El chip ViroScan de Joe DeRisi resuelve misterios médicos

El bioquímico Joe DeRisi habla acerca de las asombrosas nuevas formas de diagnosticar virus (y tratar las enfermedades que provocan) utilizando el ADN. Su trabajo puede ayudarnos a comprender la malaria, el SARS, la gripe aviar, y el 60% de las enfermedades virósicas cotidianas que escapan al diagnóstico.

¿Cómo podemos hacer, cómo podemos investigar

la flora de virus que nos rodean, y ayudar a la ciencia médica?

¿Cómo podemos convertir nuestro conocimiento acumulado sobre la virología

en un ensayo químico para el diagnóstico sencillo, único y manejable?

Quiero convertir todo lo que sabemos ahora mismo sobre la detección de virus

y el espectro de virus que están ahí fuera

en, pongamos, un pequeño chip.

Cuando comenzamos a pensar en este proyecto --

cómo podríamos hacer un único ensayo químico de diagnóstico

para buscar de forma simultánea todos los patógenos --

bueno, resultó que había algunos problemas con la idea...

Para empezar, los virus son bastante complejos.

Pero además, estan evolucionando con mucha rapidez.

Este es un picornavirus.

Los picornavirus - estos son los virus que incluyen

cosas como el resfriado común y la polio, entre otras.

Esto que vemos aquí es el cápside del virus,

y el color amarillo aquí indica aquellas partes del virus

que evolucionan con mucha, mucha rapidez.

y las partes azules en cambio no evolucionan tan rápidamente.

Cuando la gente piensa en hacer reactivos de detección pan-virales

habitualmente el problema está en las partes que evolucionan rápidamente.

Porque...¿cómo podemos detectar cosas si están cambiando continuamente?

Pero la evolución es un equilibrio

donde tienes cambios muy rápidos, también tienes ultra conservación --

cosas que casi nunca cambian.

Así que decidimos mirar en esto un poco más cuidadosamente

y os voy a mostrar ahora unos datos...

Esto son simplemente cosas que se pueden hacer con un ordenador de escritorio

Cogí un puñado de estos pequeños picornavirus

como el resfriado común, la polio, etc.,

y los partí en pequeños segmentos

así que cogí este primer ejemplo, que se llama Coxsackievirus,

lo parto en pequeñas ventanas

y coloreo estas pequeñas ventanas en azul

si algún otro virus comparte una secuencia genética idéntica

al primer virus.

Estas secuencias aquí arriba --

que, por cierto, ni siquiera codifican proteínas --

son casi completamente idénticas en todos estos

de forma que podía usar esta secuencia como marcador

para detectar un amplio conjunto de virus

sin tener que hacer algo individual.

Aquí en cambio hay mucha diversidad,

aquí es donde las cosas evolucionan con rapidez.

Más abajo aquí podéis ver una evolución más lenta : menos diversidad.

Para cuando hayamos llegado a, pongamos por ejemplo,

el virus de la parálisis aguda de las abejas

(probablemente un mal virus si uno es una abeja)

este virus practicametne no guarda similitud con el Coxsackievirus,

pero puedo garantizaros que las secuencias que están más conservadas

entre estos virus en la parte derecha de la pantalla

están en idénticas regiones aquí

Así que podemos encapsular estas regiones de ultra-conservación

a través de la evolución - cómo estos virus evolucionaron -

seleccionando bien elementos de ADN o ARN

en estas regiones para representar sobre nuestro chip como si fuesen reactivos detectores

Así que eso es lo que hicimos, pero ¿cómo conseguirlo?

Bueno, durante mucho tiempo, desde la facultad

siempre he estado jugando con chips de ADN.

es decir, imprimiendo ADN sobre vidrio..

y esto es precisamente lo que veis aquí...

Estas pequeñas motas de sal son fragmentos de ADN incrustados en vidrio.

de forma que puedo poner miles de estas motas en nuestro chip de vidrio

y usarlas como reactivo de detección.

Llevamos nuestro chip a Hewlett-Packard

y usamos su microscopio atómico sobre una de estas motas

y esto es lo que se puede ver:

se pueden realmente apreciar los filamentos de ADN sobre el vidrio.

Así que lo que estamos haciendo es simplemente imprimir ADN sobre vidrio -

pequeñas cosas planas - y estas cosas van a ser nuestros marcadores para detectar patógenos

Ok, Yo suelo hacer pequeños robots de laboratorio para fabricar estos chips.

y realmente quiero diseminar la tecnología.

Si tenéis suficiente dinero para comprar un Camry,

podéis construir uno de estos.

Así que publicamos en la Web una guía exhaustiva, totalmente gratuita,

mediante la cual básicamente con piezas estándar

podéis construir una máquina de chips ADN en vuestro garaje.

Esta es la sección sobre el importantísimo botón de parada de emergencia.

(Risas)

Toda máquina importante debe tener un gran botón rojo.

No, en serio, es bastante robusta.

Realmente podríais estar fabricando chips de ADN en vuestro garaje.

y decodificando algunos programas genéticos con bastante rapidez. Es muy divertido.

(Risas)

Y esto es precisamente lo que hicimos - y es un proyecto muy interesante -

comenzamos simplemente haciendo un chip para los virus respiratorios.

Por ejemplo, hablé de

la situación en la que uno va a la clínica

y no se le diagnostica.

Bueno, nosotros básicamente pusimos todos los virus respiratorios humanos

en un único chip, y añadimos el herpes como "extra".

¿Y por qué no?

Lo primero que uno hace como científico es

asegurarse de que la cosa funciona.

Así que cogimos tejidos cultivados

y los infectamos con diferentes virus

y cogemos y etiquetamos de forma fluorescente el ácido nucléico,

el material genético que procede de estas células cultivadas -

principalmente viral - y lo pegamos sobre el chip para ver dónde se queda encajado.

Ahora bien, si las secuencias de ADN cuadran, se quedarán pegadas juntas

y así podemos mirar en determinados sitios.

Si estos sitios brillan, sabemos que hay un determinado tipo de virus allí.

Este es el aspecto que uno de estos chips tiene realmente.

y todas estas zonas rojas son realmente señales provenientes del virus.

Y cada zona representa una familia diferente de virus

o especie de virus.

Pero esto es una forma difícil de analizar las cosas,

de forma que simplemente voy a codificar las cosas en forma de un pequeño código de barras

agrupados por familia, de forma que se puedan ver los resultados de una forma muy intuitiva.

Lo que hicimos es, coger células cultivadas,

infectarlas con adenovirus

y podéis ver este pequeño código de barras amarillo cerca de adenovirus.

De la misma forma, las infectamos con parainfluenza-3

- esto es un paramyxovirus - y podéis ver el código de barras aquí.

Y también lo hicimos con el virus sincicial respiratorio

Que es la peste de los centros materno-infantiles en todas partes.

Es como una epidemia de mocos, realmente

(Risas)

Se puede ver - podéis ver que este código de barras está en la misma familia.

pero es distinto de la parainfluenza-3

que te causa un resfriado muy fuerte

Así que estamos obteniendo diferentes firmas - una "huella dactilar" de cada virus

Polio y Rhino - están en la misma familia, muy próximos el uno al otro

El Rhinovirus es la causa del resfriado común, y todos sabéis lo que es la polio

y podéis ver que las firmas son diferentes.

Y el virus del sarcoma de Kaposi

da una bonita firma aquí abajo

De forma que no es una única banda o algo

lo que dice que tengo un virus de un tipo particular;

es el código de barras en completo el que representa al virus en su totalidad.

Bien, puedo ver un rhinovirus

y aquí está el pequeño código de barras del rhinovirus expandido...

pero, ¿qué pasa con los diferentes rhinovirus?

¿Cómo sé qué tipo de rhinovirus tengo?

Hay 102 variantes conocidas del resfriado común,

y sólo hay 102 porque la gente se aburrió de recolectarlas:

hay simplemente nuevas todos los años

Así que, aquí tenemos cuatro rhinovirus diferentes

y como podéis ver, incluso simplemente mirando,

sin ninguna clase de software de reconocimiento de patrones

o algoritmos complejos

que los códigos de barras se diferencian entre sí.

Bueno, esto es probablemente algo fácil de decir

porque yo sé cuál es la secuencia genética de todos estos rhinovirus,

y de hecho yo diseñé el chip

específicamente para ser capaz de diferenciarlos,

pero ¿qué pasa con los rhinovirus que nunca han visto un secuenciador genético?

No sabemos cuál es la secuencia: simplemente los recogemos del ambiente.

Así que - aquí hay cuatro rhinovirus

de los cuales nunca hemos sabido nada anteriormente -

de hecho nunca nadie los había secuenciado previamente; podéis ver

que se obtienen patrones únicos y diferenciados para cada uno de ellos.

Os podéis imaginar construyendo una especie de librería - real o virtual

de "huellas dactilares" de todos los virus

Pero, de todas formas, eso es pan comido ...

tenemos células cultivadas, hay una multitud de virus.

¿Qué pasa con las personas reales?

No se puede controlar a las personas reales, como probablemente sepáis

No tenéis ni idea de lo que alguien puede echar al estornudar en una taza

y probablemente sea bastante complejo, ¿verdad?

Podría tener muchas bacterias, podría tener más de un virus

y ciertamente tiene un montón de material genético de la propia persona

así que .. ¿cómo nos las apañamos con esto?

¿Y cómo ejercemos algún tipo de control positivo aquí?

Bueno, es bastante sencillo

Este soy yo, sufriendo una lavativa nasal.

La idea es - vamos a inocular a la gente experimentalmente con algunos virus

así que - esto todo está aprobado, por cierto, todos ellos cobraron por esto -

así que básicamente inoculamos experimentalmente a gente

con el virus del resfriado común

o incluso mejor, cojamos gente

directamente de las urgencias

con infecciones indefinidas del tracto respiratorio.

No tenemos ni idea de lo que entra por la puerta.

De forma que comencemos primero con un control positivo -

donde conocemos que la persona estaba sana

Inoculamos a la persona a través de la nariz con el virus

y veamos qué pasa.

En el día cero : nada especial

Están sanos, están limpios - es increíble.

nosotros realmente pensábamos que el tracto nasal estaría lleno de virus

incluso cuando uno está sano.

Pero está bastante limpio: Si estás sano, estás realmente sano.

Día dos : obtenemos un patrón muy fuerte típico de un rhinovirus

y muy similar a lo que obtuvimos en el laboratorio

durante nuestro experimento con las células cultivadas.

Así que eso está genial, pero fue fácil.

Metimos una tonelada de virus por la nariz de este chico, así que

(Risas)

- quiero decir, queríamos que funcionara.. El realmente tuvo un buen resfriado.

Pero, ¿qué pasa con la gente que viene directamente de la calle?

Aquí tenemos a dos individuos representados por sus códigos de identificación anónimos

Ambos tienen rhinovirus; nunca hemos visto este patrón en el laboratorio.

Hemos secuenciado parte de su virus;

son rhinovirus nuevos que nunca nadie ha visto anteriormente.

Recordemos que nuestras secuencias estables evolutivamente

son las que estamos utilizando en este chip para detectar

incluso virus nuevos o no caracterizados

porque nos fijamos en aquello que se conserva a través de su evolución.

Aquí tenemos a otra persona. Vosotros mismos podéis jugar al juego del diagnóstico.

Cada uno de estos bloques diferentes representan

diferentes virus de la familia de los paramyxovirus

de forma que podemos ir a lo largo de la lista

y ver dónde está la señal.

Bien, no tiene moquillo canino, lo cual probablemente sea bueno

(Risas)

para cuando hayamos llegado al bloque nuevo

veremos que tiene un virus sincicial respiratorio

A lo mejor tienen hijos. Y podemos ver también

el miembro de la familia que está relacionado. El RSVB (Virus Sincicial Respiratorio B) aparece aquí también...

Esto está muy bien.

Aquí tenemos a otra persona, con muestras tomadas en dos días diferentes

en visitas diferentes a la clínica

Esta persona tiene virus paragripal 1

y podéis ver que hay una pequeña banda aquí

para el virus Sendai - este es el virus Sendai - el virus paragripal de los ratones

sus relaciones genéticas son muy próximas. Esto es verdaderamente divertido.

Así que, construimos el chip.

Construimos un chip que tiene sobre él todos los virus que han sido descubiertos.

¿Por qué no? Cada virus de planta, cada virus de insecto, cada virus marino.

Todo lo que pudimos extraer de GenBank -

es decir, el almacén nacional de secuencias.

Y ahora estamos utilizando este chip. ¿Para qué lo utilizamos?

Bueno, en primer lugar, cuando tenemos un chip tan grande como este

necesitamos un poco más de informática,

así que diseñamos al sistema para hacer diagnósticos automáticos.

La idea es - simplemente tenemos patrones virtuales -

porque nunca vamos a ser capaces de obtener muestras de cada virus;

sería virtualmente imposible. Pero podemos obtener patrones virtuales

y compararlos con el resultado observado,

que es una mezcla muy compleja, y llegar a un cierto tipo de "puntuación"

sobre cómo de probable es que se trate de un rinovirus o algo similar.

Y este es el aspecto que tiene.

Por ejemplo, si hemos utilizado un cultivo de células

con una infección crónica de papiloma

se obtiene una pequeña lectura computerizada

y nuestro algoritmo indica que probablemente se trate de papiloma del tipo 18.

Y, de hecho, esto es precisamente el tipo de papiloma con el cual este cultivo en particular

estaba crónicamente infectado.

Así que vamos a hacer algo un poco más difícil.

Vamos a colocar nuestro sistema en la clínica.

De forma que cuando alguien aparece y el hospital no sabe lo que hacer

porque no pueden diagnosticarlo, nos pueden llamar.

Esa es la idea, y estamos implantándola en el Área de la Bahía de San Francisco.

Por ejemplo, este caso ocurrió hace tres semanas.

Tenemos una mujer de 28 años, sana, sin historial de viajes

no fuma, no bebe

una historia de fiebres durante 10 días, sudores nocturnos, expectoración con sangre

está literalmente tosiendo sangre - dolores musculares.

Fue a la clínica y le dieron antibióticos. Bien,

y la mandaron a casa.

Volvió diez días más tarde, todavía con fiebre

y además hipóxica - no tiene mucho oxígeno en sus pulmones.

Le hicieron una tomografía

Un pulmón normal es generalmente negro y oscuro

y todas estas cosas blancas - no son buena señal.

Este tipo de formación semejante a un árbol indica que hay inflamación

que es probablemente una infección.

OK, así que al paciente se le administra entonces

un antibiótico de tercera generación basado en la cefalosporina, y doxiciclina

pero no ayudó. Al tercer día, la paciente llegó al fallo respiratorio agudo.

Tuvo que ser intubada, así que le pusieron un tubo en la garganta

y comenzaron a ventilarla mecánicamente.

Ya no era capaz de respirar por sí misma.

¿Qué hacer a continuación? Ni idea.

Cambiar de antibióticos, así que le administraron otro antibiótico,

así como Tamiflu, aunque

no está claro por qué pensaban que ella tenía la gripe,

pero el caso es que cambiaron a Tamiflu.

Y al sexto día, básicamente tiraron la toalla.

Se hace una biopsia a pulmón abierto cuando ya no quedan más opciones.

Hay un índice de mortandad del 8% simplemente por hacer este procedimiento.

así que básicamente - ¿qué obtuvieron de la biopsia?

Aquí podéis ver el resultado de su biopsia.

Yo no soy ningún patólogo, pero no se puede decir mucho a partir de este resultado.

Lo único que se puede decir, es que hay mucha inflamación - bronquiolitis

Resultado indeterminado, este fue el informe del patólogo.

Así que, ¿qué tests le hicieron?

Ellos tenían sus propias pruebas, por supuesto

así que probaron más de 70 ensayos diferentes½

para cada tipo de bacteria, hongo o virus

para el que se pudiera comprar un ensayo

SARS, metapneumovirus, VIH, RSV - todos estos

Todo salió negativo. Más de 100.000 dólares de pruebas.

Quiero decir, ellos realmente lo intentaron todo con esta mujer.

Y al octavo día, nos llamaron.

Nos dieron un aspirado endotraqueal

esto es, el pequeño fluido del interior de la garganta

a partir de este tubo aquí abajo, y nos lo dieron

Lo colocamos sobre el chip y ¿que vemos? - El virus paragripal 4

¿Qué diablos es el virus paragripal 4?

Nadie nunca hace pruebas para el virus paragripal 4. A nadie le importa.

De hecho, ni siquiera está muy secuenciado genéticamente

Hay solo una pequeña parte de él secuenciada.

Apenas hay estudios epidemiológicos sobre él.

Nadie nunca lo hubiese considerado,

porque nadie sabía que podía causar un fallo respiratorio agudo.

¿Y por qué? Simplemente folklore. No hay datos -

no hay ningún tipo de datos para decir si causa enfermedades agudas o suaves.

Claramente, tenemos un caso de una persona sana que se está yendo.

Bien, este es un ejemplo.

Os voy a decir una última cosa en estos dos últimos minutos,

algo que todavía no está publicado - aparecerá mañana

y es un caso interesante sobre cómo se puede utilizar este chip

para encontrar algo nuevo y abrir una nueva puerta.

Cáncer de próstata. No necesito daros muchas estadísticas

sobre el cáncer de próstata. Muchos de vosotros ya las conocéis:

es la tercera causa de muerte por cáncer en los EEUU

Muchos factores de riesgo,

pero hay una predisposición genética al cáncer de próstata.

Para aproximadamente 10% de los casos de cáncer de próstata

hay personas que están predispuestas a él.

Y el primer gen que fue mapeado en los estudios

para este cáncer de próstata de aparición temprana, fue un gen llamado RNASEL.

¿Qué es esto? Es una enzima defensiva antiviral.

De forma que, estamos sentados aquí pensando :

¿Por qué hombres que tienen esta mutación,

un defecto en una enzima antiviral, desarrollan cáncer de próstata?

No tiene mucho sentido - salvo que, posiblemente, haya un virus.

Así que pusimos tumores - ahora tenemos más de 100 tumores - en nuestro chip

Y podemos saber quién tiene defectos en el gen RNASEL y quién no.

Y aquí os muestro el señal del chip

y aquí tenemos el bloque de los oligos retrovirales

Y lo que quiero deciros aquí a partir de esta señal es,

que los hombres que tienen una mutación en su enzima defensiva

y que además tienen un tumor, habitualmente tienen - en el 40% de los casos -

una señal que revela un nuevo tipo de retrovirus.

OK, esto es muy prometedor. ¿Qué podemos hacer?

Clonamos el virus completo.

En primer lugar, quiero deciros que una predicción automatizada nos adelantó

que es muy similar a un virus de los ratones.

Pero eso no nos dice realmente mucho,

así que clonamos todo el virus

y este es el genoma viral que os muestro aquí.

Es un genoma clásico de un retrovirus, pero es completamente nuevo:

nunca nadie lo ha visto antes.

Su pariente más cercano, de hecho, procede de los ratones

así que este sería un virus xenotrópico

porque está infectando a especies distintas de los ratones.

Y este es su pequeño árbol filogenético,

donde podemos ver cómo está relacionado con otros viruses.

Y lo hemos hecho para muchos pacientes

y podemos decir que son infecciones independientes.

Todos tienen el mismo virus,

pero son suficientemente diferentes, de forma que hay base para pensar

que han sido adquiridos de forma independiente.

¿Está realmente en los tejidos? Y finalizaré con esto. Sí.

Tomamos porciones de estas biopsias de tejido tumoral

y utilizamos métodos para localizar realmente el virus,

y encontramos células aquí con partículas virales en ellas.

Estos chicos realmente tienen el virus.

¿Causa este virus cáncer de próstata?

No lo sé. Nada de lo que estoy diciendo aquí implica causalidad.

¿Es un síntoma de oncogénesis? No lo sé.

¿O puede ser que simplemente esta gente es más susceptible al virus?

Puede ser. Y puede ser que no tenga nada que ver con el cáncer.

Pero es una puerta.

Tenemos una asociación fuerte entre la presencia de este virus

y una mutación genética vinculada al cáncer.

Así que aquí es donde estamos.

Me temo que eso nos da más preguntas que respuestas.

pero esto es precisamente aquello en lo que la ciencia es realmente buena.

Todo esto se ha hecho por los chicos del laboratorio;

yo realmente no puedo atribuirme la mayor parte.

Esta es una colaboración entre Don y yo

Este es el chico que comenzó el proyecto en mi laboratorio

y este es el que realizaba las investigaciones sobre la próstata.

Muchas gracias