为危重婴儿提供诊断洞见！快速基因组测序效用凸显

2022-10-25 生物探索网络

世界上有近7000种罕见病，其中约80%的罕见病是源于基因缺陷导致的遗传病，而新生儿往往是罕见遗传病的重灾区，很多孩子因为得不到及时救治甚至活不过5岁。

摘要：在所有类型的罕见病中，高达80%的罕见病为遗传性，这意味着对疾病原因的阐释可以借助测序技术进行。在最近一项综述研究中，研究人员重点关注了快速诊断在儿科和新生儿童重症监护病房的罕见病危重婴儿中的应用。这一特殊群体由于尚未完全发育，基因检测可能是诊断疾病的最佳方式。另外，早期诊断为危重婴儿的临床管理提供了有效指导，可以减少治疗时间并改善治疗结果。

世界上有近7000种罕见病，其中约80%的罕见病是源于基因缺陷导致的遗传病，而新生儿往往是罕见遗传病的重灾区，很多孩子因为得不到及时救治甚至活不过5岁。在我国，由于人口基数庞大，罕见病患者总数还是令人望而生畏。罕见病不罕见，但就目前医疗现状来说，检测难、确诊难、治疗难、费用贵，是诸多罕见病儿童得不到救治的主要原因。如果能在基因检测阶段就诊断出遗传性疾病，或许会为很多危重婴儿争取疾病治疗的机会！

在危重婴儿诊断方面，快速全基因组测序具有一定实用性。随着分子诊断技术中基因测序的发展，以全基因组测序（Whole genome sequencing，WGS）技术为代表的新型罕见病诊断方式，可能会为危重婴儿带来更大的生存希望。基因检测在遗传相关疾病的诊断中发挥着重大价值，基因诊断技术的应用可以及时明确病因，为危重婴儿争取更多的治疗时间窗，为医生提供针对性治疗决策，从而最大可能避免不良结局。

在过去的二十年中，下一代测序技术的进步改变了科学家们对人类遗传变异的理解，并对他们诊断患有罕见遗传疾病的患者的能力产生了深远影响。近日，来自英国卡迪夫大学医学院的学者在一篇综述中讨论了快速基因测序（rapid whole genome sequencing，rWGS）技术用于诊断患有疑似罕见病的危重婴儿。相关研究结果以“Rapid genome sequencing for pediatrics”为题发表在了Human Mutation上，研究认为有足够令人信服的证据表明快速基因组测序在患有疑似单基因疾病的危重儿童中的效用，快速诊断可以改善危重患儿的临床管理，使患儿得到快速治疗，同时降低医疗成本。

图1 研究成果（图源：[1]）

针对WGS的局限性，科研人员从2012年起在测序及诊断时长上不懈努力：2012年5月，Saunders等采用rWGS技术在50h内诊断新生儿遗传疾病；2015年10月，该团队将技术诊断时长缩短至26h；2019年4月，该团队建立了人工智能快速全基因组自动分析诊断系统，整个诊断可在24h内完成。

本文这项研究提到了快速基因组测序（包括rWGS和rWES）在危重儿童中的应用现状，主要如下：

■ 自从2019年10月以来，英格兰的国家卫生服务已对重症儿童实施rWES，该测试适用于疑似单基因疾病的危重儿童，在第一年注册的361名儿童中，38%接受了诊断。

■ 威尔士于2020年4月启动了“威尔士婴幼儿基因组服务”，有45个家庭在服务开始的前两年完成了测试，其中17名儿童被鉴定出存在致病性或可能的致病性变异。平均报告时间为9个日历日，诊断率方面，在具有神经（57%）或代谢（60%）表型的儿童中确定了最高的诊断率，总体诊断率为37.5%。

■ “Project Baby Bear”是美国第一个使用rWGS作为疑似罕见遗传病危重新生儿一线诊断测试的国家资助计划，在18个月内收集的数据显示，rWGS的诊断率为43%。调查结果使得31%危重新生儿的护理发生变化，同时节省了250万美元的医疗保健费用。

■ 澳大利亚基因组学急性护理计划以2016-2017年在两家医院实施rWES的经验为基础，为危重患儿提供诊断。这项计划为52.5%的患儿提供了诊断，改变了57%的患儿的临床管理，同时降低了医疗成本。最近一项扩大研究显示了实施rWES的可行性，其在5天内向108名患者提供诊断结果，诊断率为51%，平均报告时间为3.3天。

以上这些计划的推行突出了儿科快速诊断领域取得的惊人进展，以及将其从研究工作转化为常规临床试验。但是在临床环境中实施快速基因组测序等测试仍然存在诸多挑战。

一方面，样品制备、测序和生物信息学是快速全基因组诊断中存在的挑战，需要仔细规划和彻底验证，以确保样品路径中的所有阶段都是准确和优化的。

为了使快速基因组测序在临床上有用并在经济上有效，必须优化工作流程中的所有步骤以平稳高效地运行。在样本制备方面，要优化步骤缩短时间。在测序方面，需要访问适当的测序平台及时处理样本，比如Illumina测序仪通常被临床实验室和研究人员用作标准设备，对于人类全基因组测序来说，建议使用NovaSeq系统。

基因组测序运行的输出结果是一组fastq文件，其中包含数百万/数十亿个DNA碱基的序列数据以及质量评分指标。为了获取这些数据并将其转换为可管理的遗传变异信息，需要高效、准确和经过验证的生物信息学分析流程。信息分析极其耗时，因此选择适合分析任务的软件是管道准确性和运行时间的关键。

图2 典型的生物信息学全基因组测序分析流程（图源：[1]）

上图是典型的生物信息学全基因组测序分析流程，这些过程是可以进行优化的。例如，使用具有批处理系统的高性能计算集群，以实现任务的并行化；使用复杂的工作流语言，如nextflow和snakemake；使用简单的解决方案，如将排序器联网以允许将数据直接保存到计算集群。

实施快速基因组测序不仅存在以上提到的技术挑战，还存在伦理和实践挑战。

研究人员还提出了几种未来的快速检测策略，包括转录组学、表观基因组学、蛋白质组学和代谢组学。其中转录组学作为辅助诊断工具的使用已经进行了广泛审查，转录组范围的RNA-seq数据可用于通过优先考虑被基因组测序忽略或完全过滤掉的致病变异来简化和指导下游分析。RNA-seq已被证明可以识别仅通过基于DNA的检测而遗漏的致病变异，从而将各种罕见病的诊断率提高7.5%-36%。

此外，Expert Review of Molecular Diagnostics上发表了一篇题为“Diagnostic utility of rapid sequencing in critically ill infants: a systematic review and meta-analysis”的文章。这篇研究论文通过搜集文献对23项研究进行荟萃分析，发现快速基因组测序的综合诊断效用为0.42，rWES和rWGS的综合诊断率分别为0.5和0.37。最终得出了“快速基因组测序对危重婴儿具有良好的诊断效用”这一结论。

图3 研究成果（图源：[2]）

综上，以上表明，快速基因组测序可以为危重婴儿提供有效的诊断洞见，且效用明显，快速诊断不仅会改善危重患儿的临床管理，为患儿争取疾病治疗的机会，同时也会降低医疗负担。

撰文|木子久

排版|乔维钧

End

参考资料：

[1]Jezkova J, Shaw S, Taverner NV, et al. Rapid genome sequencing for pediatrics. Hum Mutat. 2022 Sep 10. doi: 10.1002/humu.24466. Epub ahead of print. PMID: 36086948.

[2]Xiao F, Yan K, Tang M, et al. Diagnostic utility of rapid sequencing in critically ill infants: a systematic review and meta-analysis. Expert Rev Mol Diagn. 2022 Aug;22(8):833-840. doi: 10.1080/14737159.2022.2123704. Epub 2022 Sep 12. PMID: 36082848.

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