一年前，美國俄勒岡州的昆茲曼一家遇到了些意外——13歲的馬修·昆茲曼（Matthew Kunzman）突然咳嗽不已，並伴有高燒。在疫情期間，任何類似新冠的症狀都會引起人的高度警覺，而醫生的診斷結果喜憂參半：好訊息是馬修沒有得新冠，壞訊息是馬修的症狀可能源自心臟。
▲馬修·昆茲曼是受益於這項技術12名患者之一（圖片來源：參考資料[2]；Courtesy of Jenny Kunzman）
當地的醫生告訴馬修的父母，他的身上有心肌炎的徵兆。這是一種心臟出現的炎症，使這個重要器官難以維持正常功能，無法把足夠的血液送至全身。後續的檢測結果證實了這一猜測：馬修的心臟功能正在衰竭，這超出了當地診所的治療能力。醫生們推薦馬修立刻前往斯坦福醫院就診，那裡可能保住馬修的一條命。
馬修短暫躲過了死神的這次突然襲擊。幾個小時後，他的父親帶他飛到了斯坦福就診。第二天，他的情況就迅速惡化。當他母親次日抵達時，他已經用上了生命支援系統。如果再晚上幾天，後果可能不堪設想。
尤安·阿什利（Euan Ashley）是斯坦福大學醫學院的一名教授，也是一名遺傳學和生物醫學資料方面的專家。聽說馬修的病例後，他的心裡萌生出了不同的看法——總體而言，馬修是一名非常健康的年輕人。突發心衰，主要可能有兩個原因：其一就是俄勒岡醫生的診斷，即由於病毒或者其它身體不適誘發的心肌炎；其二則是遺傳學上的原因，某個基因突變帶來的影響，在日積月累之下，終於壓垮了馬修的心臟。
▲本研究的負責人尤安·阿什利教授（斯坦福醫學院）
這兩個原因各有各的可能，卻有著完全不同的治療方案——心肌炎往往是可逆的。透過治療，心臟功能可以恢復正常水平。但基因突變帶來的心臟病則不然。如果病因真的是基因缺陷，唯一的治療方案就是心臟移植。
阿什利教授課題組的約翰·戈爾津斯基（John Gorzynski）博士聯絡了馬修的父母，介紹了他們實驗室正在進行的一項基因組快速測序的研究，並徵求許可，將馬修納入到這項研究中。對於這個請求，馬修的父母當即同意下來。他們迫不及待地想知道，馬修究竟是得了什麼病。
徵得同意後，研究人員們抽取了幾毫升馬修的血液，送去做快速的基因組測序。幾小時後，測序結果返回，顯示馬修的基因組裡確實有著導致疾病的基因突變。獲取這一資訊後，醫生們立即將馬修放到了心臟移植的等待列表上。過了三週，他等來了一顆全新的心臟。一年後的今天，馬修的母親說他依然活得很健康。
喜悅之餘，他們可能沒有想到馬修參與的是一項具有里程碑意義的研究。替馬修做出關鍵診斷的技術，僅在短短數小時內就完成了全基因組的測序。“通常來說，如果能在幾周時間裡完成對患者基因組的測序，並返回結果，大部分醫生就會說很迅速了。” 阿什利教授說道。
圖片來源：123RF
在世紀之交，當人類首次完成基因組草圖的繪製時，或許少有人能預料到在短短二十多年後，基因組測序竟能成為診斷個體疾病的工具——當時，為了完成基因組草圖，多個國家的科學家們耗時十餘年，耗費了近30億美元的資金。放在任何一個個體身上，這都是難以想象的天文數字。
而如今，隨著分子生物學技術的發展，基因組測序技術的門檻不斷下降。數年前，商業化的個體基因組測序便已成為了可能。幾千美元，幾周時間，一份屬於自己的生命藍圖就將測序完成。在有經驗的醫生眼中，這份藍圖裡還蘊藏著遺傳疾病的蛛絲馬跡，也有著通往治療疾病方向的指示牌。
▲人類基因組的測序成本在過去二十年迅速下降（圖片來源：Wetterstrand KA. DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Genome Sequencing Program (GSP) Available at: www.genome.gov/sequencingcostsdata. Accessed 01/13/2021.）
但正如阿什利教授所言，現有的基因組測序技術和世紀之交相比已經變迅速了不少，但對於馬修這樣的危重症患者，還是太慢了。傳統的幾周測序時間，普通健康人還等得起，馬修等不起。為了對類似馬修的患者做出及時診斷，研究人員們還需要開發出更為快速的測序技術。快速測序意味著更快的診斷，更快的治療，也意味著患者可能會在重症病房待上更短的時間，或是更快康復。更關鍵的是，這種速度上的提升，還不能犧牲準確度。
為了滿足這一需求，研究人員們想到了“奈米孔”技術。這是一種已經在基因測序中得到廣泛應用的技術，它的原理也很容易理解——當長鏈DNA分子透過奈米尺寸的空隙時，會隨著鹼基的不同，產生相應的電流變化。而透過儀器識別這種電流變化，就可以反推出相應的鹼基，從而還原DNA的序列。
阿什利教授聯絡了牛津奈米孔技術公司，並使用了該公司開發的PromethION 48測序系統。這套系統裡一共有48個測序流動池（flow cell），每一個流動池都能單獨完成基因組測序的工作。而為了節省時間，研究人員們決定讓48個流動池同時工作，極大加快速度。
▲奈米孔技術對DNA測序的示意圖（圖片來源：DataBase Center for Life Science (DBCLS), CC BY 4.0 <https://creativecommons.org/licenses/by/4.0>, via Wikimedia Commons）
並行的測序固然提高了速度，卻也產生了海量資料，超過了實驗室的分析能力。為此，研究團隊進一步將資料傳到雲端，擴大計算能力。同時，團隊也開發了一些演算法，在掃描測序獲得的遺傳資訊的同時，尋找可能導致遺傳疾病的突變。最後，科學家們還會拿尋找到的基因變異去和公開發表的論文進行比對，進行確認。
在2020年12月到2021年5月間，研究人員們在兩家位於斯坦福的醫院招募了12名患者，使用上述的技術進行了快速的基因組測序，用於輔助診斷。昨日，科學家們在《新英格蘭醫學雜誌》上介紹了他們的階段性工作成果。根據介紹，從收集患者血樣到獲得初步診斷結果，最短的時間僅為7小時18分鐘。
速度當然是這項工作非常引人注目的一點。根據斯坦福醫學院的新聞稿，在一個病例中，如果去除診斷環節，僅統計基因組的測序部分，那麼耗時僅需5小時2分鐘，這也創下了吉尼斯世界紀錄。
但速度絕非本研究的唯一亮點。事實上，奈米孔技術的一大特徵就是對長序列的測序。傳統的基因組測序方法會先將基因組打碎成小的片段進行測序，然後再以標準的人類基因組作為參照，將測序結果重新拼成一個基因組。但這樣的方法有時會錯過一些基因組片段，或是遺漏一些遺傳變異。長序列測序則能對長達幾萬個鹼基的DNA片段進行測序，提供更多的細節。
《新英格蘭醫學雜誌》的文章中提到，超過一半的測序片段超過25 kb。總體來看，每一個基因組能產生173到236 Gb的資料，序列比對一致性（alignment identity）達到94%，常染色體的覆蓋率達到46到64x。
▲本研究的示意圖（圖片來源：參考資料[1]）
“透過長序列測序，更容易在大片段的基因組上找到突變，” 阿什利教授評論說，“如果不使用一些長序列測序的手段，幾乎不可能發現其中的一些變異。”
該技術還能回答透過傳統診斷技術難以回答的醫學問題。研究團隊介紹了另外一個案例——一名3個月大的嬰兒出現病因不明的癲癇，於是醫院雙管齊下，一方面使用標準的臨床基因診斷，另一方面則使用這種新型的全基因組快速測序技術。僅過了8個多小時，後者就給出了答案——這名患兒的CSNK2B基因出現了突變，它已知與神經發育疾病有關，會導致早發的癲癇。相反，標準的臨床基因診斷中則不含有CSNK2B這一項檢測內容，因此檢測返回的資訊對患者的幫助有限。
這一研究成果得到了不少醫生和科學家的關注。斯坦福的醫生們對能在幾小時內完成遺傳診斷的前景感到非常興奮，知名科學家Eric Topol教授也在其社交媒體上表示“未來已來”。
圖片來源：Eric Topol教授社交媒體截圖
當然，這一工作目前只是得到了小規模的運用，在成本和準確度上相信還有不少可以最佳化的空間。但這一先驅性的嘗試已向我們證明，基因組的快速測序有望成為診斷的重要一環，為懷疑患有罕見遺傳疾病的患者家庭及時帶來重要的診斷資訊。快速、準確、個體化……或許，這就是未來醫療診斷的模樣。
參考資料：
[1] John E. Gorzynski et al., (2022), Ultrarapid Nanopore Genome Sequencing in a Critical Care Setting, NEJM, DOI: 10.1056/NEJMc2112090
[2] Fastest DNA sequencing technique helps undiagnosed patients find answers in mere hours, Retrieved January 13, 2022, from https://med.stanford.edu/news/all-news/2022/01/dna-sequencing-technique.html
[3] Scientists describe new approach in NEJM, using Oxford Nanopore DNA sequencing technology to improve prognosis in critically ill patients, in less than 8 hours, Retrieved January 13, 2022, from https://nanoporetech.com/about-us/news/scientists-describe-new-approach-nejm-using-oxford-nanopore-dna-sequencing-technology
