Η γενετική τεχνική που εντοπίζει (σχεδόν) κάθε λοίμωξη

Πριν από σχεδόν επτά χρόνια, στα τέλη Δεκεμβρίου του 2019, μια ομάδα ιολόγων από τρεις μεγάλες πόλεις της Κίνας ξεκίνησε να αναλύει δείγματα ασθενών που είχαν νοσηλευτεί με ασυνήθιστα περιστατικά σοβαρής πνευμονίας.

Όλοι οι ασθενείς είχαν επισκεφθεί την αγορά θαλασσινών Χουανάν (Huanan) στη Γουχάν, προτού νοσήσουν και εμφανίσουν τα πρώτα συμπτώματα. Ωστόσο, όταν οι επιστήμονες εξέτασαν τα δείγματα, βρέθηκαν μπροστά σε ένα αίνιγμα, καθώς το γενετικό υλικό δεν ταίριαζε με κανένα γνωστό μέχρι τότε παθογόνο.

Τότε οι γιατροί στράφηκαν σε μια νέα μέθοδο, γνωστή ως μεταγονιδιωματική ανάλυση (metagenomic testing). Όπως εξηγεί δημοσίευμα του BBC, πρόκειται για μια προηγμένη γενετική τεχνική που επιτρέπει τον εντοπισμό και την ανάλυση του συνόλου του γενετικού υλικού (DNA και RNA) που συλλέγεται απευθείας από ένα δείγμα, χωρίς να απαιτείται η καλλιέργεια των μικροοργανισμών στο εργαστήριο.

Με απλά λόγια, σε αντίθεση με τις συμβατικές εξετάσεις, οι οποίες αναζητούν συγκεκριμένους ιούς ή βακτήρια, η μέθοδος αυτή εξετάζει ένα πολύ ευρύτερο φάσμα πιθανών αιτιών μιας ασθένειας, ακόμη και παθογόνους μικροοργανισμούς που δεν έχουν ταυτοποιηθεί στο παρελθόν.

Η εφαρμογή της συγκεκριμένης τεχνικής στα δείγματα των ασθενών αποδείχθηκε καθοριστική, καθώς επέτρεψε στους επιστήμονες να αναγνωρίσουν ότι βρίσκονταν αντιμέτωποι με έναν νέο κορωνοϊό. «Ήταν μια επαναστατική εξέλιξη σε σύγκριση με προηγούμενες πανδημίες», επισημαίνει ο Νιραντζάν Ναγκάρατζαν, αναπληρωτής καθηγητής στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης, μιλώντας στο BBC.

Όπως εξηγεί, η αναγνώριση του παθογόνου μικροοργανισμού το 2019 κατέστησε δυνατή την ταχεία ανάπτυξη διαγνωστικών τεστ για την Covid-19, με στόχο τον περιορισμό της εξάπλωσης του ιού, ενώ παράλληλα έδωσε το έναυσμα για έναν εντατικό, παγκόσμιο αγώνα αναζήτησης θεραπειών και ανάπτυξης εμβολίων.

Η ανακάλυψη του νέου κορωνοϊού παραμένει η πιο γνωστή εφαρμογή της μεταγονιδιωματικής μέχρι σήμερα. Ωστόσο, η τεχνική χρησιμοποιείται πλέον ολοένα και περισσότερο στα νοσοκομεία, επιτρέποντας την ταχύτερη διάγνωση επικίνδυνων λοιμώξεων και τον εντοπισμό των αιτιών ανεξήγητων παθήσεων.

Η εξέταση που αλλάζει τις κρίσιμες ιατρικές αποφάσεις

Η μεταγονιδιωματική ανάλυση αρχίζει πλέον να προσφέρει πολύτιμες πληροφορίες για τη λήψη κρίσιμων και ακριβέστερων θεραπευτικών αποφάσεων. Πιο αναλυτικά σε πολλά περιστατικά, οι γιατροί καλούνται να επιλέξουν την καταλληλότερη θεραπεία με βάση συμπτώματα που ενδέχεται να είναι κοινά σε διαφορετικές παθήσεις. Μια λοίμωξη από ιό ή βακτήριο, για παράδειγμα, μπορεί να προκαλεί συμπτώματα παρόμοια με εκείνα μιας υπερβολικής αντίδρασης του ανοσοποιητικού συστήματος.

Έτσι, με περιορισμένο χρόνο και χωρίς σαφή διάγνωση, οι γιατροί συχνά αναγκάζονται να ακολουθήσουν μια θεραπευτική προσέγγιση που καλύπτει περισσότερα από ένα πιθανά σενάρια.

«Πρέπει να λάβεις μια απόφαση αμέσως», εξηγεί ο Τσαρλς Τσιού, καθηγητής και ειδικός στις λοιμώδεις νόσους στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Σαν Φρανσίσκο, ο οποίος διεξάγει νέες έρευνες σχετικά με τη χρήση των μεταγονιδιωματικών εξετάσεων.

«Σήμερα, όταν ένας ασθενής βρίσκεται σε κρίσιμη κατάσταση, οι γιατροί χορηγούν θεραπεία τόσο για πιθανή λοίμωξη όσο και για ενδεχόμενο αυτοάνοσο νόσημα», επισημαίνει.

Η πρακτική αυτή ενέχει κινδύνους, καθώς η αντιμετώπιση μιας αυτοάνοσης αντίδρασης μπορεί να απαιτεί την καταστολή του ανοσοποιητικού συστήματος, ακόμη και όταν ο ασθενής ενδέχεται να πάσχει από λοίμωξη.

Για τον λόγο αυτό η νέα τεχνολογία φιλοδοξεί να περιορίσει αυτή την αβεβαιότητα, προσφέροντας στους γιατρούς περισσότερα δεδομένα για την πραγματική αιτία της ασθένειας.

Σημαντική εξέλιξη αποτελεί και η δραστική μείωση του χρόνου που απαιτείται για την ανάλυση του γενετικού υλικού. Μέχρι πρόσφατα, ο διαχωρισμός του ανθρώπινου DNA από εκείνο των μικροοργανισμών και η αναζήτηση ενδείξεων για επικίνδυνα παθογόνα απαιτούσαν εξειδικευμένο εξοπλισμό, γνώσεις και αρκετές ημέρες εργασίας.

Σήμερα, σύγχρονα μηχανήματα μπορούν να πραγματοποιήσουν την αλληλούχηση του DNA μέσα σε μόλις μία έως δύο ώρες. Παράλληλα, εργαλεία τεχνητής νοημοσύνης έχουν τη δυνατότητα να επεξεργάζονται τεράστιους όγκους δεδομένων και να αναγνωρίζουν σύνθετα μοτίβα, καθιστώντας τη μεταγονιδιωματική ανάλυση περισσότερο προσβάσιμη και αξιοποιήσιμη στην καθημερινή ιατρική πρακτική.

Ο ρόλος της τεχνητής νοημοσύνης στον αγώνα για ταχύτερη διάγνωση

Για τα άτομα με εξασθενημένο ανοσοποιητικό σύστημα, οποιαδήποτε λοίμωξη μπορεί να εξελιχθεί γρήγορα σε δυνητικά θανατηφόρα απειλή. Οι λήπτες μοσχευμάτων, οι ασθενείς με καρκίνο που υποβάλλονται σε ανοσοκατασταλτική θεραπεία και όσοι λαμβάνουν αντίστοιχες θεραπείες για αυτοάνοσα νοσήματα χρειάζονται ιδιαίτερη προσοχή.

Μελέτες έχουν δείξει ότι οι ανοσοκατεσταλμένοι ασθενείς που εμφανίζουν σήψη εξαιτίας λοίμωξης αντιμετωπίζουν 23% υψηλότερο κίνδυνο θανάτου κατά τη νοσηλεία τους. Ωστόσο, η γρήγορη διάγνωση σε αυτές τις περιπτώσεις δεν είναι πάντα εύκολη.

«Παθήσεις όπως η πνευμονία ή η σήψη μπορεί να προκληθούν από εκατοντάδες διαφορετικά παθογόνα, γεγονός που οδηγεί σε μια μακρά διαγνωστική διαδικασία, κατά την οποία πρέπει να πραγματοποιούμε τη μία εξέταση μετά την άλλη», αναφέρει ο Τσιού.

«Μπορεί να εξελιχθεί σε πραγματικό αγώνα δρόμου με τον χρόνο», προσθέτει.

Στη Σιγκαπούρη, ο Ναγκάρατζαν ηγείται ερευνητικού προγράμματος που εξετάζει κατά πόσο η μεταγονιδιωματική ανάλυση με τη συνδρομή της τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερες και πιο στοχευμένες θεραπείες για ανοσοκατεσταλμένους ασθενείς.

Όπως εξηγεί ο Τσιού, τα δεδομένα που προκύπτουν από μια τέτοια εξέταση περιλαμβάνουν συχνά τεράστιο όγκο πληροφοριών που δεν έχουν απαραίτητα κλινική σημασία. Σε αυτές περιλαμβάνονται φαινομενικά αβλαβείς ιοί που υπάρχουν στον οργανισμό των περισσότερων ανθρώπων, αλλά και μικροοργανισμοί που ενδέχεται να έχουν επιμολύνει κατά λάθος το δείγμα στο εργαστήριο.

Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να συμβάλει στον διαχωρισμό των χρήσιμων δεδομένων από τις περιττές ή παραπλανητικές πληροφορίες, επιτρέποντας στους γιατρούς να αποκτούν ταχύτερα και ευκολότερα μια σαφέστερη εικόνα για την κατάσταση του ασθενούς.

Άλλωστε, ένας ασθενής μπορεί να έχει προσβληθεί ταυτόχρονα από περισσότερους παθογόνους μικροοργανισμούς, αλλά μόνο ένας από αυτούς να ευθύνεται για την ασθένειά του. Σε άλλες περιπτώσεις, η βλάβη μπορεί να σχετίζεται με αυτοάνοση αντίδραση και να μη συνδέεται καθόλου με κάποιο παθογόνο.

Το ζητούμενο, επομένως, δεν είναι απλώς να εντοπιστούν οι μικροοργανισμοί που υπάρχουν στον οργανισμό, αλλά να διαπιστωθεί ποιοι από αυτούς προκαλούν πραγματικά την ασθένεια.

Μπορεί να προειδοποιήσει για την επόμενη πανδημία;

Για άτομα με αδύναμο ανοσοποιητικό σύστημα, οποιαδήποτε λοίμωξη μπορεί γρήγορα να μετατραπεί σε μια δυνητικά θανατηφόρα απειλή. Οι λήπτες μοσχευμάτων, οι ασθενείς με καρκίνο που υποβάλλονται σε ανοσοκατασταλτική θεραπεία και όσοι ζουν με αυτοάνοσα νοσήματα πρέπει να βρίσκονται σε συνεχή εγρήγορση.

Μελέτες έχουν δείξει ότι οι ανοσοκατεσταλμένοι ασθενείς που αναπτύσσουν σήψη ή δηλητηρίαση αίματος λόγω λοίμωξης διατρέχουν 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 μπορούν να προκληθούν από εκατοντάδες πιθανά παθογόνα, γεγονός που οδηγεί σε μια πολύ μακρά διαγνωστική οδύσσεια όπου πρέπει να στέλνουμε το ένα τεστ μετά το άλλο», λέει ο Chiu. «Μπορεί να είναι ένας αγώνας δρόμου ενάντια στον χρόνο».

Στη Σιγκαπούρη, η Nagarajan ηγείται ενός έργου για να διαπιστωθεί εάν ο μεταγονιδιωματικός έλεγχος με ενίσχυση της τεχνητής νοημοσύνης μπορεί να οδηγήσει σε ταχύτερη και πιο στοχευμένη θεραπεία για ανοσοκατεσταλμένα άτομα. Ένα τυπικό σύνολο δεδομένων, λέει ο Chiu, είναι γεμάτο με ψευδείς πληροφορίες. Αυτό περιλαμβάνει τους φαινομενικά ακίνδυνους ιούς που μεταφέρουν οι περισσότεροι άνθρωποι και μικρόβια από το εργαστήριο που έχουν μολύνει κατά λάθος το δείγμα . Η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να βοηθήσει σε αυτό, αποσυμφορώντας τα μεταγονιδιωματικά σύνολα δεδομένων, καθιστώντας πιο γρήγορο και εύκολο για τους γιατρούς να σχηματίσουν μια ιδέα για το τι συμβαίνει.

Την ίδια στιγμή, ένας ασθενής μπορεί επίσης να φέρει πολλαπλές συν-λοιμώξεις, εκ των οποίων μόνο μία τον προκαλεί ασθένεια, ή η βλάβη μπορεί να σχετίζεται με μια αυτοάνοση απόκριση και να μην συνδέεται καθόλου με κάποιο παθογόνο

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.