Nature最新文章：基因測序游戲規則正在被改寫，速度翻倍，僅需數小時

超高速測序推動基因組診斷快速發展

簡化的DNA和RNA測序工作流正在幫助臨床醫生在幾天甚至幾小時內提供迅速的有針對性的護理

    約十年前，澳大利亞墨爾本的默多克兒童研究所的臨床遺傳學家Zornitza Stark等研究人員著手探討基因組測序如何改善嬰兒護理。研究中，他們發現了一個能夠解釋神經癥狀的遺傳變異，但從采樣到得到答案竟花費了六個月，使得治療時效性大打折扣。        

    如今，超高速測序技術的涌現改變了這一局面。該技術能夠在一周內提供診斷結果，甚至在一小時內對腫瘤進行分類和制定治療計劃。技術進步之快，即使對于早期采用者也可能難以跟上。圣地亞哥的雷迪兒童基因醫學研究所的快速測序先驅Stephen Kingsmore表示：“大約每18個月，我們都會經歷一次技術革命——不是演變，是革命。”^[1][2]

突破瓶頸

測序數十億個核苷酸，以足夠的“冗余”確保高精度結果需要時間，而檢查結果以識別潛在相關序列異常則需要更長時間。即使是更為有針對性的“外顯子”分析，它關注的是包含蛋白質編碼基因的基因組的1-2%，也需要幾個月的時間來提供答案。

2012年，圣地亞哥的測序公司Illumina聯系到當時他所在的機構——密蘇里州堪薩斯城的兒童慈善醫院，以測試其新的“快速運行模式”。Illumina是短讀取測序的市場領導者，該過程產生數十億個100-200核苷酸的DNA序列“讀數”，然后可以通過計算重新組裝成整個基因組或外顯子。這種模式結合了測序化學和分析的進展，使測序步驟從約10天減少到1天。Kingsmore和他的同事建立了一個圍繞新模式的診斷工作流程，允許他們在采集血樣后的50小時內確定新生兒的可能致病突變。^[3]

“我們解碼基因組的前四例中有三例發現了結果，就像炸彈爆炸了一樣，”Kingsmore說。從那以后，他一直在完善這個過程，發表了數十篇研究論文，并協調了一個名為Baby Bear的試驗，該試驗在2018年至2020年間在加利福尼亞的5家醫院中展示了實施這種診斷工作流程的可行性，涉及近200名嬰兒。他估計，每年有數千名美國兒童接受這項服務。

Ultra-rapid sequencing of human genomes can identify rare diseases and speed up treatment. Credit: Jean-Philippe Ksiazek/AFP/Getty

測序儀器也變得更快了。許多實驗室使用Illumina的最先進的NovaSeq X Plus，它每天可以產生數萬億個核苷酸的測序數據。但這可能會很昂貴——這種高通量系統的經濟優勢在一次處理多個樣本時才會顯現。但大多數快速測序樣本代表緊急的個體病例，因此進行測序的成本與在更高效的工作流程中處理數十個基因組的成本一樣高。

另一個有助于的因素是不斷發展的計算工具。初步的基因組處理和分析現在可以使用基于云的資源進行，這樣可以避免研究人員使用昂貴的高性能計算機。而軟件包也已經發展到可以自動化關鍵的分析步驟。Kingsmore和Abou Tayoun都在使用Illumina的DRAGEN工具包，以快速收斂到相關的序列和結構變異，例如。還有一些有用的資源，如GeneMatcher，這是一個在線服務，幫助世界各地的遺傳學家和臨床醫生交換有關與疾病相關的突變的見解。在使用GeneMatcher幫助診斷一名年輕患者的幾分鐘內，Baple的團隊就與其他患有一種叫做擴張型心肌病的心臟病的兒童的相似突變的報告聯系上了。“擴張型心肌病的記錄意味著孩子在足夠大的時候有可能進入移植名單，”她說。

然后是人工智能（AI）的承諾。Abou Tayoun估計，遺傳學家和其他專業人員在首次診斷交付之前大約需要一個小時來手動審查每個基因組。但是AI的能力正在成熟，Kingsmore預測這種技術將很快產生重大影響。AI系統“確實會錯過一些事情，他們確實會犯錯誤，但你現在可以在10分鐘內對基因組進行解釋，”他說。與此同時，“我們仍然需要大量的人力參與”。

展望長遠

Illumina仍然是全球幾乎所有臨床測序項目的支柱，但它面臨著許多競爭對手。盡管這些平臺仍然太新，沒有實質性的臨床記錄，但它們可能使無法負擔NovaSeq X Plus的單一樣本分析的用戶能夠使用高于100萬美元的價格標簽。

Kingsmore對來自圣地亞哥的Element Biosciences的AVITI儀器特別感興趣。該儀器設計用于中等吞吐量，并且具有公司聲稱與或優于Illumina的基礎準確性的每堿基準確度。“你購買三臺儀器——而且這些儀器相對便宜，每臺約25萬美元——你就能得到200美元的基因組，”他說。相比之下，僅僅十年前對整個基因組進行測序的成本大約是10000美元。“這將是非常具有變革性的。”

但也許最令人興奮的是“長讀取”技術，特別是由英國公司Oxford Nanopore Technologies（ONT）開發的技術。長讀取對于記錄基因復制、缺失和其他短讀取方法難以捕捉的結構變化非常有價值。重要的是，當需要超快速的響應時，這項技術還可以用于檢測其他“組學”指標，比如癌癥（見“幾分鐘的事情”）。

幾分鐘的事情

超快速測序也可以指導高效的癌癥管理。

盡管主要是用于DNA測序的工具，由英國公司Oxford Nanopore Technologies（ONT）開發的平臺可以提取其他類型的分子信息，包括基因表達模式和染色體DNA的表觀遺傳修飾。這些數據可以幫助臨床醫生加速癌癥診斷，使關鍵的治療決策在幾小時內執行而不是花費數周。

de Ridder領導的團隊開發了一個名為Sturgeon的深度學習算法，研究人員使用了從患者DNA甲基化譜中導出的數百萬個模擬數據集進行訓練。去年，該團隊報告說，Sturgeon在僅40分鐘的時間內在ONT MinION設備上測序了50個腫瘤樣本中的45個，這足夠讓臨床醫生在活檢過程中患者仍處于麻醉狀態時做出治療決策，并在有需要時直接進行侵襲性手術。該團隊還在真實的術中環境中測試了這種方法。de Ridder表示，類似的方法可能對其他異質性腫瘤類型，包括軟組織肉瘤，也很有用。

科學家們還在開發基于測序的“液體活檢”方法，其中通過檢測血液和尿液等體液，可以快速檢測、監測和評估癌癥的治療反應。悉尼澳大利亞新南威爾士大學的計算生物學家Martin Smith領導的團隊表明，使用MinION進行血樣的RNA測序可以將白血病樣本的分類時間從幾天縮短到幾分鐘。“Smith表示類似的方法也可以應用于其他時間關鍵的疾病，包括敗血癥、感染和自身免疫疾病的爆發。^[4]

Infants with unknown conditions can benefit from fast diagnoses enabled by rapid sequencing.Credit: Elisabeth Schneider/Look at Sciences/Science Photo Library

    展望未來，長讀取技術和新型測序平臺可能會進一步改變基因組診斷的面貌。然而，除了技術本身，還需要解決一系列人為和后勤問題，如醫生的熟悉度、資源分配和公平獲得。確保在資源有限地區應用超高速測序技術的挑戰將是未來需要解決的難題。總體而言，超高速測序技術的發展為基因組診斷領域帶來了革命性的變化，為患者提供了更迅速、個性化的診斷和治療方案。

References

1. Gorzynski, J. E. et al. N. Engl. J. Med. 386, 700–702 (2022).

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2. Vermeulen, C. et al. Nature 622, 842–849 (2023).

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3. Saunders, C. J. et al. Sci. Transl. Med. 4, 154ra135 (2012).

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4. Goenka, S. D. et al. Nature Biotechnol. 40, 1035–1041 (2022).

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5. Sagniez, M. et al. Preprint at medRxiv https://doi.org/10.1101/2022.06.22.22276550 (2022).