Metagenomics uitgelegd: Hoe gensequencing verborgen infecties opspooert

Wat metagenomic sequencing eigenlijk doet

Standaard infectietesten stellen één vraag tegelijk: is dit een griepvirus, is dit E. coli, groeit deze cultuur een bekend bacterium. Metagenomic next-generation sequencing, of mNGS, werkt andersom. Het extraheert elk DNA- en RNA-fragment dat aanwezig is in een bloed-, liquor- of weefselmonster en sequenct het allemaal, vervolgens vergelijkt het het resultaat met referentiedatabases om te identificeren welke organismen aanwezig zijn, volgens een review van de techniek gepubliceerd op het PubMed Central-platform van de NCBI.

Omdat de test geen eerdere hypothese over de veroorzaker vereist, kan het bacteriën, virussen, schimmels en parasieten in één enkele run markeren, inclusief ziekteverwekkers die een clinicus niet had overwogen, stelt de review.

Van de ontdekking van Covid-19 tot een geannuleerde transplantatie

De duidelijkste openbare demonstratie van de techniek vond eind 2019 plaats, toen Chinese virologen die onverklaarbare pneumoniecases in Wuhan onderzoeken, geen oorzaak konden identificeren met conventionele tests. Het overschakelen naar metagenomic sequencing toonde aan dat het genetische materiaal overeenkwam met de coronavirus-familie, een bevinding gemeld door BBC Future die het diagnostische en vaccin-werk op wat bekend werd als Covid-19 versnelde.

Individuele patiëntgevallen aangehaald door BBC Future illustreren wat op het spel staat. Op de University of California, San Francisco, was een vrouw met meningitis en leverfalen ingepland voor een levertransplantatie toen metagenomic testing hepatitis E-virus identificeerde. "We gaven haar een antiviraal medicijn, ze werd beter en we behoedens haar voor de transplantatie," zei Charles Chiu, professor aan UCSF, geciteerd in het rapport. In een afzonderlijk pilotproject in een Londens ziekenhuis, identificeerde dezelfde benadering tuberculose bij een patiënt van wie werd aangenomen dat het longkanker was, waardoor onnodige chirurgie werd vermeden, volgens hetzelfde rapport.

Sneller, maar nog niet routine

De omlooptijd is een groot obstakel geweest. Niranjan Nagarajan van de National University van Singapore vertelde BBC Future dat metagenomic analyse "enkele dagen tot een week" duurde; sequencingsmachines kunnen nu DNA-resultaten in één tot twee uur opleveren, met kunstmatige intelligentie-tools die de patroonkoppelstap versnellen.

De PubMed Central review geeft meer gedetailleerde cijfers: conventionele diagnostische workflows nemen doorgaans 24 tot 72 uur in beslag, terwijl nanoporesequencing – een long-read-technologie – resultaten dezelfde dag in 86% van de gevallen afleverde, met een mediaanomlooptijd van 6,7 uur. Sequencingkosten per monster variëren van ongeveer $100 tot $300 afhankelijk van het platform, volgens de review, hoewel dit cijfer arbeids-, rekenvel- en opslagkosten uitsluit die tot de werkelijke kosten van het testen bijdragen.

Waar het standaardtests overtreft – en waar het nog steeds moeite heeft

Dezelfde review heeft resultaten van meerdere klinische studies samengevoegd waarin mNGS werd vergeleken met conventionele diagnostiek over verschillende infectietypes.

Deze winsten gaan gepaard met technische voorbehouden die de review als onopgelost aanmerkt. In bloed- of liquormonsters kunnen meer dan 90% van de sequencingreadings afkomstig zijn van de eigen cellen van de patiënt in plaats van van een ziekteverwekker, wat zwakke microbiële signalen maskeert. In monsters met zeer weinig microben om mee te beginnen, kan contaminatie van labreagentia tot 45% van de gerapporteerde aflezingen uitmaken. De review merkt ook op dat er geen afgesproken aflezingsdrempel is voor het als positief bestempelen van een resultaat, en dat een enkele verandering van die drempel een grensmonster van positief naar negatief kan omdraaien.

De regelgevingsstatus vergroot de onzekerheid: in de Verenigde Staten worden de meeste mNGS-tests als door laboratoria ontwikkelde tests uitgevoerd die onder CLIA zijn gecertificeerd in plaats van tests die door de Food and Drug Administration zijn goedgekeurd, er is geen speciale verzekeringsfacturingscode voor de procedure, en meer dan 23% van gerelateerde verzekeringsvorderingen worden geweigerd, volgens de review.

Sequencing gebruiken om uitbraken in ziekenhuizen op te sporen

Een verwante toepassing is het volgen hoe een infectie zich in een ziekenhuis verspreidt in plaats van een enkele patiënt te diagnosticeren. Op de University of Nebraska Medical Center gebruikt clinisch microbiologie-collega Shawn Freed long-read volledige genoomsequencing gecombineerd met machine learning om bacteriële monsters verzameld van patiënten te vergelijken en mogelijke uitbraken vroeg op te sporen, volgens een persbericht van UNMC.

Het team van Freed heeft 40 Gram-negatieve bacteriële isolaten en 15 vancomycine-resistente Enterococcus-monsters van Nebraska Medicine-patiënten die langer dan twee dagen waren opgenomen, gesequenced en vervolgens een fylogenetische analyse uitgevoerd om te zien hoe nauw verwant de stammen zijn. Het UNMC-rapport merkt op dat het team long-read sequencing deels koos omdat het goedkoper is en beter in staat is om plasmiden op te sporen – de mobiele genetische elementen die vaak antibioticaresistentiegenen dragen – dan short-read alternatieven. Ziekenhuisgerelateerde infectieuitbraken kosten naar schatting $45 miljard per jaar in de Verenigde Staten, stelt het rapport, door verlengde ziekenhuisopnamen en aanvullende antibioticumbehandeling.

Vroegtijdige waarschuwing buiten het ziekenhuisbed

Nagarajans laboratoria in Singapore passen hetzelfde sequencingsprincipe al toe op riolerings- en luchtmonsters om naar opkomende virussen te zoeken voordat ze erkende uitbraken veroorzaken, volgens BBC Future-rapportages, een use-case die onderzoekers beschrijven als een mogelijk vroegtijdig waarschuwingssysteem voor toekomstige epidemieën.

In zowel de diagnostische als surveillancegebruiken beschrijven onderzoekers die zijn geïnterviewd metagenomic sequencing als een aanvullend hulpmiddel in plaats van een grootschalige vervanging van bestaande microbiologie, in afwachting van verdere standaardisering van drempels, regelgevingsgoedkeuring en kostprijsverlaging.