Για πρωτοποριακή γενετική τεχνική, η οποία συνέβαλε στον εντοπισμό του ιού που προκαλεί την COVID-19, αξιοποιείται πλέον όλο και περισσότερο στα νοσοκομεία, βοηθώντας τους γιατρούς να διαγιγνώσκουν δύσκολες λοιμώξεις και να λαμβάνουν κρίσιμες αποφάσεις για τη θεραπεία των ασθενών.

Η μεταγονιδιωματική ανάλυση (metagenomic testing) επιτρέπει τον εντοπισμό γενετικού υλικού από διαφορετικούς μικροοργανισμούς σε ένα δείγμα, ακόμη και όταν πρόκειται για παθογόνα που δεν έχουν προηγουμένως αναγνωριστεί. Σε αντίθεση με τις συμβατικές εξετάσεις, οι οποίες αναζητούν συγκεκριμένους ιούς ή βακτήρια, η συγκεκριμένη μέθοδος εξετάζει ένα πολύ ευρύτερο φάσμα πιθανών αιτιών μιας ασθένειας.

Η τεχνολογία αυτή αποκτά ιδιαίτερη σημασία σε περιπτώσεις όπου ο χρόνος είναι καθοριστικός, όπως σε σοβαρές λοιμώξεις, σηψαιμία και ασθένειες που προσβάλλουν τον εγκέφαλο και το νευρικό σύστημα. Παράλληλα, σε συνδυασμό με την τεχνητή νοημοσύνη, μπορεί να συμβάλει στην ταχύτερη ανάλυση των αποτελεσμάτων και στην επιλογή πιο στοχευμένων θεραπειών.

Πώς εντοπίστηκε ο κορωνοϊός

Στα τέλη Δεκεμβρίου του 2019, ομάδα ιολόγων από τρεις μεγάλες κινεζικές πόλεις άρχισε να αναλύει δείγματα από ασθενείς που νοσηλεύονταν με σοβαρή πνευμονία άγνωστης αιτιολογίας. Οι ασθενείς είχαν βρεθεί στην αγορά θαλασσινών Χουανάν, στη Γουχάν, πριν εμφανίσουν τα συμπτώματα.

Οι αρχικές αναλύσεις δεν επέτρεψαν την ταυτοποίηση κάποιου γνωστού παθογόνου. Οι επιστήμονες στράφηκαν τότε στη μεταγονιδιωματική ανάλυση, η οποία τους επέτρεψε να εξετάσουν το γενετικό υλικό των μικροοργανισμών που υπήρχαν στα δείγματα.

Με τη μέθοδο αυτή διαπίστωσαν ότι το παθογόνο παρουσίαζε στενή γενετική συγγένεια με τους κορωνοϊούς, μια οικογένεια ιών στην οποία ανήκουν και παθογόνα που είχαν προκαλέσει στο παρελθόν σοβαρές αναπνευστικές λοιμώξεις, όπως το σύνδρομο Μέσης Ανατολής (MERS).

«Ήταν μια αλλαγή που έκανε τη διαφορά σε σύγκριση με προηγούμενες πανδημίες», αναφέρει ο Νιραντζάν Ναγκαρατζάν, αναπληρωτής καθηγητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης.

Η ταυτοποίηση του νέου ιού επέτρεψε την ταχύτερη ανάπτυξη διαγνωστικών εξετάσεων και ενίσχυσε τις διεθνείς προσπάθειες για την αναζήτηση θεραπειών και εμβολίων.

Η διάγνωση που μπορεί να αποτρέψει μια μεταμόσχευση

Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές της μεταγονιδιωματικής ανάλυσης αφορά ασθενείς με συμπτώματα που μπορεί να υποδηλώνουν μηνιγγίτιδα ή εγκεφαλίτιδα. Ο πυρετός, ο πονοκέφαλος, η σύγχυση και η υπνηλία μπορεί να αποτελούν ενδείξεις σοβαρών παθήσεων που απαιτούν άμεση αντιμετώπιση.

Ωστόσο, οι γιατροί καλούνται συχνά να αποφασίσουν εάν τα συμπτώματα οφείλονται σε βακτήριο, ιό ή αυτοάνοση αντίδραση, καθώς η θεραπεία διαφέρει σημαντικά ανάλογα με την αιτία.

Ο Τσαρλς Τσιού, καθηγητής και ειδικός στις λοιμώδεις νόσους στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο, έχει αναπτύξει μαζί με τους συνεργάτες του μια εξειδικευμένη μεταγονιδιωματική εξέταση για την ανίχνευση παθογόνων στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό, το οποίο περιβάλλει τον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό.

Η εξέταση έχει ήδη συμβάλει στον εντοπισμό περιπτώσεων στις οποίες η αιτία της ασθένειας παρέμενε άγνωστη στους θεράποντες γιατρούς.

Σε μία χαρακτηριστική περίπτωση, ασθενής που είχε διαγνωστεί με μηνιγγίτιδα και ηπατική ανεπάρκεια επρόκειτο να υποβληθεί σε μεταμόσχευση ήπατος. Ωστόσο, η ανάλυση του εγκεφαλονωτιαίου υγρού αποκάλυψε ότι είχε προσβληθεί από τον ιό της ηπατίτιδας Ε.

Καθώς η συγκεκριμένη λοίμωξη αποτελεί γνωστή και αντιμετωπίσιμη αιτία ηπατικής νόσου, η διάγνωση άλλαξε την πορεία της θεραπείας.

«Της χορηγήσαμε αντιική αγωγή, η κατάστασή της βελτιώθηκε και την γλιτώσαμε από τη μεταμόσχευση», ανέφερε ο Τσιού.

Η τεχνητή νοημοσύνη επιταχύνει την ανάλυση

Μέχρι πρόσφατα, βασικό εμπόδιο στην ευρύτερη αξιοποίηση της μεταγονιδιωματικής ήταν ο χρόνος που απαιτούνταν για την επεξεργασία των αποτελεσμάτων. Η ανάλυση του γενετικού υλικού, ο διαχωρισμός του ανθρώπινου DNA από εκείνο των μικροοργανισμών και η αναζήτηση ενδείξεων για επικίνδυνα παθογόνα απαιτούσαν εξειδικευμένο εξοπλισμό και γνώσεις.

Η διαδικασία μπορούσε να διαρκέσει αρκετές ημέρες ή ακόμη και μία εβδομάδα, καθυστέρηση που σε κρίσιμα περιστατικά ενδέχεται να αποβεί μοιραία.

Σήμερα, οι εξελίξεις στην αλληλούχιση DNA επιτρέπουν την ολοκλήρωση ορισμένων διαδικασιών σε μία έως δύο ώρες, ενώ εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να αναλύουν μεγάλους όγκους δεδομένων και να εντοπίζουν μοτίβα που διαφορετικά θα ήταν δύσκολο να αναγνωριστούν.

Η συμβολή της τεχνητής νοημοσύνης είναι ιδιαίτερα σημαντική, καθώς τα δείγματα μπορεί να περιέχουν γενετικό υλικό από ακίνδυνους μικροοργανισμούς ή από επιμολύνσεις που προέρχονται από το εργαστήριο. Τα συστήματα ανάλυσης μπορούν να περιορίζουν αυτόν τον «θόρυβο», διευκολύνοντας τον εντοπισμό των παθογόνων που ενδέχεται να ευθύνονται για τα συμπτώματα.

Επιπλέον, ένας ασθενής μπορεί να έχει ταυτόχρονα περισσότερες από μία λοιμώξεις, χωρίς να προκαλούν όλες την ίδια βλάβη. Σε άλλες περιπτώσεις, τα συμπτώματα μπορεί να οφείλονται σε υπερβολική αντίδραση του ανοσοποιητικού συστήματος και όχι σε ενεργή λοίμωξη.

Η ανάλυση της γονιδιακής έκφρασης, δηλαδή του τρόπου με τον οποίο ενεργοποιούνται τα γονίδια και παράγονται πρωτεΐνες, μπορεί να προσφέρει πρόσθετες ενδείξεις για το πώς αντιδρά ο οργανισμός.

Στόχος είναι η ανάπτυξη πιο εξατομικευμένων θεραπειών, προσαρμοσμένων στα χαρακτηριστικά και στις ανάγκες κάθε ασθενούς.

Νέα εργαλεία για την πρόληψη μελλοντικών επιδημιών

Η μεταγονιδιωματική ανάλυση δεν περιορίζεται στη διάγνωση μεμονωμένων ασθενών. Θα μπορούσε να συμβάλει και στην έγκαιρη αναγνώριση νέων απειλών για τη δημόσια υγεία.

Πιλοτική μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε δύο νοσοκομεία του Λονδίνου εξέτασε τη χρησιμότητα της τεχνικής σε ασθενείς που νοσηλεύονταν με αναπνευστικές λοιμώξεις.

Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν, οι εξετάσεις εντόπισαν παθογόνα τα οποία δεν ανιχνεύονται συνήθως με τις καθιερωμένες διαγνωστικές μεθόδους σε ποσοστό 30% των περιπτώσεων.

Σε μία περίπτωση, η εξέταση βοήθησε να αποφευχθεί μια επεμβατική χειρουργική διαδικασία, καθώς αποκάλυψε ότι ο ασθενής έπασχε από φυματίωση και όχι από καρκίνο του πνεύμονα, όπως είχε αρχικά θεωρηθεί.

Η ίδια έρευνα εντόπισε επίσης δύο περιστατικά λοίμωξης από τον παρβοϊό B19, μήνες πριν από την έκδοση προειδοποιήσεων από βρετανικές και ευρωπαϊκές αρχές δημόσιας υγείας για την αυξημένη κυκλοφορία του ιού.

Στη Σιγκαπούρη, παράλληλα, εργαστήρια αξιοποιούν τη μεταγονιδιωματική ανάλυση σε δείγματα λυμάτων και αέρα. Τα δεδομένα εξετάζονται με τη βοήθεια μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης, τα οποία αναζητούν ενδείξεις για την εμφάνιση νέων ιών.

Η προσέγγιση αυτή θα μπορούσε να ενισχύσει την επιτήρηση της δημόσιας υγείας και να προσφέρει έγκαιρες προειδοποιήσεις για πιθανές επιδημίες.

Ενδεικτική είναι και η περίπτωση της COVID-19: αναλύσεις λυμάτων στην Ιταλία εντόπισαν ίχνη του ιού αρκετούς μήνες πριν από την επιβεβαίωση των πρώτων κρουσμάτων στη χώρα.

Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται και η ανάλυση των αποτελεσμάτων γίνεται ταχύτερη, η μεταγονιδιωματική αναμένεται να αποκτήσει σημαντικότερο ρόλο τόσο στην κλινική διάγνωση όσο και στην επιτήρηση νέων λοιμωδών απειλών. Η αποτελεσματικότητά της, ωστόσο, εξακολουθεί να εξαρτάται από την ποιότητα των δειγμάτων, την αξιοπιστία της ανάλυσης και την ορθή ερμηνεία των ευρημάτων από τους ειδικούς.