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Neue DNA-Sequenzierungstechnik kann seltene genetische Krankheiten in 5 Stunden diagnostizieren

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Ein neues, von Wissenschaftlern der Stanford-Medizin und ihren Mitarbeitern entwickeltes Verfahren zur ultraschnellen Genomsequenzierung ermöglichte die Diagnose seltener genetischer Krankheiten in durchschnittlich acht Stunden - eine Leistung, die in der klinischen Standardversorgung nahezu unerreicht ist.

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einige Wochen sind das, was die meisten Kliniker als "schnell" bezeichnen, wenn es darum geht, das Genom eines Patienten zu sequenzieren und die Ergebnisse zu liefern", so Euan Ashley, MB, Professor für Medizin, Genetik und biomedizinische Datenwissenschaft in Stanford.

Die Genomsequenzierung ermöglicht es den Wissenschaftlern, die gesamte DNA eines Patienten einzusehen, die Informationen über alles von der Augenfarbe bis zu Erbkrankheiten enthält. Die Genomsequenzierung ist von entscheidender Bedeutung für die Diagnose von Patienten mit Krankheiten, deren Ursachen in ihrer DNA liegen: Sobald die Ärzte die spezifische genetische Mutation kennen, können sie die Behandlung entsprechend anpassen.

Ein von Ashley und seinen Kollegen entwickeltes Mega-Sequenzierungsverfahren hat nun den Begriff "schnell" für die Gendiagnostik neu definiert: Ihre schnellste Diagnose wurde in etwas mehr als sieben Stunden gestellt. Schnelle Diagnosen bedeuten, dass Patienten weniger Zeit auf der Intensivstation verbringen, weniger Tests benötigen, sich schneller erholen und weniger Geld für die Pflege ausgeben. Dabei geht die schnellere Sequenzierung nicht zu Lasten der Genauigkeit.

Ein Artikel, der die Arbeit der Forscher beschreibt, wurde im New England Journal of Medicine veröffentlicht. Ashley, stellvertretender Dekan der Stanford School of Medicine und Roger und Joelle Burnell Professor in Genomics and Precision Health, ist der Hauptautor des Artikels. Postdoktorand John Gorzynski, DVM, PhD, ist der Hauptautor.

Auf dem Weg zum Rekord

In weniger als sechs Monaten hat das Team die Genome von 12 Patienten erfasst und sequenziert. Fünf von ihnen erhielten anhand der Sequenzierungsdaten eine genetische Diagnose, und zwar in etwa der Zeit, die man braucht, um einen Tag im Büro abzuschließen. (Nicht alle Krankheiten sind genetisch bedingt, was wahrscheinlich der Grund dafür ist, dass einige der Patienten nach Rücksendung ihrer Sequenzierungsdaten keine Diagnose erhielten, so Ashley) Die Diagnoserate des Teams, etwa 42 %, liegt etwa 12 % über der durchschnittlichen Rate für die Diagnose von mysteriösen Krankheiten.

In einem der Fälle dauerte die Sequenzierung des Genoms eines Patienten gerade einmal 5 Stunden und 2 Minuten, was den ersten Guinness-Weltrekord für die schnellste DNA-Sequenzierungstechnik bedeutete. Der Rekord wurde von der Gruppe "Genome in a Bottle" des National Institute of Science and Technology bestätigt und von Guinness World Records dokumentiert.

"Es war einfach einer dieser erstaunlichen Momente, in denen die richtigen Leute plötzlich zusammenkamen, um etwas Erstaunliches zu erreichen", sagte Ashley. "Es fühlte sich wirklich so an, als ob wir uns einer neuen Grenze nähern würden

Die Diagnose dauerte 7 Stunden und 18 Minuten, was nach Ashleys Kenntnis etwa doppelt so schnell ist wie der bisherige Rekord für eine Genomsequenzierungsdiagnose (14 Stunden), der vom Rady Children's Institute gehalten wurde. Vierzehn Stunden sind immer noch eine beeindruckend schnelle Zeit, sagte Ashley. Die Stanford-Wissenschaftler planen, Patienten auf den Intensivstationen des Stanford Hospitals und des Lucile Packard Children's Hospital Stanford - und im Laufe der Zeit auch anderen Krankenhäusern - die Möglichkeit zu geben, eine Diagnose unter 10 Stunden zu stellen.

Schneller werden

Um superschnelle Sequenzierungsgeschwindigkeiten zu erreichen, benötigten die Forscher neue Hardware. Ashley wandte sich daher an Kollegen von Oxford Nanopore Technologies, die ein Gerät mit 48 Sequenziereinheiten, so genannten Fließzellen, gebaut hatten. Die Idee war, das Genom einer Person mit Hilfe aller Fließzellen gleichzeitig zu sequenzieren. Der Ansatz mit der Megamaschine war ein Erfolg - fast zu viel. Die genomischen Daten überforderten die Rechensysteme des Labors

"Wir waren nicht in der Lage, die Daten schnell genug zu verarbeiten", so Ashley. "Wir mussten unsere Datenpipelines und Speichersysteme völlig neu überdenken und umgestalten" Die Doktorandin Sneha Goenka fand einen Weg, die Daten direkt in ein Cloud-basiertes Speichersystem zu leiten, wo die Rechenleistung ausreichend erhöht werden konnte, um die Daten in Echtzeit zu durchsuchen. Algorithmen durchsuchten dann unabhängig voneinander den eingehenden genetischen Code nach Fehlern, die Krankheiten verursachen könnten, und im letzten Schritt verglichen die Wissenschaftler die Genvarianten des Patienten mit öffentlich dokumentierten Varianten, von denen bekannt ist, dass sie Krankheiten verursachen

Von Anfang bis Ende war das Team bestrebt, jeden Aspekt der Sequenzierung des Genoms eines Patienten zu beschleunigen. Die Forscher brachten die Proben buchstäblich zu Fuß ins Labor, neue Maschinen wurden für die gleichzeitige Sequenzierung des Genoms ausgerüstet, und die Rechenleistung wurde erhöht, um massive Datensätze effizient zu verarbeiten. Jetzt optimiert das Team sein System, um die Zeit noch weiter zu verkürzen. "Ich denke, wir können sie noch einmal halbieren", so Ashley. "Wenn uns das gelingt, können wir eine Antwort noch vor dem Ende der Visite in einem Krankenhaus geben. Das ist ein dramatischer Sprung."

Long-read Sequenzierung

Das vielleicht wichtigste Merkmal der Fähigkeit des diagnostischen Ansatzes, verdächtige DNA-Fragmente schnell zu erkennen, ist der Einsatz der so genannten Long-Read-Sequenzierung. Herkömmliche Genomsequenzierungstechniken zerschneiden das Genom in kleine Stücke, buchstabieren die genaue Reihenfolge der DNA-Basenpaare in jedem Stück und fügen das Ganze dann wieder zusammen, indem sie ein menschliches Standardgenom als Referenz verwenden. Dieser Ansatz erfasst jedoch nicht immer unser gesamtes Genom, und die Informationen, die er liefert, können manchmal Variationen in Genen auslassen, die auf eine Diagnose hindeuten. Bei der Long-Read-Sequenzierung bleiben lange DNA-Abschnitte mit Zehntausenden von Basenpaaren erhalten, was eine ähnliche Genauigkeit und mehr Details für Wissenschaftler bietet, die die Sequenz auf Fehler untersuchen.

"Mutationen, die sich über einen großen Teil des Genoms erstrecken, sind mit der Long-Read-Sequenzierung leichter zu erkennen. Es gibt Varianten, die ohne eine Art von Long-Read-Ansatz fast unmöglich zu erkennen wären", so Ashley. Es geht auch viel schneller: "Das war einer der Hauptgründe, warum wir uns für diesen Ansatz entschieden haben."

Erst in jüngster Zeit haben Unternehmen und Forscher die Genauigkeit des Long-Read-Ansatzes so weit verbessert, dass sie sich bei der Diagnostik darauf verlassen können. Dies und ein Rückgang des einstmals hohen Preises boten Ashleys Team eine Chance. Seines Wissens ist diese Studie die erste, die die Durchführbarkeit dieser Art von Long-Read-Sequenzierung als Grundpfeiler der diagnostischen Medizin nachweist.

Im Rahmen der Studie bot Ashleys Team das Verfahren der beschleunigten Genomsequenzierung nicht diagnostizierten Patienten auf den Intensivstationen der Stanford-Krankenhäuser an. Sie boten den Studienpatienten neben der experimentellen schnellen Gensequenzierung auch etablierte Standardtests an, mit denen sie Antworten auf zwei wichtige Fragen suchten: Ist die Genetik schuld an den Beschwerden des Patienten? Wenn ja, welche spezifischen DNA-Fehler sind der Auslöser?

Geheimnisvolles Herz

Dies waren die Schlüsselfragen im Fall von Matthew Kunzman aus Oregon. Vor etwa einem Jahr, als Matthew 13 Jahre alt war, wurde er wegen eines lästigen Hustens und hohen Fiebers in eine örtliche Arztpraxis gebracht. "Wir dachten, es sei die Grippe oder vielleicht COVID", sagte Jenny Kunzman, Matthews Mutter. Es stellte sich heraus, dass der Husten das erste Anzeichen einer Herzerkrankung war, die als Myokarditis - eine Entzündung des Herzens - bekannt ist und die es dem Organ erschwert, Blut in den Rest des Körpers zu pumpen. Die anschließenden Tests in Matthews örtlichem Krankenhaus zeigten eine schlimme Situation: Sein Herz hatte versagt. Sein Arzt empfahl der Familie, sofort zur Behandlung ins Stanford Hospital zu fliegen.

Stunden später trafen Matthew und sein Vater, Matthew Kunzman senior, im Stanford Hospital ein. Jenny Kunzman traf einen Tag später ein und musste feststellen, dass sich der Zustand ihres Sohnes verschlechtert hatte. Matthew hing an den lebenserhaltenden Maßnahmen.

Es gibt zwei Gründe, warum ein eigentlich gesunder 13-Jähriger diese Art von Herzversagen erleiden kann, so Ashley. Der eine ist als Myokarditis bekannt und tritt auf, wenn Immunzellen das Herz ausschwärmen, oft ausgelöst durch einen Virus oder eine andere körperliche Belastung. Die andere ist eine genetische Ursache, eine Mutation in einem Gen, das an der Herzfunktion beteiligt ist.

Den Unterschied zu kennen, so Ashley, ist entscheidend. "Myokarditis ist oft reversibel", sagte er. "Mit einer Behandlung kann sich das Herz wieder normalisieren. Bei einer genetischen Erkrankung ist das nicht der Fall. Wäre Matthews Zustand genetisch bedingt, wäre wahrscheinlich die einzige Lösung eine Herztransplantation

Gorzynski wandte sich an Matthews Eltern, erklärte ihnen die Schnellsequenzierungsforschung und fragte sie, ob sie den Jungen in die Studie aufnehmen wollten. "Sie sagten uns, dass sie an einer brandneuen Studie arbeiteten, um den Diagnoseprozess zu beschleunigen", sagte Jenny Kunzman. "Sie fragten uns, ob wir bereit wären, daran teilzunehmen, und wir sagten: 'Auf jeden Fall' Wir wollten so viele Informationen wie möglich, um herauszufinden, was die Ursache ist

Mit ein paar Millilitern von Matthews Blut begann das Team mit der schnellen genetischen Sequenzierung. "Innerhalb weniger Stunden zeigten die Sequenzierungsdaten, dass die Krankheit genetisch bedingt war", so Ashley.

Mit diesen Informationen ausgestattet, wurde Matthew sofort auf die Liste für eine Herztransplantation gesetzt. Einundzwanzig Tage später erhielt er ein neues Herz; heute, etwa ein Jahr später, geht es ihm laut seiner Mutter "außergewöhnlich gut"

Verdächtige Krampfanfälle

In einem anderen Fall kam ein 3 Monate alter Patient mit unerklärlichen Krampfanfällen in die pädiatrische Notaufnahme von Stanford. Es war klar, dass der Säugling an einer Form von Epilepsie litt, aber die genaue Ursache der Symptome war unbekannt

Die Forscher sequenzierten das Genom des Patienten, ließen die Daten durch Algorithmen zur Erkennung von Mutationen laufen und glichen sie mit öffentlichen Genom- und Krankheitsdaten ab. Gleichzeitig forderten sie klinische Standarddiagnosetests für Biomarker im Blut an, die mit genetisch bedingten Anfällen in Verbindung gebracht werden. Etwas mehr als acht Stunden später hatte das Team dank der schnellen Sequenzierungsdaten die Antwort: Die Krämpfe der jungen Patientin waren auf eine Mutation in einem Gen namens CSNK2B zurückzuführen

Hätte sich das Team nur auf die Standardtests verlassen, wäre zu diesem Zeitpunkt keine Diagnose gestellt worden, obwohl es wahrscheinlich ist, dass weitere Tests irgendwann die richtige Diagnose für den Patienten ans Licht gebracht hätten, so Ashley. "Wir hätten viele Wochen lang im Dunkeln getappt", sagte er.

Bei Standardtests wird das Blut eines Patienten auf Marker untersucht, die mit einer Krankheit in Verbindung gebracht werden, aber es wird nur nach einer Handvoll gut dokumentierter Gene gesucht. Kommerzielle Labors, die diese Tests häufig durchführen, aktualisieren die Moleküle, auf die sie testen, nur langsam, so dass es lange dauern kann, bis neu entdeckte krankheitsverursachende Mutationen in den Test integriert werden. Und das kann zu Fehldiagnosen führen.

Deshalb könnte die schnelle Genomsequenzierung für Patienten, die an seltenen genetischen Krankheiten leiden, eine große Chance sein, so Ashley. Die Wissenschaftler können das gesamte Genom eines Patienten auf alle in der wissenschaftlichen Literatur vorgeschlagenen Genvarianten untersuchen, selbst wenn das Gen erst am Vortag entdeckt wurde. Und wenn ein Patient zunächst keine genetische Diagnose erhält, besteht immer noch die Hoffnung, dass die Wissenschaftler später eine neue Genvariante finden, die mit der Krankheit des Patienten in Verbindung steht.

Das Interesse anderer Kliniker hat bereits begonnen, sich zu melden. "Ich weiß, dass die Leute in Stanford gehört haben, dass wir innerhalb weniger Stunden eine genetische Diagnose stellen können, und sie sind begeistert davon", so Ashley. "Genetische Tests werden nicht als Tests angesehen, die schnell ein Ergebnis liefern. Aber wir sind dabei, diese Vorstellung zu ändern