A genetikai módszer, amely szinte minden fertőzést képes kimutatni

2019 decemberének végén három nagy kínai város virológusaiból álló kutatócsoport megkezdte a rejtélyes, súlyos tüdőgyulladással kórházba került betegek mintáinak elemzését. A mintákat orr- és torokváladékból vették. Valamennyi beteg megfordult a vuhani Huanan tenger gyümölcsei piacán, majd rövid időn belül súlyosan megbetegedett. A virológusok azonban kezdetben nem jutottak eredményre: a mintákban talált genetikai anyag nem egyezett egyetlen korábban azonosított kórokozóéval sem.

Az orvosok ekkor egy új vizsgálati módszerhez, a metagenomikai elemzéshez fordultak. Ahelyett, hogy kizárólag ismert mikrobák jelenlétét keresték volna, ez az eljárás lehetővé tette, hogy a mintákban található összes mikroorganizmust kimutassák, függetlenül attól, hogy azokat korábban már azonosították-e.

A módszer segítségével megállapították, hogy a betegek mintáiban található kórokozó a koronavírusok családjába tartozik. Ebbe a víruscsoportba olyan kórokozók is tartoznak, amelyek korábban súlyos tüdőgyulladás-járványokat okoztak az emberek körében, például a közel-keleti légúti koronavírus, a MERS. A kutatók ezzel azonosították a Covid–19-et okozó új koronavírust.

Ez a korábbi világjárványokhoz képest gyökeres változást jelentett”

– mondja Niranjan Nagarajan, a Szingapúri Nemzeti Egyetem docense.

A kórokozó gyors azonosítása lehetővé tette a Covid–19 diagnosztikai tesztjeinek gyors kifejlesztését, ami segíthette a vírus terjedésének megfékezését. Egyúttal világszerte felgyorsította a hatékony kezelések és vakcinák utáni kutatást. A metagenomika mindmáig a Covid–19 azonosításával vált a legismertebbé. A módszert azonban egyre gyakrabban alkalmazzák a kórházakban is. A szepszis gyors diagnosztizálásától a megmagyarázhatatlan tünetek hátterének felderítéséig már most is életeket menthet.

Az ismeretlen kórokozók nyomában

Ha egy beteg zavartsággal, álmossággal, lázzal, fejfájással és gyengeséggel kerül a neurológiai osztályra, az orvosok pontosan tudják, hogy sürgős, akár életveszélyes állapotról is szó lehet. E tünetek együtt agyhártyagyulladásra vagy agyvelőgyulladásra utalhatnak. Mindkét betegség súlyos, akár halálos kimenetelű is lehet, és az agyat, illetve a gerincvelőt érinti.

Az orvosoknak azonban gyakran nehéz döntést kell hozniuk. A megfelelő kezelés attól függ, hogy a betegséget vírus vagy baktérium okozza-e, esetleg az immunrendszer túlzott reakciója áll a háttérben. A rendelkezésre álló vizsgálatok és az idő szűkössége miatt az orvosok sokszor kénytelenek úgy megkezdeni a kezelést, hogy még nem ismerik pontosan a kiváltó okot.

„Azonnal döntést kell hozni” – mondja Charles Chiu, a Kaliforniai Egyetem San Franciscó-i kampuszának orvoskarán dolgozó professzor és fertőző betegségekkel foglalkozó szakértő, aki új kutatásokban vizsgálja a metagenomikai tesztek alkalmazását. „A súlyos állapotú betegeket jelenleg gyakran egyszerre kezelik fertőzés és autoimmun betegség gyanújával.” Ez bizonyos szempontból ellentmondásos megközelítés, hiszen az orvosok ilyenkor elnyomhatják a beteg immunrendszerének működését, miközben a tüneteket akár fertőzés is okozhatja. „Sokszor azonban nincs más választás” – teszi hozzá Chiu.

A metagenomika most abban segít, hogy az orvosok megalapozottabban dönthessenek.

Chiu és munkatársai egy úttörő metagenomikai vizsgálatot fejlesztettek ki a kórokozók agy-gerincvelői folyadékból történő azonosítására. Ez a folyadék veszi körül az agyat és a gerincvelőt. A teszt már olyan esetekben is segített felismerni a tünetek valódi okát, amikor a kezelőorvosok korábban nem tudtak a kórokozó jelenlétéről. Chiu például találkozott egy olyan beteggel, akinél agyhártyagyulladást és májelégtelenséget diagnosztizáltak, és akit májátültetésre készítettek elő. Az agy-gerincvelői folyadék metagenomikai vizsgálata azonban kimutatta, hogy a nő valójában hepatitis E-vírussal fertőződött meg.

A hepatitis E a májbetegségek ismert, kezelhető oka, a magas jövedelmű országokban, így az Egyesült Államokban azonban nem tartozik a rutinszerűen vizsgált kórokozók közé. „Vírusellenes gyógyszert adtunk neki, az állapota javult, és sikerült megkímélnünk a májátültetéstől” – mondja Chiu.

A metagenomika szélesebb körű alkalmazását egészen a közelmúltig korlátozta, hogy az elemzés sok időt vett igénybe. Az emberi és a mikrobiális DNS elkülönítése, valamint a potenciálisan veszélyes kórokozókra utaló jelek azonosítása speciális szaktudást igényel. „A szekvenálás és az adatok elemzése több naptól akár egy hétig is eltarthat” – mondja Nagarajan. „Előfordulhat, hogy a beteg meghal, mire megérkezik az eredmény.”

A technológia azonban gyorsan fejlődik. A korszerű berendezések már akár egy-két óra alatt képesek megszekvenálni a DNS-t, a mesterséges intelligenciára épülő eszközök pedig hatalmas adathalmazokat dolgozhatnak fel, és felismerhetik azokban az összefüggéseket. Mindez végre szélesebb körben is elérhetővé teheti a metagenomikai vizsgálatokat.

Versenyfutás az idővel

A legyengült immunrendszerű emberek számára bármilyen fertőzés gyorsan életveszélyessé válhat. A szervátültetésen átesett betegeknek, az immunrendszer működését elnyomó kezelésben részesülő daganatos betegeknek és az autoimmun betegséggel élőknek ezért különösen ébernek kell lenniük a fertőzésekkel szemben.

Kutatások szerint azoknál az immungyengült betegeknél, akiknél fertőzés következtében szepszis, vagyis a szervezet fertőzésre adott súlyos, egész testet érintő reakciója alakul ki, 23%-kal magasabb lehet a kórházi halálozás kockázata. A gyors diagnózis felállítása azonban ezekben az esetekben sem mindig egyszerű.

„Az olyan állapotokat, mint a tüdőgyulladás vagy a szepszis, több száz különböző kórokozó is előidézheti. Emiatt a diagnózis felállítása gyakran hosszadalmas folyamattá válik, amelynek során újabb és újabb vizsgálatokat kell elvégeznünk” – mondja Chiu. „Ez valódi versenyfutás lehet az idővel.”

Szingapúrban Nagarajan olyan projektet vezet, amely azt vizsgálja, hogy a mesterséges intelligenciával támogatott metagenomikai szűrés gyorsabb és célzottabb kezelést tehet-e lehetővé az immunhiányos, illetve immungyengült betegek számára. Chiu szerint a metagenomikai vizsgálatok során keletkező adathalmazokban sok a félrevezető információ. Ezek közé tartoznak például azok a látszólag ártalmatlan vírusok, amelyeket az emberek többsége hordoz, valamint a laboratóriumból véletlenül a mintába kerülő, szennyező mikroorganizmusok.

A mesterséges intelligencia segíthet kiszűrni ezeket a zavaró adatokat, így az orvosok gyorsabban és könnyebben kaphatnak képet arról, mi történik a beteg szervezetében. A helyzetet az is bonyolíthatja, hogy egy beteg egyszerre több kórokozóval is fertőzött lehet, miközben ezek közül csak az egyik felelős a tüneteiért. Az is előfordulhat, hogy a  szövetkárosodást nem közvetlenül egy kórokozó, hanem az immunrendszer túlzott reakciója okozza.

A mesterséges intelligencia a beteg génjeinek működését, például a termelődő fehérjéket is elemezheti, hogy segítsen azonosítani a károsodást kiváltó kórokozókat. Az ilyen elemzésből következtetni lehet arra, hogy az immunrendszer aktívan küzd-e egy vírus ellen, vagy lényegében tünetmentesen együtt él vele.

„Ez lehetővé teszi számunkra a precíziós orvoslás alkalmazását, vagyis azt, hogy a lehető legmegfelelőbb kezelést az egyes betegek sajátosságaihoz igazítsuk” – mondja Chiu.

A közegészségügy átalakítása

Ahogy egyre több adat gyűlik össze a metagenomikai vizsgálatok hatékonyságáról, a módszer a jövőben még fontosabb szerepet kaphat a kórházi ellátásban. Tavaly például két londoni kórházban végeztek kísérleti vizsgálatot annak felmérésére, hogy a metagenomika milyen többletinformációkat nyújthat a légúti fertőzésekkel kórházba került betegek állapotáról. A kutatás azt találta, hogy a tesztek az esetek 30%-ában olyan kórokozókat is azonosítottak, amelyeket a szokásos vizsgálatok nem mutatnak ki.

Az egyik esetben a módszer egy beteget egy invazív műtéttől kímélt meg. Kiderült ugyanis, hogy az illetőnek tuberkulózisa, vagyis tbc-je volt, nem pedig az a tüdőrák, amelyet az orvosok korábban feltételeztek. A vizsgálat a parvovírus B19 okozta fertőzés két esetét is felismerte. Ezeket hónapokkal azelőtt azonosította, hogy az Egyesült Királyság, illetve az európai hatóságok közegészségügyi figyelmeztetést adtak volna ki a vírus terjedésének növekedéséről. Ez arra utal, hogy a metagenomika a kialakulóban lévő járványok korai felismerésében is fontos szerepet játszhat, időben figyelmeztetve az illetékes hatóságokat.

Nagarajan szerint Szingapúrban már több laboratórium is végez metagenomikai vizsgálatokat szennyvíz- és levegőmintákon. Az így nyert adatokat olyan, mesterséges intelligencián alapuló modellek dolgozzák fel, amelyeket új vírusok megjelenésére utaló jelek felismerésére tanítottak be. A kezdeményezések célja, hogy segítsenek megelőzni a következő világjárványt.

A proaktív megfigyelés a Covid–19 esetében is korábbi figyelmeztetést tehetett volna lehetővé. Olaszországban a szennyvíz elemzése során a kutatók a vírus nyomait már hónapokkal az ország első hivatalosan megerősített esetei előtt kimutatták.

A metagenomika tehát nem csupán egy új diagnosztikai eszköz. Azzal, hogy képes ismert és korábban ismeretlen kórokozók nyomait is felismerni, hozzájárulhat a gyorsabb és pontosabb betegellátáshoz, a célzottabb kezelésekhez, valamint a jövőbeli járványok korai észleléséhez.