Νέο ρεκόρ ταχύτητας στην ανάγνωση ολόκληρων γονιδιωμάτων και τη διάγνωση ασθενειών

Μια ομάδα ερευνητών της Ιατρικής σχολής του πανεπιστημίου του Στάνφορντ, χρειάστηκε μόλις 7 ώρες και 18 λεπτά από την στιγμή της αιμοληψίας έως τη διάγνωση μιας ασθένειας. Αυτός ο άνευ προηγουμένου ταχύτατος χρόνος εξαγωγής αποτελέσματος είναι απόρροια της εξαιρετικά γρήγορης τεχνολογίας προσδιορισμού της αλληλουχίας DNA (Rapid DNA Sequencing) σε συνδυασμό με την υπολογιστική και τη μαζική αποθήκευση των αποτελεσμάτων σε «νέφος δεδομένων» (data cloud).

Αυτή η βελτιωμένη μέθοδος διάγνωσης ασθενειών επιτρέπει στους ερευνητές να ανακαλύπτουν γρήγορα την πηγή κάποιων γενετικών ασθενειών ρίχνοντας φως εκ νέου στα 6 δισεκατομμύρια «γράμματα» του ανθρώπινου γονιδιώματος.

Περισσότερες από 7.000 σπάνιες ασθένειες επηρεάζουν 300 εκατομμύρια ανθρώπους παγκοσμίως, από του οποίους το 50% είναι παιδιά. Από αυτές τις σπάνιες παθήσεις, το 80% έχει γενετική συνιστώσα, ενώ για το 95% δεν υπάρχουν ακόμη εγκεκριμένες θεραπείες. Καθοριστικός παράγοντας στην μελέτη των ασθενειών αυτών είναι ο περιορισμένος αριθμός ατόμων που επηρεάζονται από μια δεδομένη σπάνια νόσο, καθιστώντας εξαιρετικά δύσκολη τη μελέτη των συμπτωμάτων τους και το σχεδιασμό κλινικών δοκιμών. Συνήθως η έγκαιρη αναγνώριση των συμπτωμάτων και ο εντοπισμός της βασικής αιτίας αυτών των ασθενειών, για πολλές οικογένειες παγκοσμίως, εξελίσσεται σε έναν επίπονο αγώνα εναντίον του χρόνου.

Η συντόμευση της διαδικασίας προσδιορισμού αλληλουχίας και ανάλυσης DNA μόνο σε λίγες ώρες και η επέκταση της διαδικασίας αλληλούχισης από λίγα μόνο γονίδια, σε ολόκληρο το γονιδίωμα, θα μπορούσε να αλλάξει θεμελιωδώς τη διαδικασία διάγνωσης κάποιων ασθενειών.

Νέο ρεκόρ ταχύτητας

Στην επιδίωξη ενός παγκόσμιου ρεκόρ στην αλληλούχιση γονιδιώματος, οι ερευνητές του Στάνφορντ χρησιμοποίησαν μια πλατφόρμα προσδιορισμού αλληλουχίας DNA της εταιρείας Oxford Nanopore Technologies.

Η εταιρεία αυτή έχει εδώ και καιρό αναπτύξει μια συσκευή η οποία, όπως εξηγεί ο καθηγητής του Τμήματος Βιολογίας των Πανεπιστημίων Κρήτης και Exeter του Ην. Βασιλείου και ερευνητής του Ινστιτούτου Μοριακής Βιολογίας και Βιοτεχνολογίας (ΙΜΒΒ) του ΙΤΕ, Δρ. Παναγιώτης Σαρρής, χρησιμοποιεί πολύπλοκες διαδικασίες που μιμούνται τους πόρους των βιολογικών κυτταρικών μεμβρανών. «Αλυσίδες DNA περνούν και αλληλουχούνται μέσω αυτών των νανοπόρων. Καθώς ένας κλώνος DNA περνά μέσα από τον νανοπόρο της συσκευής, ειδικοί αισθητήρες διαβάζουν ανεπαίσθητες αλλαγές ιοντικού ρεύματος, οι οποίες είναι μοναδικές για κάθε γράμμα του DNA. Με τον τρόπο αυτό ανιχνεύεται ολόκληρη η αλληλουχία του υπό μελέτη μορίου DNA. Χιλιάδες από αυτούς τους νανοπόρους κατανέμονται σε μια δομή που ονομάζεται flow cell (κυψέλη ροής), με αποτέλεσμα να μπορούν να διαβαστούν ταυτόχρονα πολλές διαφορετικές αλυσίδες DNA αυξάνοντας έτσι την αποτελεσματικότητα της τεχνολογίας της Oxford Nanopore».

Οι ερευνητές ανέλυσαν την αλληλουχία του γονιδιώματος ενός ασθενούς σε 48 flow cells ταυτόχρονα, επιτρέποντάς τους να διαβάσουν ολόκληρο το γονιδίωμα στον χρόνο ρεκόρ των 5 ωρών και 2 λεπτών!

«Αυτός ο εξαιρετικά γρήγορος προσδιορισμός της αλληλουχίας DNA δημιούργησε ΤΒ (terabytes) δεδομένων τα οποία μεταφέρθηκαν σε ένα σύστημα αποθήκευσης  που βασίζεται σε μορφή «νέφους δεδομένων», όπου ειδικοί αλγόριθμοι σάρωσαν την αλληλουχία DNA του γονιδιώματος, αναζητώντας μικροσκοπικές παραλλαγές/μεταλλαγές εντός της αλληλουχίας που θα μπορούσαν να συσχετιστούν ή/και να εξηγήσουν την προέλευση μιας γενετικής ασθένειας», εξηγεί ο Καθηγητής Σαρρής, ο οποίος προσθέτει πως η εν λόγω τεχνολογία φαίνεται να είναι πολύ αποτελεσματική στην περίπτωση ανίχνευσης γνωστών πολυμορφισμών αλληλουχίας (single nucleotides variants) που σχετίζονται με κάποιες σπάνιες νόσους, δηλαδή, να είναι αρκετά καλή για την κλινική διάγνωση. Ωστόσο, ο ίδιος κρατά μια επιφύλαξη για την αποτελεσματικότητά της στην έρευνα για την  ανακάλυψη νέων single nucleotides variants και τον συσχετισμό τους με ασθένειες.

Επαναπροσδιορίζοντας τον τρόπο διάγνωσης

Ο εξαιρετικά γρήγορος προσδιορισμός της αλληλουχίας DNA έχει ήδη κάνει τη διαφορά στη ζωή δύο παιδιών, σε έναν 13χρονο από το Όρεγκον, ο οποίος μεταφέρθηκε εσπευσμένα στο νοσοκομείο του Στάνφορντ και τέθηκε σε μηχανική υποστήριξη, εξαιτίας δυσλειτουργίας της καρδιάς του, και σε ένα βρέφος 3 μηνών που εισήχθη στο παιδιατρικό νοσοκομείο με επιληπτικές κρίσεις. Στην πρώτη περίπτωση όπου οι γιατροί που δεν μπορούσαν να αποφασίσουν αν επρόκειτο για μυοκαρδίτιδα ή για γενετική πάθηση, η  εξαιρετικά γρήγορη αλληλούχιση του γονιδιώματος του 13χρονου αποκάλυψε ότι έπασχε από γενετική καρδιακή νόσο και προστέθηκε αμέσως σε λίστα μεταμοσχεύσεων για να λάβει τελικά μόσχευμα τρεις εβδομάδες αργότερα. Στη δεύτερη περίπτωση  οι γιατροί  με την ταχεία αλληλούχιση εντόπισαν γρήγορα μια μεταλλαγή σε ένα γονίδιο που εξηγούσε τις επιληπτικές κρίσεις. Μόνο με τυπικές εξετάσεις οι γιατροί δεν θα είχαν πετύχει ακριβή διάγνωση και θα είχαν χάσει πολύτιμο χρόνο φυσικά.

Κάθε νέα τεχνολογία στην υγεία έχει υψηλό κόστος όταν διατίθεται για πρώτη φορά, ενώ πολλά πολιτικά και ρυθμιστικά εμπόδια μπορεί να περιορίζουν την πρόσβαση του παγκόσμιου πληθυσμού σε αυτή. Όμως ο εταιρικός ανταγωνισμός, τα φθηνότερα υλικά και οι τεχνολογίες νέας γενιάς, μπορούν να συμβάλουν σημαντικά στη μείωση του κόστους. Ενώ η τεχνολογία της Oxford Nanopore είναι φθηνότερη από πολλές εναλλακτικές τεχνολογίες αλληλούχισης, το κόστος του εξοπλισμού και των υλικών εξακολουθεί να είναι απαγορευτικά ακριβό για εργαστήρια σε πολλές χώρες. Σε αυτό προστίθεται και το γεγονός ότι περίπου το 80% των χωρών χαμηλού και μεσαίου εισοδήματος δεν διαθέτουν σύγχρονη υποδομή δεδομένων, με αποτέλεσμα να στερούνται της δυνατότητας χρήσης υπολογιστικού «νέφους δεδομένων» σε πολλά σημεία.

Καθώς ο εξαιρετικά γρήγορος προσδιορισμός της αλληλουχίας του γονιδιώματος εξελίσσεται σε βασική διαδικασία του συστήματος υγειονομικής περίθαλψης σε χώρες υψηλού εισοδήματος, είναι σημαντικό να εξεταστεί ο τρόπος πρόσβασης της ευρύτερης κοινότητας ασθενών με σπάνιες παθήσεις στα εργαλεία της τεχνολογίας αυτής.

Η υποστήριξη και οι επενδύσεις σε περιφερειακές προσπάθειες γονιδιωματικής έρευνας αποτελούν μια λύση. Για παράδειγμα, η πρωτοβουλία Human Heredity & Health in Africa (3Hafrica) επενδύει στην θεμελιώδη έρευνα για ασθένειες στην αφρικανική ήπειρο, ενώ παράλληλα αναπτύσσει υποδομές, πόρους και εκπαίδευση για την υποστήριξη ενός βιώσιμου αφρικανικού ερευνητικού φορέα, για τον αφρικανικό λαό, με επικεφαλής Αφρικανούς επιστήμονες. Η ενίσχυση επιστημονικών ομάδων μέσω της παροχής υποδομών, όπως του εξοπλισμού και του λογισμικού που απαιτείται για τον εξαιρετικά γρήγορο προσδιορισμό της αλληλουχίας του DNA, θα μπορούσε να διασφαλίσει ότι οι σπάνιες ασθένειες που είναι πιο συχνές στους αφρικανικούς πληθυσμούς, δεν θα περάσουν αδιερεύνητες.

Πηγή:The Conversation