Trochę ponad dziesięć lat temu, unikalne fragmenty materiału genomowego patogenu zostały znalezione we krwi osoby walczącej z infekcją. To odkrycie sprawiło, że Tim Blauwkamp, ​​PhD, Mickey Kertesz, PhD i Stephen Quake, PhD, wyruszyli w podróż, aby opracować diagnostykę opartą na zdolności do wychwytywania i identyfikowania tych ultrarzadkich zdegradowanych fragmentów materiału genomowego tych patogennych drobnoustrojów w próbce krwi.

Trzech z nich założyło wspólnie Karius, gdzie opracowali test (nazywany Karius Test), który może zidentyfikować ponad 1000 patogenów opartych na DNA, w tym wirusy, bakterie, grzyby i pasożyty, na podstawie jednego pobrania krwi. Teraz Karius otrzymał kontrakt od Biomedical Advanced Research and Development Authority (BARDA) na dalszy rozwój swojej technologii dla patogenów opartych na RNA.

„Nasza wizja jest taka, że ​​będziemy w stanie wykryć każdą infekcję w dowolnym miejscu ciała, na podstawie prostego pobrania krwi, poprzez analizę kwasów nukleinowych” – powiedział Blauwkamp Medycyna precyzyjna Insider„Ponieważ mamy już tę infrastrukturę do szybkich, skalowalnych testów, BARDA bardzo chciałaby nawiązać z nami współpracę. To pierwsza sformalizowana przez nas relacja, aby opracować i wdrożyć tę zdolność RNA wewnętrznie… aby zapewnić skalowalne narzędzie gotowości na pandemię dla BARDA i świata”.

Chemia i informatyka

Sekret testu Kariusa tkwi w dwóch innowacjach technologicznych w chemii i obliczeniach. Karius opracował chemię zoptymalizowaną pod kątem fragmentów mikrobów, które mają szereg unikalnych cech, które różnią się od fragmentów DNA uwalnianych przez guzy, przeszczepione narządy, a nawet rozwijający się płód. W istocie Karius opracował płynną biopsję w przypadku chorób zakaźnych.

Metodologia tej płynnej biopsji choroby zakaźnej jest nieco owiana tajemnicą. „Mogę powiedzieć, że uzyskujemy około tysiąc razy więcej informacji o genomie mikrobiologicznym z osocza niż byliśmy w stanie uzyskać za pomocą jakichkolwiek gotowych narzędzi dzisiaj” — powiedział Blauwkamp. „Wszystkie obecne narzędzia zostały zoptymalizowane pod kątem tych innych zastosowań płynnej biopsji w przypadku raka i przeszczepów ludzkiego DNA. DNA mikrobiologiczne różni się na kilka sposobów i jest prawie niewidoczne dla osób korzystających z tych standardowych narzędzi. Zbudowaliśmy różne narzędzia i odkryliśmy bardzo bogaty sygnał DNA mikrobiologicznego”.

Wychwycenie fragmentów to dopiero połowa sukcesu. Karius musiał opracować wsparcie obliczeniowe, aby pobrać dane sekwencjonowania z materiału genomowego tych mikrobów i przefiltrować je w sposób, który oddziela patogeny od komensali lub tła środowiskowego, a przedsięwzięcie to popiera dr Sivan Bercovici, Chief Technology and Business Officer.

Według Blauwkampa ich proces metagenomiczny opiera się na sekwencjonowaniu dziesiątek tysięcy pacjentów, w tym około tysiąca zdrowych pacjentów. Daje to zespołowi Karius obraz normalnej zmienności składu mikrobiologicznego i pozwala im wyłowić wartości odstające.

Kolejny patogen pandemiczny

Od momentu powstania w 2014 r. Karius skupiał się na patogenach opartych na DNA, które uwalniają swoje genomowe DNA do krwi. Ale Blauwkamp powiedział, że wiedzą, że istnieje bardzo „bogaty sygnał RNA drobnoustrojów” i to jest sedno umowy z BARDA za pośrednictwem ich inicjatywy DRIVe (Division of Research, Innovation, and Ventures), która finansuje firmy na wczesnym etapie rozwoju w celu ratowania życia. Inicjatywa BARDA DRIVe jest ukierunkowana na finansowanie tych wcześniejszych etapów dowodu koncepcji dla dużych pomysłów, które mogą naprawdę przenieść te funkcje krok po kroku lub te skokowe postępy do tego, co jest możliwe, zarówno w zakresie obrony, jak i opieki nad pacjentem.

Blauwkamp powiedział, że finansowanie z DRIVe jest obawiane na tak wczesnym etapie procesu rozwoju, że nie ma nawet na celu wytworzenia produktu końcowego — ma na celu ustalenie wykonalności na wyższym poziomie integralności, aby móc wykryć dowolny patogen w dowolnym miejscu ciała z tych próbek krwi, używając zarówno DNA, jak i RNA. To powiedziawszy, Blauwkamp jest przekonany, że zautomatyzowana infrastruktura w ich placówce może skalować test Karius w sytuacji pandemii.

„Myślę, że jednym z powodów, dla których DRIVe jest tak zainteresowane, jest to, że nie wiemy, jak będzie wyglądać ścieżka kolejnej pandemii, a istnieje duże prawdopodobieństwo, że będzie to RNA, biorąc pod uwagę poprzednie pandemie lub pandemie bliskie pandemii z patogenami wirusowymi” — powiedział Blauwkamp. „Istnieją możliwości inżynieryjnych zagrożeń biologicznych, więc nie zakładaj, że masz dokładną sekwencję genomową tego, co będzie dalej. Fakt, że nie mamy żadnych specyficznych dla mikrobów starterów ani sond, które hybrydyzują w sposób specyficzny dla mikrobów; sekwencjonujemy wszystko, co jest mikrobowe w próbce, stawia cię w idealnej sytuacji, aby dostosować się w ciągu kilku dni do nowego zagrożenia, którego nigdy wcześniej nie widziano”.

Podejście oparte na primerach lub pull-down ma tę wadę, że musi być zoptymalizowane i zweryfikowane. Ale Karius nie musi się o to martwić, o ile może zidentyfikować genom patogenu w swoich płynnych biopsjach. Od momentu, gdy test Karius wykryje nowy genom referencyjny, można go dodać do bazy danych i włączyć do zestawu innych patogennych genomów, na które należy zwrócić uwagę.

Gorączka

Podczas gdy we współpracy z BARDA kładzie się duży nacisk na przygotowanie na pandemię, istnieje wiele zastosowań klinicznych w wykrywaniu patogenów za pomocą genomów RNA. Podejście Karius może być zbawienne dla pacjentów z obniżoną odpornością lub nawet wtedy, gdy lekarze ścigają się, aby uzyskać wyniki testu wrażliwości na środki przeciwdrobnoustrojowe (AST). W końcu wiele testów AST może zająć od 48 do 72 godzin, podczas gdy test Karius zajmuje około 26 godzin, gdy próbka znajdzie się w ich placówce.

„Czas realizacji to jedna z cech, które nasi klienci cenią najbardziej” — powiedział Blauwkamp. „Mogą otrzymać wynik za pośrednictwem powiadomienia w aplikacji mobilnej lub bezpiecznego portalu internetowego, a my nadal wysyłamy bezpieczny faks elektroniczny do laboratorium wysyłającego zamówienie”.

Według Blauwkampa ich test może być ogromną pomocą w pomaganiu pacjentom z rosnącą lub uporczywą gorączką. Obecnie gorączka nieznanego pochodzenia lub neutropenia często wymagają próbki nienaruszonej zakażonej tkanki lub płynu. Jeśli podejrzewa się, że jest spowodowana infekcją płuc, lekarz spróbuje uzyskać próbkę plwociny lub płynu z płukania oskrzelikowego. W przypadku zapalenia wsierdzia lekarz może spróbować uzyskać fragment zakażonej zastawki serca.

„Pomysł z gorączką polega na tym, że możesz nie mieć pojęcia, jaki materiał pobrać, nawet jeśli jesteś gotów wydać wszystkie pieniądze świata na diagnostykę — nadal nie wiesz, gdzie szukać” — powiedział Blauwkamp. „Tak więc unikalne podejście, które tutaj oferujemy, polega na tym, że podejście z biopsją płynną omija potrzebę wiedzy, gdzie znajduje się infekcja i oferuje wiele użyteczności z tej perspektywy. Na przykład w przypadku pacjentów, którzy zgłaszają się z gorączką, uważamy, że włączenie RNA znacznie zwiększy użyteczność, jaką możemy zaoferować tym pacjentom”.

Już niedługo miną dni, w których najlepszą rzeczą, jaką lekarze mogą zrobić dla kogoś z niepokojącą gorączką, jest zakopanie go w okładach z lodu i nadzieja, że ​​niezdiagnozowana infekcja ustąpi sama. Każdy nowy genom drobnoustrojów wykryty przez test Karius może posłużyć jako podstawa zupełnie nowego antybiotyku lub leku przeciwwirusowego. Może dać pacjentom szansę na walkę z tym konkretnym szczepem w niekończącej się wojnie ze światem drobnoustrojów.