Η νέα γενετική τεχνική που εντοπίζει σχεδόν κάθε λοίμωξη στη «μάχη» πρόληψης νέας πανδημίας

Στα τέλη Δεκεμβρίου του 2019, μια ομάδα ιολόγων από τρεις μεγάλες κινεζικές πόλεις άρχισε να αναλύει δείγματα επιχρισμάτων από ασθενείς που νοσηλεύονταν με ανεξήγητα περιστατικά σοβαρής πνευμονίας.

Όλοι είχαν βρεθεί στην αγορά θαλασσινών Χουανάν, στην πόλη Γουχάν, προτού εμφανίσουν γρήγορα σοβαρά συμπτώματα. Ωστόσο, όταν οι ιολόγοι εξέτασαν τα δείγματα, δεν κατάφεραν να εντοπίσουν την αιτία: το γενετικό υλικό δεν ταίριαζε με κανένα παθογόνο που είχε ανακαλυφθεί έως τότε.

Σύμφωνα με το BBC, οι γιατροί στράφηκαν σε μια νέα μέθοδο ανάλυσης, γνωστή ως μεταγονιδιωματικός έλεγχος (metagenomic testing). Αντί να αναζητά συγκεκριμένους, ήδη γνωστούς μικροοργανισμούς, η εξέταση μπορούσε να αποκαλύψει όλους τους μικροοργανισμούς που υπήρχαν στα δείγματα, ανεξάρτητα από το αν είχαν ταυτοποιηθεί στο παρελθόν.

Χάρη σε αυτή τη μέθοδο, διαπιστώθηκε ότι το παθογόνο που εντοπίστηκε στα δείγματα των ασθενών παρουσίαζε μεγάλη ομοιότητα με την οικογένεια των κορονοϊών, στην οποία περιλαμβάνονται ιοί που είχαν προκαλέσει στο παρελθόν επιδημίες σοβαρής πνευμονίας στους ανθρώπους, όπως ο κορονοϊός που προκαλεί το Αναπνευστικό Σύνδρομο της Μέσης Ανατολής (MERS). Οι επιστήμονες είχαν μόλις ανακαλύψει τον ιό που προκαλεί την Covid-19.

«Ήταν μια εξέλιξη που άλλαξε τα δεδομένα σε σύγκριση με προηγούμενες πανδημίες», λέει ο Νιραντζάν Ναγκαρατζάν, αναπληρωτής καθηγητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης. Η ταυτοποίηση του παθογόνου επέτρεψε την ταχεία ανάπτυξη διαγνωστικών εξετάσεων για την Covid-19, με στόχο τον περιορισμό της εξάπλωσης του ιού, ενώ παράλληλα πυροδότησε την παγκόσμια, εντατική αναζήτηση θεραπειών και εμβολίων.

Μέχρι σήμερα, αυτή παραμένει η πιο γνωστή εφαρμογή της μεταγονιδιωματικής. Ωστόσο, η συγκεκριμένη τεχνική χρησιμοποιείται πλέον όλο και συχνότερα στα νοσοκομεία. Από την ταχύτερη διάγνωση της σήψης έως τον εντοπισμό των αιτιών ανεξήγητων παθήσεων, συμβάλλει ήδη στη διάσωση ανθρώπινων ζωών.

Αποκαλύπτοντας το άγνωστο

Όταν ένας ασθενής εισάγεται σε νευρολογική κλινική με συμπτώματα σύγχυσης και υπνηλίας, καθώς και με πυρετό, πονοκέφαλο και αδυναμία, οι γιατροί γνωρίζουν ότι ενδέχεται να βρίσκονται αντιμέτωποι με μια κατάσταση έκτακτης ανάγκης, στην οποία κρίνεται η ζωή του. Ο συνδυασμός αυτών των συμπτωμάτων μπορεί να υποδηλώνει μηνιγγίτιδα ή εγκεφαλίτιδα, επικίνδυνες παθήσεις που προσβάλλουν τον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό.

Ωστόσο, οι γιατροί συχνά καλούνται να αντιμετωπίσουν ένα κρίσιμο δίλημμα. Η καταλληλότερη θεραπεία εξαρτάται από το αν η κατάσταση του ασθενούς οφείλεται σε ιό, βακτήριο ή υπερβολική αντίδραση του ανοσοποιητικού συστήματος που στρέφεται εναντίον του ίδιου του οργανισμού. Με περιορισμένες διαγνωστικές δυνατότητες και ελάχιστο διαθέσιμο χρόνο, όμως, οι γιατροί αναγκάζονται συχνά να καλύψουν περισσότερα από ένα ενδεχόμενα.

«Πρέπει να πάρεις μια απόφαση αμέσως», λέει ο Τσαρλς Τσιού, καθηγητής και ειδικός στις λοιμώδεις νόσους στο Τμήμα Ιατρικής του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο, ο οποίος διεξάγει νέες μελέτες για τη χρήση των μεταγονιδιωματικών εξετάσεων. «Σήμερα, όταν έχουμε ασθενείς σε κρίσιμη κατάσταση, οι γιατροί τούς αντιμετωπίζουν τόσο για πιθανή λοίμωξη όσο και για αυτοάνοσο νόσημα», εξηγεί. Σε ορισμένες περιπτώσεις, αυτή η προσέγγιση είναι αντιφατική, καθώς προϋποθέτει την καταστολή του ανοσοποιητικού συστήματος του ασθενούς, ακόμη και όταν μπορεί να υπάρχει ενεργή λοίμωξη. «Συχνά, όμως, δεν υπάρχει άλλη επιλογή», σημειώνει ο Τσιού.

Η μεταγονιδιωματική ανάλυση συμβάλλει πλέον στη λήψη αυτών των κρίσιμων αποφάσεων. Ο Τσιού και οι συνεργάτες του ανέπτυξαν μια πρωτοποριακή εξέταση που εντοπίζει παθογόνα στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό, το οποίο περιβάλλει και προστατεύει τον εγκέφαλο και τον νωτιαίο μυελό. Η εξέταση έχει ήδη αποκαλύψει περιστατικά στα οποία ένα παθογόνο προκαλούσε τα συμπτώματα των ασθενών χωρίς οι γιατροί να το γνωρίζουν.

Σε μία περίπτωση, ο Τσιού εξέτασε ασθενή που είχε διαγνωστεί με μηνιγγίτιδα και ηπατική ανεπάρκεια και επρόκειτο να υποβληθεί σε μεταμόσχευση ήπατος. Ωστόσο, η μεταγονιδιωματική ανάλυση του εγκεφαλονωτιαίου υγρού έδειξε ότι η ασθενής είχε στην πραγματικότητα μολυνθεί από τον ιό της ηπατίτιδας Ε. Παρότι η ηπατίτιδα Ε αποτελεί γνωστή και αντιμετωπίσιμη αιτία ηπατικής νόσου, δεν περιλαμβάνεται συχνά στις εξετάσεις ρουτίνας σε χώρες υψηλού εισοδήματος, όπως οι ΗΠΑ. «Της χορηγήσαμε αντιική αγωγή, η κατάστασή της βελτιώθηκε και την απαλλάξαμε από την ανάγκη να υποβληθεί σε μεταμόσχευση», λέει ο Τσιού.

Μέχρι πρόσφατα, η αξιοποίηση της μεταγονιδιωματικής περιοριζόταν από τον χρόνο που απαιτούνταν για την ολοκλήρωση της ανάλυσης. Ο διαχωρισμός του ανθρώπινου DNA από το γενετικό υλικό των μικροοργανισμών και ο εντοπισμός ενδείξεων για την παρουσία ενός δυνητικά επικίνδυνου παθογόνου απαιτούν εξειδικευμένες γνώσεις. «Η αλληλούχιση του DNA και η ανάλυση των δεδομένων μπορεί να διαρκέσουν από αρκετές ημέρες έως μία εβδομάδα», εξηγεί ο Ναγκαρατζάν. «Ο ασθενής μπορεί να πεθάνει προτού καταφέρεις να έχεις το αποτέλεσμα».

Πλέον, ωστόσο, υπάρχουν μηχανήματα που μπορούν να αποκωδικοποιήσουν το DNA μέσα σε μόλις μία έως δύο ώρες, ενώ εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης μπορούν να επεξεργαστούν τεράστιους όγκους δεδομένων και να εντοπίσουν μοτίβα μέσα σε αυτά. Οι εξελίξεις αυτές καθιστούν τη μεταγονιδιωματική ανάλυση πιο γρήγορη και ευρύτερα διαθέσιμη.

Μάχη με τον χρόνο

Για τους ανθρώπους με εξασθενημένο ανοσοποιητικό σύστημα, κάθε λοίμωξη μπορεί να εξελιχθεί γρήγορα σε δυνητικά θανατηφόρα απειλή. Οι λήπτες μοσχευμάτων, οι ασθενείς με καρκίνο που υποβάλλονται σε ανοσοκατασταλτική θεραπεία και όσοι ζουν με αυτοάνοσα νοσήματα πρέπει να βρίσκονται διαρκώς σε επιφυλακή.

Μελέτες έχουν δείξει ότι οι ανοσοκατεσταλμένοι ασθενείς που εμφανίζουν σήψη, δηλαδή μια επικίνδυνη αντίδραση του οργανισμού σε λοίμωξη, αντιμετωπίζουν κατά 23% υψηλότερο κίνδυνο θανάτου στο νοσοκομείο. Ωστόσο, η γρήγορη διάγνωση σε αυτές τις περιπτώσεις δεν είναι πάντα εύκολη. «Παθήσεις όπως η πνευμονία ή η σήψη μπορεί να προκαλούνται από εκατοντάδες διαφορετικά παθογόνα. Αυτό οδηγεί σε μια μακρά διαγνωστική διαδικασία, κατά την οποία πρέπει να στέλνουμε το ένα δείγμα μετά το άλλο για εξετάσεις», λέει ο Τσιού. «Είναι ένας αγώνας με τον χρόνο».

Στη Σιγκαπούρη, ο Ναγκαρατζάν ηγείται ενός προγράμματος που εξετάζει αν ο μεταγονιδιωματικός έλεγχος με τη βοήθεια της τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερη και πιο στοχευμένη θεραπεία για άτομα με εξασθενημένο ανοσοποιητικό σύστημα. Όπως εξηγεί ο Τσιού, τα δεδομένα που προκύπτουν από μια τυπική μεταγονιδιωματική ανάλυση περιλαμβάνουν συχνά πολλές πληροφορίες που δεν σχετίζονται με την αιτία της νόσου. Σε αυτές συγκαταλέγονται φαινομενικά ακίνδυνοι ιοί που φέρουν οι περισσότεροι άνθρωποι, αλλά και μικροοργανισμοί που έχουν μολύνει κατά λάθος το δείγμα στο εργαστήριο.

Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να βοηθήσει στον περιορισμό αυτού του «θορύβου» στα μεταγονιδιωματικά δεδομένα, καθιστώντας ευκολότερο και ταχύτερο για τους γιατρούς να κατανοήσουν τι συμβαίνει στον οργανισμό του ασθενούς. Ένας ασθενής μπορεί επίσης να έχει ταυτόχρονα περισσότερες από μία λοιμώξεις, χωρίς να ευθύνονται όλες για τα συμπτώματά του. Σε άλλες περιπτώσεις, η βλάβη μπορεί να οφείλεται σε αυτοάνοση αντίδραση και να μην σχετίζεται καθόλου με κάποιο παθογόνο.

Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να συμβάλει στον εντοπισμό των μικροοργανισμών που προκαλούν πραγματικά τη βλάβη, αναλύοντας τον τρόπο με τον οποίο εκφράζονται τα γονίδια του ασθενούς, δηλαδή ποιες πρωτεΐνες παράγει ο οργανισμός του. Με αυτόν τον τρόπο, οι ειδικοί μπορούν να εκτιμήσουν αν το ανοσοποιητικό σύστημα προσπαθεί να καταπολεμήσει έναν ιό ή αν συνυπάρχει μαζί του χωρίς να αντιδρά ενεργά. «Αυτό μας δίνει τη δυνατότητα να εφαρμόσουμε ιατρική ακριβείας, ώστε να μπορούμε να προσαρμόζουμε τη θεραπεία και να επιλέγουμε την καταλληλότερη δυνατή αντιμετώπιση για κάθε ασθενή», σημειώνει ο Τσιού.

Πώς μπορεί να αλλάξει η δημόσια υγεία

Καθώς συγκεντρώνονται περισσότερα δεδομένα για την αποτελεσματικότητα της μεταγονιδιωματικής, η συγκεκριμένη τεχνική θα μπορούσε να διαδραματίσει ολοένα σημαντικότερο ρόλο στα νοσοκομεία.

Πέρυσι, για παράδειγμα, πιλοτική μελέτη που πραγματοποιήθηκε σε δύο νοσοκομεία του Λονδίνου εξέτασε κατά πόσο η μεταγονιδιωματική ανάλυση θα μπορούσε να προσφέρει επιπλέον πληροφορίες για ασθενείς που νοσηλεύονταν με λοιμώξεις του αναπνευστικού. Η μελέτη διαπίστωσε ότι οι εξετάσεις μπορούσαν να εντοπίσουν παθογόνα τα οποία δεν ανιχνεύονται συνήθως με τις καθιερωμένες διαγνωστικές μεθόδους σε ποσοστό 30% των περιπτώσεων.

Σε μία περίπτωση, η εξέταση απέτρεψε την ανάγκη μιας ασθενούς να υποβληθεί σε επεμβατικό χειρουργείο. Η ασθενής έπασχε από φυματίωση και όχι από καρκίνο του πνεύμονα, όπως είχε αρχικά θεωρηθεί.

Η ίδια εξέταση εντόπισε επίσης δύο περιστατικά λοίμωξης από τον παρβοϊό Β19, έναν ιό που προσβάλλει κυρίως το αναπνευστικό σύστημα. Τα περιστατικά εντοπίστηκαν μήνες προτού οι αρμόδιες υπηρεσίες του Ηνωμένου Βασιλείου και της Ευρώπης εκδώσουν προειδοποιήσεις για την αυξημένη κυκλοφορία του ιού. Το εύρημα υποδεικνύει ότι η μεταγονιδιωματική θα μπορούσε να βοηθήσει τις υγειονομικές αρχές να εντοπίζουν έγκαιρα την εμφάνιση νέων επιδημιών.

Ο Ναγκαρατζάν αναφέρει ότι αρκετά εργαστήρια στη Σιγκαπούρη πραγματοποιούν πλέον μεταγονιδιωματικές εξετάσεις σε δείγματα λυμάτων και αέρα. Τα δεδομένα αναλύονται στη συνέχεια με μοντέλα τεχνητής νοημοσύνης, τα οποία έχουν εκπαιδευτεί ώστε να εντοπίζουν ενδείξεις εμφάνισης νέων ιών. Η προσπάθεια αυτή εντάσσεται στον ευρύτερο σχεδιασμό για την πρόληψη μιας μελλοντικής πανδημίας.

Μια τέτοια προληπτική επιτήρηση θα μπορούσε να είχε προσφέρει έγκαιρη προειδοποίηση και για την Covid-19. Στην Ιταλία, ανάλυση λυμάτων έδειξε ότι ίχνη του ιού είχαν εμφανιστεί στα αστικά λύματα αρκετούς μήνες πριν από την επιβεβαίωση των πρώτων κρουσμάτων στη χώρα.