Metagenomik Dijelaskan: Bagaimana Pengurutan Gen Mendeteksi Infeksi Tersembunyi

Apa yang sebenarnya dilakukan pengurutan metagenomik

Tes infeksi standar mengajukan satu pertanyaan sekaligus: apakah ini virus flu, apakah ini E. coli, apakah kultur ini menumbuhkan bakteri yang dikenal. Pengurutan generasi berikutnya metagenomik, atau mNGS, bekerja sebaliknya. Ini mengekstrak setiap fragmen DNA dan RNA yang ada dalam sampel darah, cairan tulang belakang, atau jaringan dan mengurut semuanya, kemudian membandingkan hasilnya dengan database referensi untuk mengidentifikasi organisme apa pun yang ada di sana, menurut tinjauan teknik yang diterbitkan di platform PubMed Central NCBI.

Karena tes tidak memerlukan hipotesis sebelumnya tentang pelakunya, tes dapat menandai bakteri, virus, jamur, dan parasit dalam satu kali berjalan, termasuk patogen yang mungkin tidak dipertimbangkan oleh dokter, demikian tinjauan tersebut.

Dari penemuan Covid-19 hingga transplantasi yang dibatalkan

Demonstrasi publik paling jelas dari teknik ini terjadi pada akhir 2019, ketika virolog Cina yang menyelidiki kasus pneumonia yang tidak dijelaskan di Wuhan tidak dapat mengidentifikasi penyebab dengan tes konvensional. Beralih ke pengurutan metagenomik menunjukkan materi genetik cocok dengan keluarga coronavirus, temuan yang dilaporkan BBC Future yang mempercepat pekerjaan diagnostik dan vaksin pada apa yang kemudian dikenal sebagai COVID-19.

Kasus pasien individual yang dikutip BBC Future mengilustrasikan pertaruhan. Di University of California, San Francisco, seorang wanita dengan meningitis dan gagal hati akan menjalani transplantasi hati ketika pengujian metagenomik mengidentifikasi virus hepatitis E. "Kami memberinya obat antivirus, dia membaik, dan kami menyelamatkannya dari menjalani transplantasi," kata Charles Chiu, profesor di UCSF yang dikutip dalam laporan. Dalam uji coba terpisah di rumah sakit London, pendekatan yang sama mengidentifikasi tuberkulosis pada pasien yang diduga menderita kanker paru-paru, menghindari operasi yang tidak perlu, menurut laporan yang sama.

Lebih cepat, tetapi belum rutin

Waktu penyelesaian telah menjadi hambatan besar. Niranjan Nagarajan dari National University Singapura mengatakan kepada BBC Future bahwa analisis metagenomik biasanya memakan waktu "beberapa hari hingga seminggu"; mesin pengurutan sekarang dapat menghasilkan hasil DNA dalam satu hingga dua jam, dengan alat kecerdasan buatan mempercepat langkah pencocokan pola.

Tinjauan PubMed Central memberikan angka yang lebih terperinci: alur kerja diagnostik konvensional biasanya memakan waktu 24 hingga 72 jam, sedangkan pengurutan berbasis nanopori — teknologi pembacaan panjang — memberikan hasil hari yang sama dalam 86% kasus, dengan waktu penyelesaian rata-rata 6,7 jam. Biaya pengurutan per sampel berkisar dari sekitar $100 hingga $300 tergantung platform, demikian tinjauan tersebut, meskipun angka tersebut tidak termasuk biaya tenaga kerja, komputasi, dan penyimpanan yang menambah harga sebenarnya dari menjalankan tes.

Di mana kinerjanya melebihi tes standar — dan di mana masih berjuang

Tinjauan yang sama mengumpulkan hasil dari berbagai studi klinis yang membandingkan mNGS dengan diagnostik konvensional di beberapa jenis infeksi.

Keuntungan ini datang dengan peringatan teknis yang tidak terselesaikan menurut tinjauan. Dalam sampel darah atau cairan tulang belakang, lebih dari 90% bacaan pengurutan dapat berasal dari sel pasien sendiri daripada patogen, menyembunyikan sinyal mikroba yang lemah. Dalam sampel dengan sangat sedikit mikroba di awal, kontaminasi dari reagen laboratorium dapat menyumbang hingga 45% dari bacaan yang dilaporkan. Tinjauan juga mencatat bahwa tidak ada ambang batas hitungan bacaan yang disepakati untuk menyebut hasil positif, dan satu perubahan pada ambang batas tersebut dapat membalik sampel garis batas dari positif menjadi negatif.

Status regulasi memperumit ketidakpastian: di Amerika Serikat, sebagian besar tes mNGS berjalan sebagai tes yang dikembangkan laboratorium yang disertifikasi menurut CLIA daripada tes yang disetujui oleh Food and Drug Administration, tidak ada kode penagihan asuransi khusus untuk prosedur tersebut, dan lebih dari 23% klaim asuransi terkait ditolak, menurut tinjauan.

Menggunakan pengurutan untuk menangkap wabah di dalam rumah sakit

Aplikasi terkait adalah melacak bagaimana infeksi menyebar setelah berada di dalam rumah sakit, bukan mendiagnosis pasien tunggal. Di University of Nebraska Medical Center, rekan mikrobiologi klinis Shawn Freed menggunakan pengurutan genom seluruh pembacaan panjang dikombinasikan dengan pembelajaran mesin untuk membandingkan sampel bakteri yang dikumpulkan dari pasien dan menandai potensi wabah lebih awal, menurut laporan ruang berita UNMC.

Tim Freed telah mengurut 40 isolat bakteri gram-negatif dan 15 sampel Enterococcus tahan vankomisin dari pasien Nebraska Medicine yang dirawat di rumah sakit selama lebih dari dua hari, kemudian menjalankan analisis filogenetik untuk melihat seberapa dekat hubungan galur. Laporan UNMC mencatat bahwa tim memilih pengurutan pembacaan panjang sebagian karena lebih murah dan lebih baik dalam mendeteksi plasmid — elemen genetik mobile yang sering membawa gen resistensi antibiotik — daripada alternatif pembacaan pendek. Wabah infeksi terkait perawatan kesehatan memperkirakan biaya $45 miliar per tahun di Amerika Serikat, demikian laporan tersebut, melalui perpanjangan tinggal di rumah sakit dan perawatan antibiotik tambahan.

Peringatan awal di luar tempat tidur rumah sakit

Laboratorium Nagarajan di Singapura sudah menerapkan prinsip pengurutan yang sama pada sampel air limbah dan udara untuk mencari virus yang muncul sebelum menyebabkan wabah yang diakui, menurut pelaporan BBC Future, kasus penggunaan yang digambarkan oleh peneliti sebagai kemungkinan sistem peringatan dini untuk epidemi masa depan.

Di seluruh penggunaan diagnostik dan pengawasan, peneliti yang diwawancarai menggambarkan pengurutan metagenomik sebagai alat pelengkap daripada pengganti grosir untuk mikrobiologi yang ada, menunggu standardisasi lebih lanjut dari ambang batas, persetujuan peraturan, dan pengurangan biaya.