Med hjälp av tekniska framsteg som ännu inte utvecklats när ebolautbrottet 2014 började, UC San Francisco-ledda forskare avslutade en proof-of-principe-studie på ett blodprov i realtid baserat på DNA-sekvensering som kan användas för att snabbt diagnostisera ebola och andra akuta infektioner. Forskarna sa att testet kan användas även där laboratorieutrymme och medicinsk infrastruktur är knapp.

Charles Chiu, MD, PhD, docent i laboratoriemedicin vid UCSF, ledde ett team som upptäckte de genetiska fingeravtrycken av ebola i lagrade blodprover från två afrikanska patienter som hade akut hemorragisk feber, slutföra diagnosen inom fem timmar efter att proverna öppnats – själva DNA-sekvenseringen tog bara 10 minuter.

De flesta kommersiellt tillgängliga eller forskningsbaserade genetiska diagnostiska testerna riktar sig mot specifika patogener. Men Chiu och UCSF-kollegor har banat väg för tekniker som inte kräver att misstänkta patogener identifieras i förväg för att upptäcka deras unika genetiska fingeravtryck. Denna opartiska metod att analysera allt DNA i ett kliniskt prov utan att veta vilka arter som finns, som användes för att upptäcka ebola, kallas "metagenomisk" analys.

För att få så snabba resultat utvecklade forskarna ny programvara för analys och visualisering och använde den på en bärbar dator för att dra nytta av en framväxande DNA-sekvenseringsteknologi känd som nanopore-sekvensering.

I samma uppsättning experiment, publiceras online i Genommedicin den 28 september, forskarna kunde upptäcka Chikungunya-virus, från ett utbrott i Puerto Rico, lika snabbt i ett blodprov från en givare utan symtom, men som så småningom rapporterade att de hade feber och ledvärk. I ett annat exempel på teknikens kraft, upptäckt av hepatit C-virus i blod från en infekterad UCSF-patient, förekommer i en mycket lägre koncentration än de andra virusen, tog bara 40 minuter från början av sekvenseringen.

"Denna punkt-of-care genomiska teknologi kommer att vara särskilt attraktiv i utvecklingsvärlden, där kritiska resurser, inklusive pålitlig elkraft, laboratorieutrymme, och beräkningsserverkapacitet, är ofta starkt begränsade, " sa Chiu.

Många företag utvecklar nanoporeteknologi, som särskiljer enskilda nukleinsyror genom de distinkta störningar de skapar i elektriska strömmar när de individuellt passerar genom mikroskopiska porer. Chius labbgrupp var en av de första att betala $1, 000 för tillgång till en experimentell DNA-nanopore-sekvenserare gjord av Oxford Nanopore Technologies, kallas MinION. Enheten är tillräckligt liten för att få plats i handflatan och drivs av en USB-anslutning till en bärbar dator.

Förra året, använder en liknande metagenomisk metod för att detektera patogener, Chiu slog sig ihop med UCSF-kollegor för att lösa ett medicinskt mysterium som lyftes fram i en New England Journal of Medicine fallstudie. Forskarna använde sin mjukvara och en annan DNA-sekvenseringsteknik för att analysera allt DNA i ett ryggradsvätskeprov, leder till diagnosen av en ovanlig men behandlingsbar bakteriell orsak till encefalit hos en kritiskt sjuk Wisconsin-pojke vars hälsa hade förvärrats i månader.

Den tidigare analysen tog två dagar. Upptäckten av ebola i den nya studien var snabbare eftersom nanopore-sekvensering ger data omedelbart och i realtid, till skillnad från tekniken som användes i Wisconsin-fallet, vilket tar mycket längre tid att tillhandahålla data för analys.

Nanopore-tekniken är ny och fortfarande felbenägen, Chiu sa, men hastigheten och precisionen förbättras i snabb takt. Med den tid som krävs för DNA-sekvensering, analys och rapportering är nu nedskuren till minuter, Chiu har siktet inställt på att effektivisera och automatisera provberedningssteget, som fortfarande tar flera timmar, för användning i både kliniska laboratorier och fältmiljöer.

"Så vitt vi vet, detta är första gången som nanopore-sekvensering har använts för metagenomisk detektering i realtid av patogener i komplexa kliniska prover vid mänskliga infektioner, "Sade Chiu. "Opartisk point-of-care-testning för patogener genom snabb metagenomisk sekvensering har potentialen att radikalt förändra diagnostik av infektionssjukdomar i både kliniska och folkhälsomiljöer."