ViroScanul lui Joe DeRisi rezolvă mistere medicale

Biochimistul Joe DeRisi vorbește despre noile modalități uimitoare prin care se pot depista virusurile (și trata bolile pe care acestea le provoacă) prin folosirea ADN-ul. Activitatea lui ne-ar putea ajuta să înțelegem malaria, SARS, gripa aviară și 60% din infecțiile virale obișnuite care nu sunt depistate.

Cum putem investiga

flora de virusuri care ne înconjoară și să ajutăm medicina?

Cum putem transforma cunoștințele noastre de virusologie

într-un singur test simplu, portabil pentru stabilirea diagnosticului ?

Vreau să transform tot ce știm despre detectarea virusurilor

și despre spectrul de virusuri care există

într-un mic cip.

Când am început să ne gândim la acest proiect -

cum să facem un test unic de diagnosticare

pentru a analiza toți agenții patogeni simultan -

am văzut că există niște probleme.

În primul rând, virusurile sunt destul de complexe,

și evoluează foarte repede.

Acesta este un picornavirus.

Picornavirusurile provoacă

gripa comună și poliomielita, boli precum acestea.

Acum priviți partea exterioară a virusului,

unde culoarea galbenă constituie acele părți ale virusului

care se dezvoltă foarte, foarte repede,

iar părțile albastre nu se dezvoltă foarte rapid.

Când oamenii creează reactivi care să detecteze toate virusurile,

de obicei, capacitatea lor de a se dezvolta rapid e o problemă,

cum putem detecta lucruri care se schimbă mereu?

Dar evoluția înseamnă echilibru:

unde există schimbări rapide, există și ultra-conservare -

lucruri care nu se schimbă aproape niciodată.

Am analizat acest lucru cu mai multă atenție,

și o să vă arăt concluziile.

Poți face asta de acasă, cu ajutorul unui computer.

Am luat câteva picornavirusuri,

care provoacă gripa comună, poliomielita etc.

și le-am separat în segmente mici;

am luat primul virus, virusul Coxsackie

și l-am separat în mici segmente.

Colorez aceste segmente mici în albastru

dacă alt virus are o secvența din genom identică

cu virusul respectiv.

Aceste secvențe de sus -

care nici nu codifică proteine -

sunt aproape identice la toate aceste virusuri,

deci aș putea folosi această secvență ca un marker

pentru a detecta un spectru larg de virusuri,

fără să fie nevoie să creez un marker pentru fiecare virus.

În partea asta, diversitatea e mare:

lucrurile evoluează rapid aici.

În partea de jos, evoluția e mai lentă, diversitatea mai redusă.

Până ajungem aici,

la virusul paraliziei acute la albine -

probabil că nu te simți bine, ca albină, dacă îl ai -

nu e aproape nicio asemănare între acest virus și virusul Coxsackie,

dar vă garantez că secvențele conservate cel mai bine

printre aceste virusuri din partea dreaptă a ecranului

se află în regiunile identice de aici, de sus.

Putem încapsula aceste regiuni de ultraconservare

de-a lungul evoluției

alegând elementele de ADN sau ARN

din aceste regiuni pentru a crea reactivi de detecție pe cipurile noastre.

Asta am făcut, dar cum punem acest lucru în practică?

Multă vreme, când eram doctorand,

m-am jucat încercând să creez cipuri ADN -

prin imprimarea ADN-ului pe sticlă.

Asta e ce vedeți aici:

aceste puncte mici constituie ADN lipit pe sticlă,

pot să pun mii de astfel de puncte pe cipul nostru de sticlă

și să le folosesc drept reactivi de detecție.

Am dus cipul la Hewlett-Packard

și am analizat un astfel de punct cu microscopul atomic

și asta e ce se vede:

puteți vedea fragmentele de ADN de pe sticlă.

Deci, copiem ADN-ul pe sticlă -

firișoarele acelea - și ele vor fi markerii pentru agenții patogeni.

Creez roboți mici în laborator pentru a face aceste cipuri

și chiar vreau să răspândesc tehnologia.

Dacă ai suficienți bani să cumperi un Camry,

poți și tu să construiești un astfel de robot,

am pus un manual detaliat, gratuit pe internet,

cumperi componente gata făcute -

și îți construiești un aparat de detectare a ADN-ului în garaj.

Iată secțiunea despre importantul întrerupător de urgență.

(Râsete)

Fiecare mașină importantă are un buton mare, roșu.

De fapt, e destul de simplu.

Poți să faci cipuri ADN în garaj

și să decodezi câteva programe genetice destul de rapid. E distractiv.

(Râsete)

Ce am făcut noi - chiar e un proiect interesant -

am început prin a face un cip cu virusurile sistemului respirator.

Am vorbit despre asta -

e acea situație în care te duci într-o clinică

și nu ești diagnosticat.

Punem toate virusurile sistemului respirator

pe un cip și mai adăugăm virusul herpesului ca să fim siguri -

adică, de ce nu?

Primul lucru pe care îl faci ca om de știință

e să te asiguri că lucrurile funcționează.

Asta am făcut, am luat celule din culturile celulare

și le-am infectat cu diverse virusuri,

apoi am colorat acidul nucleic cu material fluorescent,

materialul genetic care rezultă din aceste celule de cultură -

majoritatea material viral - și le-am pus pe lamelă să vedem unde se lipesc.

Dacă secvențele ADN se potrivesc, ele se vor lipi

și astfel ne putem uita la acele puncte.

Dacă punctele se luminează, știm că acolo e un virus.

Cam așa arată un astfel de cip

și punctele roșii sunt semnale care provin de la virus.

Fiecare punct reprezintă o familie diferită de virusuri,

de specii de virusuri.

Informația se înțelege greu în acest mod,

așa că o voi înregistra sub forma unui cod de bare,

grupat pe familii, ca să vedeți rezultatul într-un mod foarte intuitiv.

Am prelevat probe de culturi celulare

și le-am infectat cu un adenovirus

și puteți vedea acest mic cod de bare galben lângă adenovirus.

Le-am infectat și cu virusul paragripei de tip 3 -

e un paramixovirus - iată un mic cod de bare aici.

Apoi am folosit virusul respirator sincitial,

marea problemă a creșelor de peste tot -

în principiu, e ca boala mucusului nazal.

(Râsete)

Puteți vedea că acest cod de bare aparține aceleiași familii,

dar e diferit de paragripa 3,

care provoacă o răceală foarte puternică.

Avem urme unice, o amprentă pentru fiecare virus.

Virusurile poliomielitei și rinoreei: sunt din aceeași familie, sunt foarte asemănătoare.

Rinoreea este răceala comună și știți ce e poliomielita;

vedeți că aceste amprente sunt distincte.

Și virusul herpesului asociat cu sarcomul lui Kaposi

lasă o amprentă clară aici, în partea de jos.

Deci, nu o singură dungă sau alt lucru

îmi spune că am de-a face cu un virus anume;

codul de bare reprezintă, în ansamblul său, întregul virus.

Ok, pot vedea virusul rinoreei -

iată aici imaginea mărită a codului pentru virusul rinoreei -

dar cum rămâne cu diferitele rinovirusuri ?

De unde știu despre ce rinovirus e vorba?

Există 102 tipuri de gripă comună,

sunt doar 102 fiindcă oamenii se plictisesc adunându-le:

în fiecare an apar tipuri noi.

Aici sunt patru rinovirusuri diferite

și puteți vedea cu ochiul liber

fără vreun program sofisticat de recunoaștere,

fără softuri cu algoritmi de recunoaștere,

că puteți distinge aceste coduri de bare, unele de altele.

Nu prea joc corect

fiindcă știu care e secvența genetică a acestor rinovirusuri

și am proiectat cipul

special pentru a fi capabil să le deosebească,

dar ce facem cu rinovirusurile care nu au fost analizate de un secvențiator genetic?

Nu le cunoaștem secvența; tocmai le-am izolat.

Aici sunt patru rinovirusuri

despre care nu știam nimic -

nu le-a analizat nimeni secvența - și puteți vedea

că există tipare unice, distincte.

E ca și cum ai construi o bibliotecă, reală sau virtuală,

cu amprentele fiecărui virus.

Dar iar, e prea ușor, nu?

Gândiți-vă la culturile celulare: au o tonă de virusuri.

Ce se întâmplă în cazul oamenilor?

Nu poți controla oamenii, după cum știți probabil.

Nu știi ce virusuri se transmit pe o cană prin tuse,

probabil e un lucru complex, nu?

S-ar putea să fie multe bacterii, mai multe virusuri,

care au cu siguranță material genetic.

Ce facem acum?

Cum realizăm un control pozitiv în acest caz?

E destul de simplu.

Ăsta-s eu, în timp de mi se fac spălături nazale.

Ideea e ca oamenii să fie inoculați experimental cu un virus

pentru ca noi - apropo, Comisa de etică și-a dat acordul. Au primit bani.

În principiu, inoculăm oamenii

cu virusul gripei comune.

Sau și mai bine, luăm oamenii

chiar de la Urgențe -

cu infecții necunoscute ale tractului respirator luate în comunitate.

Habar nu aveți ce intră pe ușă.

Hai să începem cu un control pozitiv,

unde știm că persoana a fost sănătoasă.

Li se inoculează virusul pe nas,

să vedem ce li se întâmplă.

Prima zi: nu se întâmplă nimic.

Sunt sănătoși, nu sunt afectați. E uimitor.

Am crezut că tractul nazal va fi plin de virusuri

chiar și când ești sănătos.

E destul de curat. Ești sănătos.

Ziua doi: obținem o mostră foarte clară de rinovirus,

e foarte similar cu ceea ce obținem în laborator

în experimentele pe culturi celulare.

E minunat, dar am cam trișat iar, nu?

Introducem o tonă de virusuri pe nasul acestui tip.

(Râsete)

Vreau să spun că am vrut să meargă. Tipul chiar a răcit.

Cum rămâne cu oamenii care vin de afară, de pe stradă?

Iată doi indivizi reprezentați de codurile lor ADN anonime.

Ambii au rinovirusuri; nu am văzut niciodată acest tip de virusuri în laborator.

Am creat secvențe cu unele părți din virusurile lor;

sunt rinovirusuri noi, nimeni nu le-a mai văzut.

Amintiți-vă secvențele păstrate de evoluție

pe care le folosim în acest algoritm ne permit să detectăm

chiar și virusurile noi, necunoscute,

pentru că izolăm ceea ce s-a păstrat de-a lungul evoluției.

Iată alt tip. Aici puteți să vă jucați de-a găsitul diagnosticului.

Aceste blocuri diferite reprezintă

diversele virusuri din familia paramixovirusurilor,

deci, poți merge în jos

să vedeți unde e semnalul.

Nu are jigodie; probabil e de bine.

(Râsete)

Dar până ajungi la blocul nouă,

vezi virusul respirator sincitial.

Poate că au copii. Și apoi vezi și subgrupa

familiei cu care e înrudit: e VRS de tip B.

E minunat, deci.

Iată alt pacient căruia i-am luat mostre în două zile diferite -

vizite repetate la clinică.

Acest individ are paragripă de tip 1,

vedeți o mică bandă aici

de la virusul Sendai: asta e paragripa la șoareci.

Legăturile genetice sunt foarte apropiate aici. E distractiv.

Deci, am construit cipul.

Am făcut un cip care conține toate virusurile descoperite vreodată.

De ce nu? Toate virusurile plantelor, ale insectelor, toate virusurile marine.

Orice am putut scoate de la Banca de Gene,

locul unde sunt stocate secvențele la nivel național.

Acum folosim acest cip. Și pentru ce îl folosim?

În primul rând, când ai un cip atât de mare,

ai nevoie de mai multe cunoștințe informatice,

așa că am proiectat sistemul pentru a diagnostica automat.

Ideea este că avem modele virtuale -

fiindcă nu vom avea niciodată mostre din fiecare virus;

ar fi practic imposibil. Dar putem obține modele virtuale,

și le putem compara cu rezultatele observate,

e o muncă foarte complexă, și putem obține un fel de statistică

despre cât e de probabil ca acela să fie un rinovirus sau altceva.

Cam așa arată.

Dacă foloseai culturi celulare

infectate cronic cu virusul papiloma,

atunci obții o analiză făcută de computer,

iar algoritmul spune că probabil e papiloma tipul 18.

Într-adevăr, culturile celulare sunt infectate

cronic cu acest virus.

Haideți să facem ceva mai complicat.

Punem pagerul în clinică.

Când vine cineva și cei de la spital nu știu ce să facă,

fiindcă nu pot stabili diagnosticul, atunci ne cheamă pe noi.

Asta e ideea și pregătim acest lucru în Bay Area.

Acest caz a venit în urmă cu trei săptămâni.

Avem o femeie de 28 de ani, care nu a călătorit,

nu fumează, nu bea.

Timp de 10 zile a avut febră, transpirații nocturne, spută cu sânge -

expectorează sânge - are dureri musculare.

A venit la clinică și i-au dat antibiotice,

apoi au trimis-o acasă.

A revenit după 10 zile - incă mai avea febră -

era hipoxică - nu avea suficient oxigen în plămâni.

I-au făcut o tomografie.

Un plămân normal are o culoare întunecată și neagră aici.

Toată partea asta albă - nu e de bine.

Această formă de copac indică prezența unei inflamații;

e probabil să fie o infecție.

OK, pacienta a fost tratată

cu antibiotice cefalosporinice de a treia generație și doxaciclină,

după trei zile - niciun efect. Starea s-a înrăutățit, avea insuficiență respiratorie acută.

A trebuit să fie intubată, i-au băgat un tub în gât

și au început să o ventileze mecanic.

Nu mai putea respira singură.

Ce era de făcut? Nu știu.

Să schimbe antibioticele, așa că i-au dat altele

și Tamiflu -

nu e clar de ce au crezut că avea gripă -

dar au trecut pe Tamiflu.

Și în ziua a șasea, practic au renunțat.

Faci o biopsie pe plămân deschis când nu mai ai altă opțiune.

Procedura în sine implică un risc de deces de 8%.

Deci, ce au învățat din acest lucru?

Vă uitați la biopsia ei pe plămân deschis.

Nu sunt patolog, dar nu poți extrage multe informații de aici.

Tot ce vezi e o inflamație majoră: bronșiolită.

Cauza necunoscută: așa spune raportul patologului.

Atunci pentru ce au testat-o?

Ei au propriile lor teste, bineînțeles,

așa că i-au făcut peste 70 de teste

pentru toate bacteriile, ciupercile și infecțiile virale,

teste pe care le poți cumpăra:

pentru SARS, metapneumovirusuri, HIV, VRS - toate astea.

Rezultatele au fost negative. Testele au costat peste 100.000 de dolari.

Au făcut tot ce au putut pentru ea.

Și ne-au sunat în cea de-a opta zi de spitalizare.

Ne-au dat secreții endotraheale -

probe de fluid din gât,

din tubul pe care i l-au pus în gât.

L-am pus pe cip. Și ce vedem? Vedem paragripa de tip 4.

Ce naiba e paragripa de tip 4?

Nimeni nu face teste pentru paragripa de tip 4.

De fapt, nici nu este împărțită clar pe secvențe.

Doar o parte a fost împărțită pe secvențe.

Nu există aproape niciun studiu epidemiologic asupra ei.

Nimeni nu ar lua-o nici măcar în calcul

fiindcă nimeni nu bănuia că poate provoca insuficiență respiratorie.

De ce? Din cauza cunoștințelor. Nu există informații

care să dovedească că provoacă boli grave sau ușoare.

Dar e clar, avem o persoană sănătoasă a cărei stare se înrăutățește.

Ok, acesta este un caz.

În următoarele două minute vă voi spune un ultim lucru,

care nu este publicat - va ieși mâine -

e un exemplu interesant despre cum poți folosi cipul

pentru a găsi ceva nou și a deschide o ușă nouă.

Cancerul de prostată. Nu trebuie să vă prezint multe statistici

despre cancerul de prostată. Majoritatea știți deja:

locul trei în topul deceselor cauzate de cancer în SUA.

Sunt mulți factori de risc,

dar există o predispoziție genetică să dezvolți cancerul de prostată.

În aproape 10% din cazurile de cancer de prostată,

oamenii sunt predispuși să îl dezvolte.

Prima genă identificată în studii comune în acest scop,

care declanșează cancerul de prostată se numește RNASEL.

Ce e asta? E o enzimă pentru apărarea antivirală.

Stăteam și ne gândeam:

de ce bărbații care au o mutație,

un defect în sistemul de apărare antivirală, ar dezvolta cancer la prostată?

Nu are sens, doar dacă există un virus.

Deci, punem tumori - acum avem peste 100 de tumori - pe cipul nostru.

Și știm cine are mutații în RNASEL și cine nu.

Vă arăt semnalul de la cip aici

și vi-l arăt pentru blocul oligoelementelor retrovirale.

Ce vă pot spune analizând semnalul e că

bărbații care au o mutație în această enzimă de apărare antivirală

și care au o tumoare, au adesea - în 40% din cazuri -

o semnătură care arată prezența unui nou retrovirus.

Ok, e destul de ciudat. Despre ce e vorba?

Clonăm întregul virus.

În primul rând, o analiză pe calculator ne-a arătat că

era foarte similar cu virusul la șoareci.

Asta nu ne spune prea multe,

deci clonăm totul.

Și genomul viral pe care vi-l arăt aici?

E un retrovirus clasic de tipul gama, dar e complet nou;

nimeni nu l-a mai întâlnit.

Ruda sa cea mai apropiată se găsește la șoareci

și așa l-am numit retrovirusul xenotropic,

pentru că afectează o altă specie decât șoarecii.

Asta e un mic arbore filogenetic

ca să vedem cum se înrudește cu alte virusuri.

L-am aplicat multor pacienți deja

și putem spune că toate infecțiile sunt independente.

Toate au același virus,

dar sunt suficient de diferite pentru a crede că

au fost dobândite în mod independent.

Virusul chiar e în țesut? Voi termina după asta. Da.

Luăm bucăți din aceste biopsii de țesut tumoral

și folosim materialul pentru a localiza virusul

și găsim aici celule care au particule virale în ele.

Acești tipi chiar poartă virusul.

Acest virus cauzează cancerul de prostată?

Nimic din ce spun aici nu implică cauzalitatea. Nu știu.

Are legătură cu oncogeneza? Nu știu.

Oare acești tipi sunt mai predispuși să contracteze virusuri?

S-ar putea. Și s-ar putea ca asta să nu aibă deloc de-a face cu cancerul.

Dar acum avem o ipoteză.

E o legătură puternică între prezența acestui virus

și o mutație genetică care a fost legată de cancer.

În stagiul acesta ne aflăm.

Mi-e teamă că avem mai multe întrebări decât răspunsuri,

dar știința chiar se pricepe la asta.

Totul e posibil datorită oamenilor din laborator;

nu îmi pot asuma meritul pentru tot.

E o colaborare între mine și Don.

El e tipul care a început proiectul în laboratorul meu

și care s-a ocupat de studiul despre prostată.

Vă mulțumesc!