ViroScan на Джо ДеРиси разгадава мистерии в медицината

Биохимикът Джо ДеРиси разказва за невероятни нови методи за диагностика на вируси (и лекуване на болестите които те причиняват) с помоща на ДНК. Неговите постижения може да ни помогнат да разберем маларията, САРС, птичи грип - и 60 процента от всекидневните вирусни инфекции които остават недиагностицирани.

Как можем да проучваме

тази флора от вируси, която ни заобикаля, и да подпомагаме медицината?

Как можем да превърнем натрупаните си познания по вирология

в един-единствен, подръчен диагностичен анализ?

Искам веднага да превърна всичко, което знаем за откриването на вируси

и за спектъра от съществуващи вируси

в, да кажем, един малък чип.

Когато започнахме да мислим за този проект...

как бихме направили един-единствен диагностичен анализ

за пресяване за всички патогени едновременно...

ами, с тази идея има няколко проблема.

Първо, вирусите са доста сложни,

а също така еволюират много бързо.

Това е пикорнавирус.

Пикорнавирусите... те включват

обикновената настинка, полиомиелита и подобни неща.

Гледаш външната черупка на вируса -

жълтият цвят тук са онези части от вируса,

които еволюират много, много бързо,

а сините части не еволюират много бързо.

Когато хората мислят за създаване на реагенти за пан-вирално откриване,

обикновено бързото развитие е проблем,

защото как може да откриваме нещо, ако то постоянно се променя?

Но еволюцията е баланс:

когато има бърза промяна, има също и ултра-консервация -

неща, които почти никога не се променят.

И така, разгледахме това малко по-внимателно,

и сега ще ви покажа данни.

Това са просто някои неща, които може да направите на компютъра в къщи.

Взех куп от тези малки пикорнавируси

като обикновената настинка, полиомиелита и така нататък,

просто ги разбих на малки сегменти,

така направих този пръв пример, наречен Коксакивирус

и просто го разбих на малки прозорци.

Оцветявам тези малки прозорци в синьо,

ако друг вирус споделя идентична секвенция в генома си

с този вирус.

Тези секвенции тук горе...

които дори не са код за протеин, между другото...

са почти абсолютно идентични при всички тези,

така че бих могъл да използвам тази секвенция като маркер

за откриване на широк спектър от вируси,

без да се налага да правя нещо индивидуално.

А тук има огромно разнообразие:

ето къде нещата се равиват бързо.

Тук долу виждате по-бавната еволюция: по-малко разнообразие.

Докато стигнем тук навън до, да кажем,

вируса на острата пчелна парализа...

вероятно е много зле да го пипнеш, ако си пчела...

този вирус няма почти никакви сходства с коксакиевирус,

но мога да ви гарантирам, че секвенциите, най-много запазени

сред тези вируси от дясната страна на екрана

са в идентични региони тук горе.

И така можем да капсулираме тези региони на ултра-консервация

чрез еволюция... как са еволюирали тези вируси...

просто като изберем ДНК елементи или РНК елементи

в тези региони, които да представим на нашия чип като реагенти за откриване.

Ето какво направихме, но как да го сторим?

Ами, от дълго време, откакто бях в университета

бърникам и правя ДНК чипове...

тоест, отпечатвам ДНК върху стъкло.

Ето какво виждате тук:

тези малки солени петна са просто ДНК, прикрепена на стъкло,

така че мога да сложа хиляди такива на нашия стъклен чип

и да ги използвам като реагент за откриване.

Отнесохме нашия чип в "Хюлет-Пакард",

разгледахме едно от тези петна с техния атомно захранван микроскоп

и ето какво виждате:

всъщност виждате нишките ДНК, легнали на стъклото тук.

Онова, което правим, е просто да отпечатваме ДНК върху стъкло...

малки плоски неща... и това ще са маркери за патогени.

Така, правя малки роботи в лабораторията, които да правят тези чипове

и наистина ме бива в разпространението на технология.

Ако имате достатъчно пари да купите само едно "Камри",

и вие може да изградите едно от тези

и затова поставяме задълбочен наръчник в мрежата, напълно безплатно,

по същество с широко достъпни части...

може да изградите машина за анализ на ДНК в гаража си.

Ето частта за изключително важния стоп превключвател.

(Смях)

Всяка важна машина трябва да има едно голямо червено копче.

Но всъщност е доста яка.

Всъщност може да правите ДНК чипове в гаража си

и да декодирате някои генетични програми доста бързо. Много е забавно.

(Смях)

И така, онова, което правихме... наистина страхотен проект...

започнахме просто като направихме чип за дихателни вируси.

Говорих за това...

разбирате ли, ситуацията, при която влизаш в клиниката

и не ти поставят диагноза?

Е, по същество просто поставяме всички човешки дихателни вируси

на един чип, а включихме и вируса на херпес за цвят...

искам да кажа, защо не?

Първото, което правиш като учен е,

трябва да се увериш, че това нещо работи.

Затова просто взехме клетки от тъканни култури

и ги заразихме с различни вируси,

взехме материала и сложихме флуоресцентни етикети на нуклеиновата киселина,

генетичния материал, който излиза от тези клетки от тъканни култури...

най-вече вирусен материал... и го сложихме върху анализа, за да видим къде ще прилегне.

Ако ДНК секвенциите съвпаднат, ще прилепнат заедно,

затова можем да гледаме петната.

Ако петната светнат, знаем, че там вътре има определен вирус.

Ето как изглежда един от тези чипове,

а тези червени петна всъщност са сигнал, идващ от вируса.

Всяко петно представлява различно семейство вирус

или видове вирус.

Това е труден начин да се разглеждат нещата,

затова просто ще кодирам нещата като малък баркод,

групирани по семейство, така че да може да видите резултатите по много интуитивен начин.

Онова, което направихме беше да вземем клетки от тъканни култури

и да ги заразим с аденовирус,

и виждате този малък жълт баркод до аденовирус.

Подобно заразихме с параинфлуенца-3...

това е парамиксовирус... и виждате малък баркод тук.

А после направихме дихателен синкитиален вирус.

Това е бичът на всички детски градини...

по същество прилича на бугеремия.

(Смях)

Виждате... виждате, че този баркод е в същото семейство,

но е различен от параинфлуенца-3,

която причинява много лоша настинка.

Така че получаваме уникални сигнатури, пръстов отпечатък за всеки вирус.

Полио и рино: те са в едно и също семейство, много близки един до друг.

Рино е обикновената настинка, а всички знаете какво е полиомиелит,

и виждате, че тези сигнатури са различни.

А свързаният със саркомата на Капоши херпесен вирус

дава хубава сигнатура тук долу.

И така, няма една ивица или нещо такова,

което да показва, че имам определен тип вирус тук,

а баркодът, който представлява цялото нещо.

Така, виждам риновирус...

а тук е увеличението на малкия баркод на риновируса...

ами различните риновируси?

Как да разбера кой риновирус имам?

Има 102 познати варианта на обикновената настинка,

а има само 102, защото на хората им омръзва да ги събират:

всяка година има нови.

И така, тук има четири различни риновируса

и виждате, дори с просто око,

без никакво завързано компютърно напасване на модели

и софтуерни алгоритми за разпознаване,

че може да различите тези баркодове един от друг.

Това е малко евтин кадър,

защото знам каква е генетичната секвенция на всички тези риновируси

и всъщност съм проектирал чипа

изрично за да мога да ги различа,

ами риновирусите, които никога не са виждали генетична секвенция?

Не знаем каква е секвенцията; просто се изтеглят на място.

Ето четири риновируса,

за които никога не сме знаели нищо...

никой никога не се е занимавал със секвенциите им... и също виждате,

че се получават уникални и неразличими модели.

Може да си представите изграждането на някаква библиотека, била тя реална или виртуална,

от отпечатъци на практически всеки вирус.

Но това отново е като да стреляш по риба в буре, нали?

Имаш клетки от тъканни култури: има един тон вирус.

Ами истинските хора?

Не можеш да контролираш истинските хора, както вероятно знаете.

Нямате представа кога някой ще се изкашля в чаша,

а това вероятно е наистина сложно, нали?

Може да има много бактерии, може да има повече от един вирус

и със сигурност има генетичен материал от гостоприемника,

така че как да се справим с това?

И как да осъществяваме позитивния контрол тук?

Е, много просто.

Това съм аз, правят ми промивка на носа.

Идеята е експериментално да заразяваме хора с вирус,

така че... това е одобрено от Институционния контролен борд, между другото - платено им е.

И по същество експериментално заразяваме хора

с вируса на обикновената настинка.

Или, дори по-добре - просто да вземем хора

направо от спешното отделение...

неопределени, придобити от общността инфекции на дихателния тракт.

Нямате представа какво влиза през вратата.

Да започнем първо с позитивния контрол,

при което знаем, че лицето е било здраво.

Инжектират им вирус в носа,

да видим какво се случва.

Ден нула: не се случва нищо.

Здрави са; чисти са... изумително е.

Всъщност мислехме, че назалният тракт може би е пълен с вируси,

дори ако се разхождаш наоколо здрав.

Той е доста чист. Ако си здрав, си доста здрав.

Ден втори получаваме много енергичен модел на риновирус,

доста подобен на онова, което получаваме в лабораторията,

като правим експеримента си с тъканни култури.

Това е страхотно, но отново, евтин кадър, нали?

Пъхаме един тон вируси в носа на този тип. И така...

(Смях)

...искам да кажа, искахме да подейства. Имам предвид, той наистина имаше настинка.

Ами хората, които влизат от улицата?

Има двама индивиди, представени от анонимните си идентификационни кодове.

И двамата имат риновируси; никога не сме виждали този модел в лабораторията.

Направихме секвенции на част от техните вируси;

те са нови вируси, каквито всъщност никой не е виждал.

Помните, че нашите еволюционно запазени секвенции,

които използваме при този анализ ни позволяват да откриваме

дори непознати досега или нехарактеризирани вируси,

защото подбираме онова, което е консервирано по време на еволюцията.

Ето и друг. Тук може сами да играете играта на диагнозата.

Тези различни блокове представят

различните вироси в това парамиксовирусно семейство,

така че може един вид да слизаш по блоковете

и да видиш къде е сигналът, разбирате ли.

Е, няма кучешко неразположение (Гана); това вероятно е добре.

(Смях)

Но докато стигнеш до девети блок,

виждаш този дихателен синкитиален вирус.

Може би има деца. И тогава виждате също

членът от семейството, който е свързан: RSVB се показва тук.

Така че това е страхотно.

Ето друг индивид, от когото са взети проби в два отделни дни...

повторни посещения в клиниката.

Този индивид има параинфлуенца-1

и виждате, че тук има една малка ивица

за вируса сендай: това е миша параинфлуенца.

Генетичните връзки са много близки тук. Много забавно.

И така, изградихме чипа.

Направихме чип, върху който има всеки познат вирус, откриван някога.

Защо не? Всеки растителен вирус, всеки насекомен вирус, всеки морски вирус.

Всичко, което можахме да измъкнем от ГенБанк...

тоест, националното хранилище за секвенции.

Сега използваме този чип. А за какво го използваме?

Е, първо, когато имаш такъв голям чип,

ти е нужна малко повече информатика,

затова проектирахме системата да поставя автоматична диагноза.

А идеята е, че просто имаме вирусни модели...

защото никога няма да получим проби от всеки вирус;

би било практически невъзможно. Но можем да получим виртуални модели

и да ги сравняваме с наблюдавания резултат,

което е много сложна смес, и да излезем с някакъв вид резултат

за това доколко е вероятно това да е риновирус, или нещо такова.

Ето как изглежда.

Ако, например, се използва клетъчна култура,

хронично заразена с папилома,

тук се получава малко компютърно съобщение,

а нашият алгоритъм казва, че вероятно е папилома тип 18.

С това всъщност са хронично заразени

тези клетъчни култури.

Да направим нещо малко по-трудно.

Слагаме пейджъра в клиниката.

Когато се появи някой и болницата не знае какво да прави,

защото не могат да поставят диагноза, се обаждат на нас.

Това е идеята, и уреждаме това в районът на Санфранциския залив.

И така, докладът за този случай беше преди три седмици.

Имаме 28-годишна здрава жена, без пътувания,

[неясно], не пуши, не пие.

10-дневна температура, нощно изпотяване, кървава слюнка...

кашля кръв... мускулни болки.

Отишла в клиниката, дали й антибиотици

и я изпратили вкъщи.

Върнала се след десет дни с висока температура... още имала температура...

и била хипоксична... нямала много кислород в белите си дробове.

Направили компютърна томография.

Един нормален бял дроб е тъмен и черен тук.

Всичко това, бялото... не е добре.

Тази формация, подобна на дърво и пъпки, показва, че има възпаление;

вероятно е да е инфекция.

Така. Значи, тогава пациентката била лекувана

с антибиотик цефалоспорин трето поколение и доксициклин,

а на третия ден, това не помогнало; състоянието й се влошило до остра недостатъчност.

Трябвало да я интубират, затова поставили тръба в гърлото й

и започнали да я вентилират механично.

Вече не можела да диша сама.

А какво да правят после? Не знаели.

Да сменят антибиотиците - затова сменили с друг антибиотик

и "Тамифлу", което...

не е ясно защо са смятали, че тя има грип...

но сменили с "Тамифлу".

А на шестия ден по същество се отказали.

Отворена белодробна биопсия се прави, когато нямаш други възможности.

Има осемпроцентна смъртност само при провеждане на тази процедура,

така че по същество... а какво научават от нея?

Гледате нейната отворена белодробна биопсия.

Не съм патолог, но от това не може да се разбере много.

Може да се разбере само, че има силно подуване: бронхиолит.

Не е разкрила нищо; това е докладът на патолога.

А какви тестове са й провели?

Разбира се, имат свои собствени тестове,

така че я тествали за над 70 различни проби,

за всеки вид бактерия, гъбички и вирусни проби,

които може да се купят:

SARS, метапневмовирус, ХИВ, RSV... всичко това.

Всичко излязло отрицателно. Тестове на стойност над 100 000 долара.

Имам предвид, че са направили максимума за тази жена.

И всъщност на осмия ден в болницата ни се обадиха.

Дадоха ни ендотрахиален аспират...

малко течност от гърлото,

от една тръба, която поставили там... и ни дадоха това.

Поставихме го на чипа и какво видяхме? Е, видяхме параинфлуенца-4.

А какво е параинфлуенца-4, по дяволите?

Никой не прави тестове за параинфлуенца-4. На никого не му пука за нея.

Всъщност дори не са правени кой знае колко секвенции за нея.

За съвсем малка част от нея е правена секвенция.

Почти няма епидемиология или проучвания за нея.

Никой никога не би я взел предвид,

защото на никого не може да му хрумне, че тя може да предизвика дихателна недостатъчност.

А защо така? Просто наука. Няма данни...

няма данни, които да подкрепят дали тя причинява тежко или леко заболяване.

Явно имаме случай на здрав човек, който е повален.

Това е доклад за един случай.

Ще ви кажа едно последно нещо през последните две минути,

което е непубликувано... ще излезе утре...

един интересен случай за това как би могъл да се използва този чип

за откриване на нещо ново и за отваряне на нова врата.

Рак на простатата. Не е нужно да ви давам много статистически данни

за рака на простатата. повечето от вас вече знаят:

трета водеща причина за смърт от рак в САЩ.

Много рискови фактори,

но има генетично предразположение към рак на простатата.

За може би около 10 процента от рака на простатата

има хора, които са предразположени към него.

А първият ген, който бил описан в проучвания за връзка

за този ранно проявяващ се рак на простатата бил един ген, наречен RNASEL.

Какво е това? Това е ензим за антивирусна защита.

Значи, седим и си мислим:

Защо мъже, които имат мутацията,

дефект в системата за антивирусна защита, се разболяват от рак на простатата?

Изглежда безсмислено - освен ако е възможно да има вирус.

Затова включваме тумори... а сега имаме над 100 тумора... в своя анализ.

Знаем кой има дефекти в RNASEL и кой не.

Тук ви показвам сигнала от клипа

и ви го показвам заради блокажа на ретровирусни олиго.

Онова, което ви казвам тук от сигнала е,

че мъже, които имат мутация в този ензим за антивирусна защита

и които имат тумор, често имат... в 40 процента от случаите...

сигнатура, която разкрива един нов ретровирус.

Доста луда работа. Какъв е той?

Значи, клонираме целия вирус.

Първо ще ви кажа, че едно малко автоматизирано предвиждане ни каза,

че той е много подобен на един миши вирус.

Но това не ни казва кой знае какво,

така че всъщност клонираме цялото нещо.

А вирусният геном, който ви показвам тук?

Това е класически гама ретровирус, но е напълно нов;

никой не го е виждал преди.

Най-близкият му роднина всъщност е от мишки,

затова бихме го нарекли ксенотропичен ретровирус,

защото заразява видове, различни от мишки.

А това е малко филогенично дърво,

за да се види как е свързан с други вируси.

После сме го правили за много пациенти

и можем да кажем, че всички те са независими инфекции.

Всички имат същия вирус,

но са достатъчно различни, за да има причина да се вярва,

че са го придобили независимо.

Дали наистина е в тъканта? Ще приключа с това. Да.

Вземаме парчета от тези биопсии от туморна тъкан,

всъщност използваме материала, за да локализираме вируса

и откриваме тук клетки с вирусни частици в тях.

Те наистина имат този вирус.

Причинява ли този вирус рак на простатата?

Нищо от това, което казвам тук, не загатва за причинност. Не знам.

Дали е връзка с онкогенезиса? Не знам.

Дали тези просто са по-податливи на вируси?

Възможно е. И може да няма нищо общо с рака.

Но е възможност.

Имаме силна връзка между присъствието на този вирус

и една генетична мутация, която е била свързана с рака.

Ето докъде сме.

Боя се, че това отваря повече въпроси от онези, на които отговаря,

но нали знаете, че науката е наистина добра в това.

Всичко това се върши от хората в лабораторията -

не мога да си приписвам заслуги за повечето от това.

Това е сътрудничество между мен и Дон.

Това е човекът, който стартира проекта в моята лаборатория

и това е човекът, който се занимава с простатата.

Много благодаря.