突发心衰！基因测序8小时揭示病因，心脏移植拯救生命

▎药明康德内容团队编辑

一年前，美国俄勒冈州的昆兹曼一家遇到了些意外——13岁的马修·昆兹曼（Matthew Kunzman）突然咳嗽不已，并伴有高烧。在疫情期间，任何类似新冠的症状都会引起人的高度警觉，而医生的诊断结果喜忧参半：好消息是马修没有得新冠，坏消息是马修的症状可能源自心脏。

马修·昆兹曼是受益于这项技术12名患者之一 | 参考资料[2]；Courtesy of Jenny Kunzman

当地的医生告诉马修的父母，他的身上有心肌炎的征兆。这是一种心脏出现的炎症，使这个重要器官难以维持正常功能，无法把足够的血液送至全身。后续的检测结果证实了这一猜测：马修的心脏功能正在衰竭，这超出了当地诊所的治疗能力。医生们推荐马修立刻前往斯坦福医院就诊，那里可能保住马修的一条命。

马修短暂躲过了死神的这次突然袭击。几个小时后，他的父亲带他飞到了斯坦福就诊。第二天，他的情况就迅速恶化。当他母亲次日抵达时，他已经用上了生命支持系统。如果再晚上几天，后果可能不堪设想。

尤安·阿什利（Euan Ashley）是斯坦福大学医学院的一名教授，也是一名遗传学和生物医学数据方面的专家。听说马修的病例后，他的心里萌生出了不同的看法——总体而言，马修是一名非常健康的年轻人。突发心衰，主要可能有两个原因：其一就是俄勒冈医生的诊断，即由于病毒或者其它身体不适诱发的心肌炎；其二则是遗传学上的原因，某个基因突变带来的影响，在日积月累之下，终于压垮了马修的心脏。

本研究的负责人尤安·阿什利教授（斯坦福医学院）

这两个原因各有各的可能，却有着完全不同的治疗方案——心肌炎往往是可逆的。通过治疗，心脏功能可以恢复正常水平。但基因突变带来的心脏病则不然。如果病因真的是基因缺陷，唯一的治疗方案就是心脏移植。

阿什利教授课题组的约翰·戈尔津斯基（John Gorzynski）博士联系了马修的父母，介绍了他们实验室正在进行的一项基因组快速测序的研究，并征求许可，将马修纳入到这项研究中。对于这个请求，马修的父母当即同意下来。他们迫不及待地想知道，马修究竟是得了什么病。

征得同意后，研究人员们抽取了几毫升马修的血液，送去做快速的基因组测序。几小时后，测序结果返回，显示马修的基因组里确实有着导致疾病的基因突变。获取这一信息后，医生们立即将马修放到了心脏移植的等待列表上。过了三周，他等来了一颗全新的心脏。一年后的今天，马修的母亲说他依然活得很健康。

喜悦之余，他们可能没有想到马修参与的是一项具有里程碑意义的研究。替马修做出关键诊断的技术，仅在短短数小时内就完成了全基因组的测序。“通常来说，如果能在几周时间里完成对患者基因组的测序，并返回结果，大部分医生就会说很迅速了。”阿什利教授说道。

在世纪之交，当人类首次完成基因组草图的绘制时，或许少有人能预料到在短短二十多年后，基因组测序竟能成为诊断个体疾病的工具——当时，为了完成基因组草图，多个国家的科学家们耗时十余年，耗费了近30亿美元的资金。放在任何一个个体身上，这都是难以想象的天文数字。

而如今，随着分子生物学技术的发展，基因组测序技术的门槛不断下降。数年前，商业化的个体基因组测序便已成为了可能。几千美元，几周时间，一份属于自己的生命蓝图就将测序完成。在有经验的医生眼中，这份蓝图里还蕴藏着遗传疾病的蛛丝马迹，也有着通往治疗疾病方向的指示牌。

人类基因组的测序成本在过去二十年迅速下降 | Wetterstrand KA. DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Genome Sequencing Program (GSP) Available at: www.genome.gov/sequencingcostsdata. Accessed 01/13/2021.）

但正如阿什利教授所言，现有的基因组测序技术和世纪之交相比已经变迅速了不少，但对于马修这样的危重症患者，还是太慢了。传统的几周测序时间，普通健康人还等得起，马修等不起。为了对类似马修的患者做出及时诊断，研究人员们还需要开发出更为快速的测序技术。快速测序意味着更快的诊断，更快的治疗，也意味着患者可能会在重症病房待上更短的时间，或是更快康复。更关键的是，这种速度上的提升，还不能牺牲准确度。

阿什利教授联系了牛津纳米孔技术公司，并使用了该公司开发的PromethION 48测序系统。这套系统里一共有48个测序流动池（flow cell），每一个流动池都能单独完成基因组测序的工作。而为了节省时间，研究人员们决定让48个流动池同时工作，极大加快速度。

纳米孔技术对DNA测序的示意图 | DataBase Center for Life Science (DBCLS), CC BY 4.0, via Wikimedia Commons

并行的测序固然提高了速度，却也产生了海量数据，超过了实验室的分析能力。为此，研究团队进一步将数据传到云端，扩大计算能力。同时，团队也开发了一些算法，在扫描测序获得的遗传信息的同时，寻找可能导致遗传疾病的突变。最后，科学家们还会拿寻找到的基因变异去和公开发表的论文进行比对，进行确认。

在2020年12月到2021年5月间，研究人员们在两家位于斯坦福的医院招募了12名患者，使用上述的技术进行了快速的基因组测序，用于辅助诊断。昨日，科学家们在《新英格兰医学杂志》上介绍了他们的阶段性工作成果。根据介绍，从收集患者血样到获得初步诊断结果，最短的时间仅为7小时18分钟。

速度当然是这项工作非常引人注目的一点。根据斯坦福医学院的新闻稿，在一个病例中，如果去除诊断环节，仅统计基因组的测序部分，那么耗时仅需5小时2分钟，这也创下了吉尼斯世界纪录。

但速度绝非本研究的唯一亮点。事实上，纳米孔技术的一大特征就是对长序列的测序。传统的基因组测序方法会先将基因组打碎成小的片段进行测序，然后再以标准的人类基因组作为参照，将测序结果重新拼成一个基因组。但这样的方法有时会错过一些基因组片段，或是遗漏一些遗传变异。长序列测序则能对长达几万个碱基的DNA片段进行测序，提供更多的细节。

《新英格兰医学杂志》的文章中提到，超过一半的测序片段超过25 kb。总体来看，每一个基因组能产生173到236 Gb的数据，序列比对一致性（alignment identity）达到94%，常染色体的覆盖率达到46到64x。

本研究的示意图 | 参考资料 [1]

“通过长序列测序，更容易在大片段的基因组上找到突变，” 阿什利教授评论说，“如果不使用一些长序列测序的手段，几乎不可能发现其中的一些变异。”

该技术还能回答通过传统诊断技术难以回答的医学问题。研究团队介绍了另外一个案例——一名3个月大的婴儿出现病因不明的癫痫，于是医院双管齐下，一方面使用标准的临床基因诊断，另一方面则使用这种新型的全基因组快速测序技术。仅过了8个多小时，后者就给出了答案——这名患儿的CSNK2B基因出现了突变，它已知与神经发育疾病有关，会导致早发的癫痫。相反，标准的临床基因诊断中则不含有CSNK2B这一项检测内容，因此检测返回的信息对患者的帮助有限。

这一研究成果得到了不少医生和科学家的关注。斯坦福的医生们对能在几小时内完成遗传诊断的前景感到非常兴奋，知名科学家Eric Topol教授也在其社交媒体上表示“未来已来”。

Eric Topol教授社交媒体截图

当然，这一工作目前只是得到了小规模的运用，在成本和准确度上相信还有不少可以优化的空间。但这一先驱性的尝试已向我们证明，基因组的快速测序有望成为诊断的重要一环，为怀疑患有罕见遗传疾病的患者家庭及时带来重要的诊断信息。快速、准确、个体化……或许，这就是未来医疗诊断的模样。

参考文献

[2]Fastest DNA sequencing technique helps undiagnosed patients find answers in mere hours, Retrieved January 13, 2022, from https://med.stanford.edu/news/all-news/2022/01/dna-sequencing-technique.html

[3]Scientists describe new approach in NEJM, using Oxford Nanopore DNA sequencing technology to improve prognosis in critically ill patients, in less than 8 hours, Retrieved January 13, 2022, from https://nanoporetech.com/about-us/news/scientists-describe-new-approach-nejm-using-oxford-nanopore-dna-sequencing-technology

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本文经授权转载自药明康德（ID：WuXiAppTecChina），原标题为《纳米孔技术创造新纪录！8小时内测完人类基因组》，如需二次转载请联系原作者。

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