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Une nouvelle technique de séquençage de l'ADN permet de diagnostiquer des maladies génétiques rares en 5 heures

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Une nouvelle méthode de séquençage ultra-rapide du génome, mise au point par des scientifiques de Stanford Medicine et leurs collaborateurs, a permis de diagnostiquer des maladies génétiques rares en huit heures en moyenne - un exploit quasiment inédit dans le cadre des soins cliniques standard.

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"Quelques semaines, c'est ce que la plupart des cliniciens appellent "rapide" lorsqu'il s'agit de séquencer le génome d'un patient et de rendre les résultats", a déclaré Euan Ashley, MB, professeur de médecine, de génétique et de science des données biomédicales à Stanford.

Le séquençage du génome permet aux scientifiques de voir la composition complète de l'ADN d'un patient, qui contient des informations sur tout, de la couleur des yeux aux maladies héréditaires. Le séquençage du génome est essentiel pour diagnostiquer les patients atteints de maladies qui trouvent leur origine dans leur ADN : Une fois que les médecins connaissent la mutation génétique spécifique, ils peuvent adapter les traitements en conséquence.

Aujourd'hui, une approche de méga-séquençage conçue par Ashley et ses collègues a redéfini le terme "rapide" pour les diagnostics génétiques : Leur diagnostic le plus rapide a été réalisé en un peu plus de sept heures. Un diagnostic rapide signifie que les patients peuvent passer moins de temps dans les unités de soins intensifs, nécessiter moins de tests, se rétablir plus rapidement et dépenser moins en soins. Il est à noter que le séquençage plus rapide ne sacrifie pas la précision.

Un article décrivant les travaux des chercheurs est publié dans The New England Journal of Medicine. M. Ashley, doyen associé de la faculté de médecine de Stanford et titulaire de la chaire Roger et Joelle Burnell en génomique et en santé de précision, est l'auteur principal de l'article. Le chercheur postdoctoral John Gorzynski, DVM, PhD, est l'auteur principal.

En route pour établir un record

En moins de six mois, l'équipe a recruté et séquencé les génomes de 12 patients, dont cinq ont reçu un diagnostic génétique à partir des informations de séquençage, dans le temps qu'il faut pour terminer une journée au bureau. (Toutes les maladies ne sont pas d'origine génétique, ce qui est probablement la raison pour laquelle certains des patients n'ont pas reçu de diagnostic après le retour de leurs informations de séquençage, a déclaré Ashley) Le taux de diagnostic de l'équipe, d'environ 42 %, est supérieur d'environ 12 % au taux moyen de diagnostic des maladies mystérieuses.

Dans l'un des cas, il a fallu 5 heures et 2 minutes pour séquencer le génome d'un patient, ce qui a permis d'établir le premier titre du Guinness World Records pour la technique de séquençage d'ADN la plus rapide. Le record a été certifié par le groupe "Genome in a Bottle" du National Institute of Science and Technology et est documenté par le Guinness World Records.

"C'était juste un de ces moments incroyables où les bonnes personnes se sont soudainement réunies pour réaliser quelque chose d'incroyable", a déclaré Ashley. "J'ai vraiment eu l'impression que nous approchions d'une nouvelle frontière"

Le temps nécessaire pour diagnostiquer ce cas était de 7 heures et 18 minutes, ce qui, à la connaissance d'Ashley, est environ deux fois plus rapide que le précédent record pour un diagnostic basé sur le séquençage du génome (14 heures) détenu par le Rady Children's Institute. Quatorze heures, c'est tout de même une rapidité impressionnante, selon Mme Ashley. Les scientifiques de Stanford prévoient de proposer un délai inférieur à 10 heures aux patients des unités de soins intensifs de l'hôpital de Stanford et de l'hôpital pour enfants Lucile Packard de Stanford - et, à terme, à d'autres hôpitaux également.

Accélérer

Pour atteindre des vitesses de séquençage ultrarapides, les chercheurs avaient besoin d'un nouveau matériel. Ashley a donc contacté des collègues d'Oxford Nanopore Technologies qui avaient construit une machine composée de 48 unités de séquençage appelées cellules de flux. L'idée était de séquencer le génome d'une seule personne en utilisant simultanément toutes les cellules à flux. L'approche de la méga-machine a été un succès - presque trop. Les données génomiques ont submergé les systèmes informatiques du laboratoire

"Nous n'étions pas en mesure de traiter les données assez rapidement", a déclaré Ashley. "Nous avons dû repenser et réorganiser complètement nos pipelines de données et nos systèmes de stockage" Sneha Goenka, étudiante diplômée, a trouvé un moyen d'acheminer les données directement vers un système de stockage en nuage où la puissance de calcul pouvait être suffisamment amplifiée pour passer les données au crible en temps réel. Des algorithmes ont ensuite analysé de manière indépendante le code génétique entrant à la recherche d'erreurs susceptibles de provoquer des maladies. Enfin, les scientifiques ont comparé les variantes génétiques du patient avec les variantes connues pour provoquer des maladies

Du début à la fin, l'équipe a cherché à accélérer chaque aspect du séquençage du génome d'un patient. Les chercheurs ont littéralement transporté des échantillons à pied jusqu'au laboratoire, de nouvelles machines ont été installées pour permettre le séquençage simultané du génome, et la puissance de calcul a été augmentée pour traiter efficacement des ensembles de données massifs. Aujourd'hui, l'équipe optimise son système pour réduire encore davantage le temps. "Je pense que nous pouvons encore le réduire de moitié", a déclaré Ashley. "Si nous y parvenons, nous pourrons obtenir une réponse avant la fin d'une visite à l'hôpital. C'est un saut spectaculaire."

Séquençage à lecture longue

La caractéristique la plus importante de la capacité de l'approche diagnostique à repérer rapidement les fragments d'ADN suspects est sans doute l'utilisation de ce que l'on appelle le séquençage à long terme. Les techniques traditionnelles de séquençage du génome découpent le génome en petits morceaux, indiquent l'ordre exact des paires de bases d'ADN dans chaque morceau, puis reconstituent l'ensemble en utilisant un génome humain standard comme référence. Mais cette approche ne permet pas toujours de saisir l'intégralité de notre génome, et les informations qu'elle fournit peuvent parfois omettre des variations dans les gènes qui permettent de poser un diagnostic. Le séquençage à long terme préserve de longues portions d'ADN composées de dizaines de milliers de paires de bases, offrant une précision similaire et plus de détails pour les scientifiques qui recherchent des erreurs dans la séquence.

"Les mutations qui se produisent sur une grande partie du génome sont plus faciles à détecter avec le séquençage à long terme. Il existe des variantes qu'il serait presque impossible de détecter sans une approche de type long-read", a déclaré M. Ashley. C'est aussi beaucoup plus rapide : "C'est l'une des principales raisons pour lesquelles nous avons opté pour cette approche."

Ce n'est que récemment que les entreprises et les chercheurs ont suffisamment affiné la précision de l'approche à lecture longue pour pouvoir l'utiliser à des fins de diagnostic. Cette évolution et la baisse de son prix, autrefois élevé, ont créé une opportunité pour l'équipe d'Ashley. À sa connaissance, cette étude est la première à démontrer la faisabilité de ce type de séquençage à lecture longue comme élément de base du diagnostic médical.

Au cours de l'étude, l'équipe d'Ashley a proposé la technique de séquençage accéléré du génome à des patients non diagnostiqués dans les unités de soins intensifs des hôpitaux de Stanford. Ils ont fourni aux patients de l'étude des tests standards de soins établis en même temps que le séquençage génétique rapide expérimental, avec lequel ils ont cherché des réponses à deux questions importantes : La génétique est-elle responsable de l'affection du patient ? Si c'est le cas, quelles sont les erreurs d'ADN spécifiques qui causent des problèmes ?

Le mystère du cœur

Telles étaient les principales questions entourant le cas de Matthew Kunzman, dans l'Oregon. Il y a environ un an, alors que Matthew avait 13 ans, une toux incommodante et une forte fièvre l'ont conduit dans le cabinet d'un médecin local. "Nous pensions que c'était la grippe, ou peut-être le COVID", a déclaré Jenny Kunzman, la mère de Matthew. Il s'est avéré que la toux était le premier signe d'une maladie cardiaque appelée myocardite (inflammation du cœur), qui empêche l'organe de pomper le sang vers le reste du corps. Des examens ultérieurs à l'hôpital local de Matthew ont révélé une situation catastrophique : Son cœur était défaillant. Son médecin a recommandé à la famille de s'envoler immédiatement vers l'hôpital de Stanford pour y recevoir des soins.

Quelques heures plus tard, Matthew et son père, Matthew Kunzman Sr, arrivent à l'hôpital de Stanford. Jenny Kunzman arrive un jour plus tard et constate que l'état de son fils s'est aggravé. Matthew était sous assistance respiratoire.

Selon Mme Ashley, il y a deux raisons pour lesquelles un enfant de 13 ans en bonne santé peut souffrir de ce type d'insuffisance cardiaque. L'une est connue sous le nom de myocardite et se produit lorsque les cellules immunitaires envahissent le cœur, souvent déclenchée par un virus ou un autre stress corporel. L'autre est une cause génétique, une mutation dans un gène impliqué dans la fonction cardiaque.

Selon Mme Ashley, il est essentiel de faire la différence. "La myocardite est souvent réversible", a-t-il dit. "Avec un traitement, le cœur peut revenir à la normale. Mais une maladie génétique ne l'est pas. Si la maladie de Matthew était génétique, la seule solution serait probablement une transplantation cardiaque."

Gorzynski a contacté les parents de Matthew, leur expliquant la recherche sur le séquençage rapide, et leur a demandé s'ils souhaitaient inscrire le garçon à l'étude. "Ils nous ont dit qu'il y avait une toute nouvelle recherche sur laquelle ils travaillaient pour essayer d'accélérer le processus de diagnostic", a déclaré Jenny Kunzman. ils nous ont demandé si nous étions prêts à participer, et nous avons répondu "Absolument" Nous voulions obtenir le plus d'informations possible pour essayer de trouver la cause de la maladie."

Avec quelques millilitres du sang de Matthew, l'équipe a commencé le processus de séquençage génétique rapide. "En quelques heures, les données de séquençage ont montré que l'affection était d'origine génétique", a déclaré Ashley.

Fort de cette information, Matthew a été immédiatement inscrit sur une liste de transplantation cardiaque. Vingt et un jours plus tard, il recevait un nouveau cœur ; aujourd'hui, environ un an après, sa mère dit qu'il se porte "exceptionnellement bien"

Crises suspectes

Dans un autre cas, un patient de trois mois s'est présenté aux urgences pédiatriques de Stanford avec des crises inexpliquées. Il était clair que le nourrisson souffrait d'une forme d'épilepsie, mais la cause exacte des symptômes était inconnue

Les chercheurs ont séquencé le génome du patient, en soumettant les données à des algorithmes de détection des mutations et en recoupant les données génomiques et pathologiques publiques. Ils ont simultanément demandé un test de diagnostic clinique standard pour les biomarqueurs sanguins associés aux crises d'origine génétique. Un peu plus de huit heures plus tard, grâce aux données de séquençage rapide, l'équipe avait sa réponse : Les convulsions du jeune patient étaient dues à une mutation dans un gène appelé CSNK2B

Si l'équipe ne s'était appuyée que sur les tests standard, aucun diagnostic n'aurait été posé à ce moment-là, même s'il est probable que d'autres tests auraient fini par révéler le bon diagnostic pour le patient, a déclaré Ashley. "Nous serions restés dans l'ignorance pendant de nombreuses semaines", a-t-il ajouté.

Les tests standards recherchent dans le sang d'un patient des marqueurs associés à la maladie, mais ils ne recherchent qu'une poignée de gènes bien documentés. Les laboratoires commerciaux, qui effectuent souvent ces tests, sont lents à mettre à jour les molécules qu'ils dépistent, ce qui signifie qu'il peut s'écouler beaucoup de temps avant que les mutations pathogènes nouvellement découvertes soient intégrées au test. Et cela peut conduire à des diagnostics manqués.

C'est pourquoi le séquençage rapide du génome pourrait changer la donne pour les patients souffrant de maladies génétiques rares, a déclaré M. Ashley. Les scientifiques peuvent analyser l'ensemble du génome d'un patient pour détecter toutes les variantes génétiques suggérées par la littérature scientifique, même si ce gène n'a été découvert que la veille. En outre, si un patient ne reçoit pas initialement un diagnostic génétique, il y a toujours l'espoir que les scientifiques trouvent une nouvelle variante génétique liée à la maladie du patient par la suite.

L'intérêt d'autres cliniciens commence déjà à se manifester. "Je sais que les gens de Stanford ont entendu dire que nous pouvions établir un diagnostic génétique en quelques heures, et ils sont enthousiastes", a déclaré Ashley. "Les tests génétiques ne sont pas considérés comme des tests dont les résultats sont rapides. Mais nous sommes en train de changer cette perception."