متاژنومیکس توضیح داده شده: چگونه توالی‌یابی ژن عفونت های پنهان را تشخیص می‌دهد

آنچه توالی‌یابی متاژنومی در واقع انجام می‌دهد

آزمایش‌های عفونت استاندارد یک سؤال را یکی یکی می‌پرسند: آیا این ویروس آنفلوانزا است، آیا این اشریشیا کلی است، آیا این کشت یک باکتری شناخته‌شده را رشد می‌دهد. توالی‌یابی نسل بعدی متاژنومی، یا mNGS، به روش معکوسی کار می‌کند. هر قطعه‌ای از DNA و RNA موجود در نمونه خون، سیال مغز و نخاع یا بافت را استخراج می‌کند و همه آن‌ها را توالی‌یابی می‌کند، سپس نتیجه را با پایگاه‌های داده مرجع مقایسه می‌کند تا هر موجود زنده را شناسایی کند، طبق نقل از مروری بر این تکنیک که بر روی پلتفرم PubMed Central منتشر شده است.

از آنجایی که این آزمایش نیازمند فرضیه‌ای قبلی در مورد عامل بیماری‌زا نیست، می‌تواند باکتری، ویروس، قارچ و انگل را در یک اجرا مشخص کند، از جمله عوامل بیماری‌زایی که پزشک بالینی فکر نکرده بود، همانطور که در مرور موجود است.

از کشف کوویید-۱۹ تا لغو پیوند

واضح‌ترین نمایش عمومی این تکنیک در اواخر سال ۲۰۱۹ رخ داد، زمانی که ویروس‌شناسان چینی که به بررسی مواردی از ذات‌الریه نامشخص در ووهان می‌پرداختند، نتوانستند با آزمایش‌های سنتی علت را شناسایی کنند. تغییر به توالی‌یابی متاژنومی نشان داد که مادهٔ ژنتیکی با خانوادهٔ کروناویروس منطبق است، یک کشف که توسط BBC Future گزارش شد و کار تشخیصی و واکسن برای آنچه به نام کوویید-۱۹ شناخته می‌شود را تسریع کرد.

موارد بیماران فردی که توسط BBC Future نقل شده است، اهمیت را نشان می‌دهد. در دانشگاه کالیفرنیا، سان فرانسیسکو، زنی که دچار التهاب مغز و نخاع و نارسایی کبدی بود برای پیوند کبد آماده شده بود که آزمایش متاژنومی ویروس هپاتیت E را شناسایی کرد. چارلز چیو، پروفسوری در UCSF که در گزارش نقل شده است، گفت: «یک دارویی ضدویروسی به او دادیم، بهتر شد، و او را از انجام پیوند نجات دادیم.» در آزمایش جداگانه‌ای در یک بیمارستان در لندن، همین رویکرد سل را در بیماری شناسایی کرد که انتظار می‌رفت سرطان ریه داشته باشد، جراحی غیرضروری را جلوگیری کرد، طبق همین گزارش.

سریع‌تر، اما هنوز روزمره نیست

زمان پاسخ یک مانع بزرگ بوده است. نیراجان ناگاراجان از دانشگاه ملی سنگاپور به BBC Future گفت که تجزیهٔ متاژنومی معمولاً «چند روز تا یک هفته» زمان می‌گرفت؛ دستگاه‌های توالی‌یابی می‌توانند اکنون نتایج DNA را در یک تا دو ساعت تولید کنند، با ابزارهای هوش مصنوعی که مرحلهٔ تطابق الگو را سریع‌تر می‌کنند.

مرور PubMed Central ارقام دقیق‌تری ارائه می‌دهد: گردش‌های کار تشخیصی سنتی معمولاً ۲۴ تا ۷۲ ساعت زمان می‌برند، در حالی که توالی‌یابی مبتنی بر nanopore - یک تکنیک خواندن طولانی - نتایج همان روز را در ۸۶ درصد موارد، با میانهٔ زمان پاسخ ۶.۷ ساعت ارائه داده است. هزینه‌های توالی‌یابی در هر نمونه از حدود ۱۰۰ تا ۳۰۰ دلار تغییر می‌کند بسته به پلتفرم، طبق مرور، اگرچه این رقم هزینه‌های کار، محاسبات و ذخیره‌سازی را شامل نمی‌شود که برای قیمت واقعی انجام آزمایش اضافه می‌شود.

جایی که بر آزمایش‌های استاندارد برتری دارد و جایی که هنوز مشکل دارد

همین مرور نتایج را از مطالعات بالینی متعددی جمع آوری کرد که mNGS را با تشخیص سنتی در انواع مختلف عفونت مقایسه می‌کنند.

این دستاورد‌ها با اخطارهای تکنیکی همراه هستند که مرور به عنوان حل‌نشده مشخص می‌کند. در نمونه‌های خون یا سیال مغز و نخاع، بیش از ۹۰ درصد خوانش‌های توالی‌یابی می‌تواند از سلول‌های خود بیمار به جای عامل بیماری آید، سیگنال‌های میکروبی ضعیف را مخفی کند. در نمونه‌هایی با خیلی کم میکروب در ابتدا، آلودگی از واکنش‌دهندهٔ آزمایشگاه می‌تواند تا ۴۵ درصد از خوانش‌های گزارش‌شده را حساب کند. مرور همچنین توجه می‌دهد که هیچ آستانهٔ تعداد خواندش‌شدهٔ توافق‌شده برای فراخوان یک نتیجهٔ مثبت وجود ندارد، و یک تغییر واحد در آن آستانه می‌تواند یک نمونهٔ مرزی را از مثبت به منفی تغییر دهد.

وضعیت تنظیمی عدم اطمینان را تشدید می‌کند: در ایالات متحده، اکثر آزمایش‌های mNGS به عنوان آزمایش‌های توسعه‌یافتهٔ آزمایشگاه معتمد به CLIA اجرا می‌شوند تا آزمایش‌های تایید‌شدهٔ FDA، هیچ رمز صورتحساب بیمهٔ اختصاصی برای روال وجود ندارد، و بیش از ۲۳ درصد ادعاهای بیمهٔ مرتبط رد می‌شوند، طبق مرور.

استفاده از توالی‌یابی برای گریز از شیوع در بیمارستان‌ها

کاربرد مرتبط ردگیری نحوهٔ انتشار عفونت پس از ورود به بیمارستان است، نه تشخیص یک بیمار واحد. در مرکز پزشکی دانشگاه نبراسکا، شان فرید، همکار میکروبیولوژی بالینی، از توالی‌یابی ژنوم کامل طولانی‌مدت همراه با یادگیری ماشین برای مقایسهٔ نمونه‌های باکتریایی جمع‌آوری‌شده از بیماران و پرچم‌گذاری شیوع‌های احتمالی در اوایل، طبق گزارش اتاق خبری UNMC، استفاده می‌کند.

تیم فرید ۴۰ جدایهٔ باکتریایی منفی گرم و ۱۵ نمونهٔ Enterococcus مقاوم به ونکومایسین از بیماران Nebraska Medicine بستری‌شده برای بیش از دو روز را توالی‌یابی کردند، سپس تجزیهٔ فیلوژنتیکی را انجام دادند تا دیدند سویه‌ها چقدر به هم نزدیک هستند. گزارش UNMC توجه می‌دهد که تیم توالی‌یابی طولانی‌مدت را جزئی‌اً انتخاب کرد زیرا ارزان‌تر است و در شناسایی پلاسمیدها - عناصر ژنتیکی متحرک که اغلب ژن‌های مقاومت آنتی‌بیوتیکی را حمل می‌کنند - نسبت به گزینه‌های کوتاه‌مدت بهتر است. تفشی‌های عفونت مرتبط با مراقبت بهداشتی تخمین‌زده می‌شود که ساالانه ۴۵ میلیارد دلار در ایالات متحده تمام کند، طبق گزارش، از طریق اقامت‌های بیمارستان تمدید‌شده و درمان آنتی‌بیوتیکی اضافی.

هشدار اولیه فراتر از تخت بیمار

آزمایشگاه‌های ناگاراجان در سنگاپور از قبل نفس اصل توالی‌یابی را برای نمونه‌های فاضلاب و هوا اعمال می‌کنند تا ویروس‌های نوظهور را قبل از اینکه شیوع‌های شناخته‌شده را ایجاد کنند، جستجو کنند، طبق گزارش BBC Future، یک مورد استفاده که محققان آن را یک سیستم هشدار فعلی احتمالی برای اپیدمی‌های آینده توصیف می‌کنند.

در تمام استفاده‌های تشخیصی و نظارتی، محققانی که مصاحبه شدند توالی‌یابی متاژنومی را ابزاری تکمیلی توصیف می‌کنند تا جایگزینی عمومی برای میکروبیولوژی موجود، منتظر استانداردسازی بیشتر آستانه‌ها، تمویل تنظیمی و کاهش هزینه.