Метагеномика объяснена: Как секвенирование генов выявляет скрытые инфекции

Что на самом деле делает метагеномное секвенирование

Стандартные тесты на инфекции задают один вопрос одновременно: это вирус гриппа, это E. coli, выращивает ли эта культура известные бактерии. Метагеномное секвенирование нового поколения, или mNGS, работает противоположным образом. Оно извлекает каждый фрагмент ДНК и РНК, присутствующих в образце крови, спинномозговой жидкости или ткани, и секвенирует всё, затем сравнивает результат с эталонными базами данных для выявления любых организмов, согласно обзору этого метода, опубликованному на платформе PubMed Central NCBI.

Поскольку тест не требует предварительной гипотезы о возбудителе, он может выявить бактерии, вирусы, грибки и паразитов в одном запуске, включая патогены, которые клиницист не рассматривал, согласно обзору.

От открытия Covid-19 к отменённой трансплантации

Наиболее ясная публичная демонстрация этого метода произошла в конце 2019 года, когда китайские вирусологи, исследующие необъяснённые случаи пневмонии в Ухане, не смогли определить причину с помощью обычных тестов. Переход на метагеномное секвенирование показал, что генетический материал совпадает с семейством коронавирусов, вывод, о котором сообщил BBC Future и который ускорил диагностическую и вакцинную работу над тем, что стало известно как Covid-19.

Случаи отдельных пациентов, приведённые BBC Future, показывают высокие ставки. В Калифорнийском университете в Сан-Франциско женщина с менингитом и печёночной недостаточностью должна была пройти трансплантацию печени, когда метагеномное тестирование выявило вирус гепатита Е. «Мы дали ей противовирусный препарат, она выздоровела, и мы спасли её от трансплантации», — сказал Чарльз Чиу, профессор UCSF, процитированный в отчёте. В отдельном пилотном проекте в лондонской больнице тот же подход выявил туберкулёз у пациента, который предположительно страдал раком лёгких, избежав ненужной операции, согласно тому же отчёту.

Быстрее, но ещё не рутинно

Время выполнения было основным препятствием. Ниранджан Нагараджан из Национального университета Сингапура рассказал BBC Future, что метагеномный анализ раньше занимал «несколько дней до недели»; машины секвенирования теперь могут производить результаты ДНК за один-два часа, инструменты искусственного интеллекта ускоряют этап сопоставления.

Обзор PubMed Central дает более детальные цифры: обычные диагностические рабочие процессы обычно занимают 24-72 часа, тогда как секвенирование на основе нанопор — технология считывания больших фрагментов — дало результаты в один день в 86% случаев, со средним временем выполнения 6,7 часа. Стоимость секвенирования на образец составляет примерно 100-300 долларов в зависимости от платформы, говорится в обзоре, хотя эта цифра не включает затраты на рабочую силу, вычисления и хранение, которые добавляются к реальной стоимости проведения теста.

Где mNGS превосходит стандартные тесты — и где он всё ещё отстаёт

Тот же обзор скомпилировал результаты из нескольких клинических исследований, сравнивающих mNGS с обычной диагностикой по нескольким типам инфекций.

Эти улучшения сопровождаются техническими предостережениями, которые обзор отмечает как нерешённые. В образцах крови или спинномозговой жидкости более 90% считанных последовательностей могут происходить из собственных клеток пациента, а не из патогена, маскируя слабые микробные сигналы. В образцах с очень небольшим количеством микробов загрязнение из лабораторных реагентов может составлять до 45% сообщённых считанных последовательностей. В обзоре также отмечается, что нет согласованного порога подсчёта считанных последовательностей для положительного результата, и что одно изменение этого порога может перевести пограничный образец с положительного на отрицательный.

Нормативный статус усложняет неопределённость: в Соединённых Штатах большинство тестов mNGS работают как разработанные в лаборатории тесты, сертифицированные в соответствии с CLIA, а не тесты, одобренные Управлением по контролю за продуктами и лекарствами, нет выделенного кода выставления счётов страховкой для этой процедуры, и более 23% связанных страховых претензий отклоняются, согласно обзору.

Использование секвенирования для выявления вспышек в больницах

Связанное применение — отслеживание распространения инфекции в больнице, а не диагностика отдельного пациента. В Медицинском центре Университета Небраски клинический микробиолог Шон Фрид использует долгочитающееся секвенирование полного генома в сочетании с машинным обучением для сравнения бактериальных образцов, собранных у пациентов, и выявления потенциальных вспышек на ранней стадии, согласно отчёту пресс-центра UNMC.

Команда Фрида секвенировала 40 грамотрицательных бактериальных изолятов и 15 образцов Enterococcus, устойчивых к ванкомицину, от пациентов Nebraska Medicine, госпитализированных более чем на два дня, затем провела филогенетический анализ, чтобы увидеть, насколько близко связаны штаммы. В отчёте UNMC отмечается, что команда выбрала долгочитающееся секвенирование отчасти потому, что оно дешевле и лучше выявляет плазмиды — мобильные генетические элементы, которые часто несут гены устойчивости к антибиотикам — чем альтернативы с коротким чтением. Вспышки инфекций, связанные с оказанием медицинской помощи, ежегодно обходятся примерно в 45 миллиардов долларов в Соединённых Штатах, говорится в отчёте, из-за продления пребывания в больнице и дополнительного лечения антибиотиками.

Раннее предупреждение за пределами больничной кровати

Лаборатории Нагараджана в Сингапуре уже применяют тот же принцип секвенирования к образцам сточных вод и воздуха для поиска появляющихся вирусов до того, как они вызовут признанные вспышки, согласно отчётам BBC Future, прецедент, который исследователи описывают как возможную систему раннего предупреждения для будущих эпидемий.

Как в диагностических, так и в эпиднадзорных применениях интервьюируемые исследователи описывают метагеномное секвенирование как дополнительный инструмент, а не полную замену существующей микробиологии, ожидающей дальнейшей стандартизации пороговых значений, нормативного одобрения и снижения затрат.