal.
Dispuestos a establecer un récord
En menos de seis meses, el equipo se inscribió y secuenció los genomas de 12 pacientes, cinco de los cuales recibieron un diagnóstico genético a partir de la información de secuenciación en aproximadamente el tiempo que lleva completar un día en la oficina. (No todas las dolencias tienen una base genética, lo que probablemente sea la razón por la que algunos de los pacientes no recibieron un diagnóstico después de que se les devolvió la información de secuenciación, dijo Ashley). para diagnosticar enfermedades misteriosas.
En uno de los casos, tomó 5 horas y 2 minutos para secuenciar el genoma de un paciente, lo que estableció el primer título Guinness World Records para la técnica de secuenciación de ADN más rápida. El récord fue certificado por el grupo Genoma en una botella del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología y está documentado por Guinness World Records.
«Fue solo uno de esos momentos increíbles en los que las personas adecuadas de repente se unieron para lograr algo increíble», dijo Ashley. «Realmente sentí que nos acercábamos a una nueva frontera».
El tiempo que tomó diagnosticar ese caso fue de 7 horas y 18 minutos, que, según el conocimiento de Ashley, es aproximadamente el doble del récord anterior para un diagnóstico basado en la secuenciación del genoma (14 horas) en poder de el Instituto Infantil Rady. Catorce horas sigue siendo un tiempo de respuesta impresionantemente rápido, dijo Ashley. Los científicos de Stanford planean ofrecer un tiempo de respuesta de menos de 10 horas a los pacientes en unidades de cuidados intensivos en el Hospital de Stanford y el Lucile Packard Children’s Hospital Stanford y, con el tiempo, también a otros hospitales.
Aceleración
Para lograr velocidades de secuenciación súper rápidas, los investigadores necesitaban nuevo hardware. Así que Ashley se puso en contacto con colegas de Oxford Nanopore Technologies que habían construido una máquina compuesta por 48 unidades de secuenciación conocidas como celdas de flujo. La idea era secuenciar el genoma de una sola persona usando todas las celdas de flujo simultáneamente. El enfoque de la megamáquina fue un éxito casi demasiado. Los datos genómicos abrumaron los sistemas computacionales del laboratorio.
«No pudimos procesar los datos lo suficientemente rápido», dijo Ashley. «Tuvimos que repensar y renovar por completo nuestras canalizaciones de datos y sistemas de almacenamiento». La estudiante de posgrado Sneha Goenka encontró una manera de canalizar los datos directamente a un sistema de almacenamiento basado en la nube donde la potencia computacional podría amplificarse lo suficiente como para filtrar los datos en tiempo real. Luego, los algoritmos escanearon de forma independiente el código genético entrante en busca de errores que pudieran causar enfermedades y, en el paso final, los científicos compararon las variantes genéticas del paciente con las variantes documentadas públicamente que se sabe que causan enfermedades.
De principio a fin, el equipo buscó acelerar todos los aspectos de la secuenciación del genoma de un paciente. Los investigadores literalmente corrieron muestras a pie hasta el laboratorio, se manipularon nuevas máquinas para admitir la secuenciación simultánea del genoma y se amplió la potencia informática para procesar de manera eficiente conjuntos de datos masivos. Ahora, el equipo está optimizando su sistema para reducir aún más el tiempo. «Creo que podemos reducirlo a la mitad de nuevo», dijo Ashley. «Si somos capaces de hacer eso, estamos hablando de poder obtener una respuesta antes del final de la ronda de la sala del hospital. Eso es un salto dramático».
Secuenciación de lectura larga
Quizás la característica más importante de la capacidad del enfoque de diagnóstico para detectar rápidamente fragmentos sospechosos de ADN es el uso de algo llamado secuenciación de lectura larga. Las técnicas tradicionales de secuenciación del genoma cortan el genoma en pequeños fragmentos, explican el orden exacto de los pares de bases de ADN en cada fragmento y luego vuelven a unir todo usando un genoma humano estándar como referencia. Pero ese enfoque no siempre captura la totalidad de nuestro genoma, y la información que proporciona a veces puede omitir variaciones en los genes que apuntan a un diagnóstico. La secuenciación de lectura larga conserva grandes tramos de ADN compuestos por decenas de miles de pares de bases, lo que proporciona una precisión similar y más detalles para los científicos que examinan la secuencia en busca de errores.
«Las mutaciones que se producen en una gran parte del genoma son más fáciles de detectar usando la secuenciación de lectura larga. Hay variantes que serían casi imposibles de detectar sin algún tipo de enfoque de lectura larga», dijo Ashley. También es mucho más rápido: «Esa fue una de las principales razones por las que optamos por este enfoque».
Recientemente, las empresas y los investigadores han perfeccionado la precisión del enfoque de lectura larga lo suficiente como para confiar en él para el diagnóstico. Eso y una caída de su alto precio crearon una oportunidad para el equipo de Ashley. Hasta donde él sabe, este estudio es el primero en demostrar la viabilidad de este tipo de secuenciación de lectura larga como elemento básico de la medicina diagnóstica.
Durante el estudio, el equipo de Ashley ofreció la técnica de secuenciación acelerada del genoma a pacientes no diagnosticados. en las unidades de cuidados intensivos de los hospitales de Stanford. Proporcionaron pruebas de atención estándar establecidas a los pacientes del estudio junto con la secuenciación genética rápida experimental, con la que buscaron respuestas a dos preguntas importantes: ¿Es la genética la culpable de la dolencia del paciente? Si es así, ¿qué errores específicos de ADN están provocando problemas?
Misterio del corazón
Esas fueron las preguntas clave que rodearon el caso de Matthew Kunzman de Oregón. Hace aproximadamente un año, cuando Matthew tenía 13 años, una tos molesta y fiebre alta lo llevaron al consultorio de un médico local. “Pensamos que era gripe, o tal vez COVID”, dijo Jenny Kunzman, la madre de Matthew. Resultó que la tos era el primer signo de una afección cardíaca conocida como miocarditis, una inflamación del corazón que dificulta que el órgano bombee sangre al resto del cuerpo. Las pruebas posteriores en el hospital local de Matthew revelaron una situación desesperada: su corazón estaba fallando. Su médico recomendó que la familia volara de inmediato al Stanford Hospital para recibir atención.
Horas más tarde, Matthew y su padre, Matthew Kunzman Sr., llegaron al Stanford Hospital. Jenny Kunzman llegó un día después y descubrió que el estado de su hijo había empeorado. Matthew estaba con soporte vital.
Hay dos razones por las que un niño de 13 años en su mayoría saludable podría experimentar este tipo de insuficiencia cardíaca, dijo Ashley. Una se conoce como miocarditis y ocurre cuando las células inmunitarias invaden el corazón, a menudo provocadas por un virus o algún otro estrés corporal. La otra es una causa genética, una mutación en un gen involucrado en la función cardíaca.
Conocer la diferencia, dijo Ashley, es crucial. «La miocarditis a menudo es reversible», dijo. «Con tratamiento, el corazón puede volver a la normalidad. Pero una condición genética no lo es. Si la condición de Matthew fuera genética, probablemente la única solución sería un trasplante de corazón».
Gorzynski se acercó a los padres de Matthew y les explicó la investigación de secuenciación rápida y les preguntó si les gustaría inscribir al niño en el estudio. «Nos dijeron que estaban trabajando en una nueva investigación para tratar de acelerar el proceso de diagnóstico», dijo Jenny Kunzman. “Preguntaron si estaríamos dispuestos a participar, y dijimos, ‘Absolutamente’. Queríamos la mayor cantidad de información posible para tratar de descubrir cuál era la causa».
Con unos pocos mililitros de la sangre de Matthew, el equipo comenzó el proceso de secuenciación genética rápida. «En cuestión de horas, los datos de secuenciación mostraron que la condición estaba arraigada en la genética», dijo Ashley.
Con esa información, Matthew fue puesto inmediatamente en una lista de trasplantes de corazón. Veintiún días después, recibió un corazón nuevo; hoy, aproximadamente un año después, su madre dice que le está yendo «excepcionalmente bien».
Convulsiones sospechosas
En otro caso, un paciente de 3 meses acudió al departamento de emergencias pediátricas de Stanford. con convulsiones inexplicables. Estaba claro que el bebé sufría de una forma de epilepsia, pero se desconocía exactamente qué estaba causando los síntomas.
Los investigadores secuenciaron el genoma del paciente, analizando los datos a través de algoritmos de detección de mutaciones y comparando datos genómicos y de enfermedades públicos. Simultáneamente solicitaron pruebas de diagnóstico clínico estándar para biomarcadores sanguíneos asociados con convulsiones de origen genético. Poco más de ocho horas después, gracias a los datos de secuenciación rápida, el equipo obtuvo la respuesta: las convulsiones del joven paciente se debieron a una mutación en un gen llamado CSNK2B.
Si el equipo se hubiera basado únicamente en las pruebas estándar, no se habría realizado ningún diagnóstico en ese momento, aunque es probable que, con el tiempo, otras pruebas hubieran arrojado el diagnóstico correcto para el paciente, dijo Ashley. «Habríamos estado a oscuras durante muchas semanas», dijo.
Las pruebas estándar analizan la sangre de un paciente en busca de marcadores asociados con la enfermedad, pero solo buscan un puñado de genes bien documentados. Los laboratorios comerciales, que a menudo ejecutan estas pruebas, tardan en actualizar las moléculas que analizan, lo que significa que puede pasar mucho tiempo antes de que las mutaciones causantes de enfermedades recién descubiertas se integren en la prueba. Y eso puede conducir a diagnósticos erróneos.
Es por eso que la secuenciación rápida del genoma podría cambiar las reglas del juego para los pacientes que padecen enfermedades genéticas raras, dijo Ashley. Los científicos pueden escanear el genoma completo de un paciente en busca de todas y cada una de las variantes genéticas sugeridas por la literatura científica, incluso si ese gen solo se descubre el día anterior. Además, si un paciente no recibe inicialmente un diagnóstico genético, aún existe la esperanza de que los científicos encuentren una nueva variante genética relacionada con la enfermedad del paciente en el futuro.
El interés de otros médicos ya está comenzando a aumentar. en. «Sé que la gente de Stanford ha oído que podemos hacer un diagnóstico genético en unas pocas horas, y están entusiasmados con eso», dijo Ashley. «Las pruebas genéticas simplemente no se consideran pruebas que regresan rápidamente. Pero estamos cambiando esa percepción».
Otros autores de Stanford del estudio son la científica de datos clínicos Dianna Fisk, Ph.D.; el estudiante de posgrado Tanner Jensen; Jonathan Bernstein, MD, Ph.D., profesor de pediatría; el fisiólogo clínico del ejercicio Jeffrey Christle, Ph.D.; la ingeniera de software Karen Dalton; la consejera genética Megan Grove; Maura Ruzhnikov, MD, profesora asistente clínica de neurología y ciencias neurológicas; Elizabeth Spiteri, MD, profesora asistente clínica de patología; y la residente de pediatría Katherine Xiong, MD.
Investigadores de Google, UC Santa Cruz, Oxford Nanopore Technology y Baylor College of Medicine también contribuyeron a este estudio.
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Un nuevo enfoque para diagnosticar enfermedades genéticas mediante secuenciación de ARN aumenta el rendimiento Información de la revista: New England Journal of Medicine
Proporcionado por el Centro Médico de la Universidad de Stanford Cita: La técnica de secuenciación de ADN más rápida ayuda a pacientes no diagnosticados a encontrar respuestas en solo unas horas (12 de enero de 2022) recuperado el 29 de agosto de 2022 de https://medicalxpress.com/news/2022-01-fastest-dna-sequencing-technique-undiagnosed .html Este documento está sujeto a derechos de autor. Aparte de cualquier trato justo con fines de estudio o investigación privados, ninguna parte puede reproducirse sin el permiso por escrito. El contenido se proporciona únicamente con fines informativos.