纳米孔SEQ的实时基因组监测

关于疫情控制的教训通常是艰苦的学习方式。那么,我们从最近爆发的埃博拉病毒和其他疾病中学到了什么?测序技术的最新发展如何能帮助我们在未来应用这些知识?

2014年8月28日,杂志科学发表一个重要的文章: 99个埃博拉病毒基因组测序结果。自那一年5月早些时候塞拉利昂确认了几例埃博拉病例以来,与地方当局合作的科学家们开始将样本发送给布罗德研究所,在那里对这些样本进行了进一步的测序和分析。这项研究让我们了解了这种疾病的起源,以及它是如何随着流行病传播而演变的。

这项研究在科学和医学上都非常重要,是克服无数挑战的一个例子。在研究埃博拉病毒基因组的过程中,科学家们开发了新的方法,这将使未来的类似研究更容易、更快和更容易实现(一种这样的计算方法发表在基因组生物学对传染病的特刊)。我们只能想象一下必须被削减的繁文缛节,并且在非洲出境的(可能的生物学上危险的)患者样品的物流和运输的物流和成本。随着我们今天也知道,结果来了以巨大的个人成本对很多人。

然而,对于1500多名当时已经死亡的患者来说,这项研究来得太晚了(另外8500人将在接下来的几个月里跟进)。今天,我们可以推测:如果在疫情早期,塞拉利昂的医生可以很容易地获得测序技术,是否可能更快地控制住疾病的传播?

当然,要回答这个问题是相当不可能的;而说获得技术的问题可以更早地扭转非洲的潮流,将是对医生、科学家和地方当局面临的极其困难的局面的残酷和不公平的评估。然而,一旦我们将最近埃博拉疫情的复杂和充满情绪的情况与抽象的假设流行病情景分开,我们就不得不停下来思考:现场基因组学监测是疫情控制的未来吗?我是说,肯定是,不是吗?

奴才有助于沙门氏菌

最简单的解决办法就是在地球上的每一家医院都安装一个测序仪。然后,当我们停止梦想时,我们可以问——有没有更现实的选择?答案是肯定的,并且伴随着测序技术的最新发展,纳米孔测序。

故事要追溯到2014年初夏的另一次疫情。这件事发生在英国,媒体很少报道。但其结果可能——很可能将——对我们未来将面临的所有大型流行病都有巨大的影响。

今年6月,一个沙门氏菌在伯明翰的心脏地带医院爆发导致8个病房关闭.这次爆发是突然的,并被证明是一个新技术的绝佳试验场,该技术由位于牛津的牛津纳米孔技术公司(Oxford Nanopore Technologies)支持,该公司是有史以来第一个微型便携式DNA测序仪的制造商。由彼得·霍基和尼克·洛曼领导的伯明翰大学的一组研究人员开始使用小黄人装置来确定流行病的起源。结果现在发表基因组生物学

一旦测序库准备好,只需3小时的测序和详细分析。
一旦测序库准备好,只需3小时的测序和详细分析。
《生物医学工程学报》(2015),16:114。

这项研究(至少)展示了ONT设备的两个非常令人印象深刻的方面。首先,这是第一次应用便携式测序仪在临床设置。虽然在伯明翰用MinION获得的结果得到了更成熟的Illumina技术(MiSeq)的证实,但它们证明了一种设备可以用于其他更大、更昂贵的测序机根本无法获得的领域。

另一方面是取得有意义和可采取行动的结果的速度。除了测序库的准备(这将是任何测序技术的限制步骤),测序本身和数据分析确实可以非常快:研究人员能够识别沙门氏菌血清在半小时内成为负责任的物种!再过50分钟,他们就知道了肠炎的血清型,再过100分钟左右,他们就能判断他们观察到的菌株是否属于疫情群集。换句话说,在将样本放入测序器3小时后,他们就知道自己与疫情的关系了。

将理论转化为实践

现在,我们知道这些机器以及他们所做的工作,是时候把它们到一个合适的测试:是否可能采取一个便携式音序器远程位置和有效地使用它的方式通知当地公共卫生反应。

这就是测序的民主化。


约书亚·奎克,伯明翰大学

这就是现在正在发生的事情。本月早些时候,自然新闻节据报道在旅行中书的第一作者约书亚·奎克基因组生物学这篇文章是今年4月在几内亚发表的。5月中旬在伦敦举行的牛津纳米孔技术研讨会上,奎克本人对这次旅行作了更详细的报道。

简而言之,Quick打包了两个小手提箱,里面装满了必需品:MinION测序仪(当然是)、PCR仪、消耗品和试剂。然后飞往几内亚,会见该国一家医院的一个空房间,他在那里建立了一个实验室,并在接下来的12天里对14名埃博拉患者的样本进行了测序——其中一人在样本采集48小时内获得了结果。

左边是为几内亚之行准备的实验室设备。右边是用来分析埃博拉患者样本的实验室。
左边是为几内亚之行准备的实验室设备。右边是用来分析埃博拉患者样本的实验室。
Nick Loman, Josh Quick,伯明翰大学微生物与感染研究所

但尼克·洛曼实验室的这个最新项目并不是唯一一个让小黄人设备经受煎熬的项目:另外两位演讲者,英国公共卫生部的Miles Carroll和美国国立卫生研究院的Thomas Hoenen,也报告了研究埃博拉流行病学监测的项目,而东京大学的Yutaka Suzuki描述了在印度尼西亚对登革热的类似工作。

君在何处,nanopore-seq ?

在伦敦给另一位纳米测序爱好者爱丁堡的米克·沃森打电话时,宣布

的确如此,但值得记住的是,有几条警告仍然存在。

像任何新兴技术一样,ONT提供的纳米孔测序技术虽然不错,但仍然可以做得更好。我们应该期待技术本身的改进,例如膜的可怕化学反应,或者纳米孔酶的可怕化学反应。我们还应该期待辅助设备的发展——事实上,我们已经看到ONT在本月早些时候兑现了承诺(和前提):更容易、更快地准备样品的液体处理系统,分析软件的改进等等。

影响可移植序列实用性的一个主要障碍是对Internet的访问,因为许多MinION分析是在云中进行的。奎克(现在很出名)为他的14个病人使用了17张SIM卡。这样看来,远程疫情监测最昂贵的部分可能不是测序,而是数据传输。有趣的是,这个问题也许可以通过另一个惊人的技术项目来解决:谷歌的项目笨蛋

牛津纳米孔技术似乎在测序技术上取得了重大飞跃:不仅是如何实现的,而且最重要的是,它可以用于什么。他们有趣的营销策略使他们成为第四代测序的领跑者,但我们应该不耐烦地等待其他人迅速效仿。因为越来越清楚的是,纳米孔是基因组学的未来。

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