Metagenômica Explicada: Como o Sequenciamento de Genes Detecta Infecções Ocultas

O que o sequenciamento metagenômico realmente faz

Testes padrão de infecção fazem uma pergunta por vez: é este um vírus da gripe, é esta E. coli, esta cultura cultiva uma bactéria conhecida? O sequenciamento metagenômico de próxima geração, ou mNGS, funciona de maneira oposta. Ele extrai todos os fragmentos de DNA e RNA presentes em uma amostra de sangue, fluido cefalorraquidiano ou tecido e sequencia tudo, depois compara o resultado com bancos de dados de referência para identificar quaisquer organismos presentes, de acordo com uma revisão da técnica publicada na plataforma PubMed Central do NCBI.

Como o teste não requer uma hipótese anterior sobre o culpado, ele pode sinalizar bactérias, vírus, fungos e parasitas em uma única execução, incluindo patógenos que um clínico não havia considerado, afirma a revisão.

Da descoberta da Covid-19 a um transplante cancelado

A demonstração pública mais clara da técnica veio no final de 2019, quando virologistas chineses investigando casos inexplicáveis de pneumonia em Wuhan não conseguiram identificar uma causa com testes convencionais. Mudar para sequenciamento metagenômico mostrou que o material genético correspondia à família de coronavírus, uma descoberta relatada pela BBC Future que acelerou o trabalho diagnóstico e de vacina no que se tornou conhecido como Covid-19.

Os casos de pacientes individuais citados pela BBC Future ilustram o que está em jogo. Na Universidade da Califórnia, São Francisco, uma mulher com meningite e insuficiência hepática estava programada para transplante de fígado quando os testes metagenômicos identificaram o vírus da hepatite E. 'Demos-lhe uma medicação antiviral, ela melhorou, e a poupamos de passar pelo transplante', disse Charles Chiu, professor da UCSF citado no relatório. Em um piloto separado em um hospital de Londres, a mesma abordagem identificou tuberculose em um paciente que se presumia ter câncer de pulmão, evitando cirurgia desnecessária, de acordo com o mesmo relatório.

Mais rápido, mas ainda não rotineiro

O tempo de resposta tem sido uma barreira importante. Niranjan Nagarajan da Universidade Nacional de Singapura disse à BBC Future que a análise metagenômica costumava levar 'vários dias até uma semana'; máquinas de sequenciamento agora podem produzir resultados de DNA em uma ou duas horas, com ferramentas de inteligência artificial acelerando a etapa de correspondência de padrões.

A revisão do PubMed Central fornece números mais granulares: fluxos de trabalho diagnósticos convencionais típicos levam 24 a 72 horas, enquanto o sequenciamento baseado em nanoporos — uma tecnologia de leitura longa — entregou resultados no mesmo dia em 86% dos casos, com um tempo mediano de resposta de 6,7 horas. Os custos de sequenciamento por amostra variam de aproximadamente $100 a $300 dependendo da plataforma, diz a revisão, embora essa cifra exclua custos de trabalho, computação e armazenamento que se somam ao preço real da execução do teste.

Onde ele supera os testes padrão — e onde ainda lucha

A mesma revisão compilou resultados de múltiplos estudos clínicos comparando mNGS com diagnósticos convencionais em vários tipos de infecção.

Esses ganhos vêm com ressalvas técnicas que a revisão aponta como não resolvidas. Em amostras de sangue ou fluido cefalorraquidiano, mais de 90% das leituras de sequenciamento podem vir das células do paciente em vez de um patógeno, mascarando sinais microbianos fracos. Em amostras com muito poucos micróbios para começar, contaminação de reagentes de laboratório pode representar até 45% das leituras relatadas. A revisão também observa que não há um limite de contagem de leituras acordado para chamar um resultado positivo, e que uma única alteração nesse limite pode virar uma amostra borderline de positivo para negativo.

O status regulatório agrava a incerteza: nos Estados Unidos, a maioria dos testes mNGS funcionam como testes desenvolvidos em laboratório certificados sob CLIA em vez de testes aprovados pela Administração de Alimentos e Medicamentos, não há um código de faturamento de seguros dedicado para o procedimento, e mais de 23% dos sinistros de seguros relacionados são negados, de acordo com a revisão.

Usando sequenciamento para detectar surtos dentro de hospitais

Uma aplicação relacionada é rastrear como uma infecção se propaga uma vez que está dentro de um hospital, em vez de diagnosticar um único paciente. No Centro Médico da Universidade de Nebraska, a bolsista de microbiologia clínica Shawn Freed está usando sequenciamento de genoma completo de leitura longa combinado com aprendizado de máquina para comparar amostras bacterianas coletadas de pacientes e sinalizar possíveis surtos antecipadamente, de acordo com um comunicado da sala de imprensa UNMC.

A equipe de Freed sequenciou 40 isolados bacterianos Gram-negativos e 15 amostras de Enterococcus resistente à vancomicina de pacientes do Nebraska Medicine hospitalizados por mais de dois dias, depois executou análise filogenética para ver quão estreitamente relacionadas as cepas estão. O relatório UNMC observa que a equipe escolheu sequenciamento de leitura longa em parte porque é mais barato e melhor na detecção de plasmídeos — os elementos genéticos móveis que frequentemente carregam genes de resistência a antibióticos — do que alternativas de leitura curta. Surtos de infecções associadas à assistência à saúde custam um estimado de $45 bilhões por ano nos Estados Unidos, afirma o relatório, através de estadias hospitalares estendidas e tratamento adicional com antibióticos.

Aviso antecipado além do leito do hospital

Os laboratórios de Nagarajan em Singapura já estão aplicando o mesmo princípio de sequenciamento a amostras de esgoto e ar para procurar vírus emergentes antes de causarem surtos reconhecidos, de acordo com reportagens da BBC Future, um caso de uso que pesquisadores descrevem como um possível sistema de alerta antecipado para futuras epidemias.

Em ambos os usos diagnósticos e de vigilância, pesquisadores entrevistados descrevem sequenciamento metagenômico como uma ferramenta complementar em vez de uma substituição completa da microbiologia existente, pendente de uma maior padronização de limiares, aprovação regulatória e redução de custos.