‚A teď se vám doktor podívá do šroubovice.‘ Pandemie urychlila nástup genomiky a medicíny na míru
Genetickou informaci viru umí vědci už několik let přečíst na počkání, genom člověka přes noc. Cena přitom každý rok výrazně klesá. Při pandemii covidu-19 se sekvenátory dostávají ze špičkových ústavů i do běžných laboratoří. Po ní půjde tuto technologii využít nejen k účinnější léčbě, ale i k prevenci další pandemie.
11. ledna 2020. Čínské úřady sledují ohnisko nového respiračního onemocnění ve Wu-chanu. Světová veřejnost o něm ví týden a věří, že co v Číně začalo, to v Číně taky skončí.
Ve stejný okamžik už vědci znají genetickou strukturu viru. Jen několik hodin poté, co čínský genetik Jung-Čen Čang – dnes mezinárodní celebrita – virus osekvenoval, nasdílel jeho kód australskému kolegovi. Svou strukturou nápadně připomínal smrtící vir SARS, zodpovědný za epidemii v roce 2003. Proto se Čang rozhodl navzdory čínskému informačnímu embargu jednat.
„Jakmile byla genetická sekvence viru veřejná, neznámá biotechnologická firma Moderna začala společně s americkými úřady okamžitě plánovat, co dál,“ popisuje následující dny web The New York Times. „Fyzicky virus nikdy neměli k dispozici, stačila jim pouze genetická informace. Virus vnímali jako kus softwaru.“
O dva dny později byla vakcína hotová. Vědci z Moderny ji vyvinuli přes víkend: na rozdíl od klasických vakcín s oslabenou verzí patogenu, jejichž vývoj trvá i desítky let, stačí u nových mRNA vakcín upravit předlohu tak, aby kopírovala genetickou informaci viru. Zbytek roku zabraly klinické testy, první země vakcínu schválily kolem Vánoc.
22. února 2021. O třináct měsíců a 100 milionů nakažených později do Wu-chanu poprvé – po ročním vyjednávání – přijíždí delegace Světové zdravotnické organizace (WHO). Mezi cíli mise je určit původ viru. Kdy a kde došlo k přenosu ze zvířete na člověka? Dokážeme dohledat „pacienta 0“, od nějž se virus začal šířit mezi lidmi? Motivací je otázka, zda lze podobným případům v budoucnu zabránit a co pro to můžeme udělat.
Výsledek pátrání: virus se na člověka přenesl dříve, než se předpokládalo. Čína původně první případy spojovala s koncem prosince 2019 a tržištěm ve Wu-chanu. Jenže analýza vzorků datuje přenos ze zvířete na člověka na začátek listopadu. Když lékaři zachytili ohnisko případů spojené s tržištěm, virus už měl zřejmě s lidmi téměř dvouměsíční zkušenost. Mimochodem, nepřenesl se přímo z netopýrů, jak vědci naznačovali na začátku pandemie. Musel mít prostředníka mezi savci: luskouny, cibetky, jezevce, králíky nebo psíky mývalovité.
To vše opět víme díky sekvenaci genomu viru. Vědci použili metodu takzvaných molekulárních hodin: známe rychlost mutace viru SARS-CoV-2, takže pokud zmapujeme změny genomu u několika vzorků v časové řadě, dokážeme najít společného předka a určit přibližný čas, kdy „chodil po zemi“.
Jak rychle SARS-CoV-2 mutuje?
Genom viru SARS-CoV-2 se skládá asi z 30 tisíc nukleotidů kódujících genetickou informaci. Když se virus v tělech nakažených množí, kterékoliv z těchto „písmen“ se může náhodně změnit na jiné – zmutovat.
To by se teoreticky nemělo stávat tak často jako u některých jiných virů. Prakticky ale k velkému množství mutací a celých variant přispělo rychlé šíření viru: čím víc nemocných, tím víc mutací.
RNA viry obecně mutují velmi rychle, ale koronaviry mají opravné mechanismy, a tak ve srovnání s ostatními mutují o něco pomaleji.
Koronavirus se mění rychlostí přibližně 25 mutací za rok. Virus sezonní chřipky mutuje asi dvakrát rychleji, HIV čtyřikrát rychleji. V každém člověku vznikne řada mutací a v průměru každý druhý člověk přidá jednu mutaci do genofondu viru.
Stejná studie také upozornila, že přenos ze zvířete na člověka vůbec není tak vzácný, jak jsme se domnívali. Simulace raného stadia nákazy odhalila, že jen třetina přenosů skončí epidemií, zbytek zanikne dřív, než stihne nakazit kritické množství lidí. Můžeme to chápat tak, že mělo lidstvo v listopadu 2019 docela smůlu – nebo tak, že u mnoha jiných potenciálních pandemií jsme měli štěstí.
Desetmilionkrát levnější
Ještě před dekádou by vývoj vakcíny i pátrání po původu pandemie vypadaly úplně jinak a ani v jednom případě by nešlo o takový úspěch. Co je od té doby nového? Převratný pokrok v sekvenování genetických informací.
„Sekvenování je desetmilionkrát levnější a stotisíckrát přesnější než před pouhými několika lety,“ upozorňuje harvardský genetik George Church.
Molekulu DNA vědci znají od poloviny minulého století. V 70. letech se naučili přečíst její strukturu. Svatý grál tehdy představovalo dešifrování kompletního lidského genomu: vedla k němu velkolepá výzva Human Genome Project, úspěšně uzavřená v dubnu 2003. Cena za osekvenování genetické informace jednoho člověka se tehdy pohybovala nad 100 miliony amerických dolarů.
V současnosti je běžně na tisíci, brzy možná sto dolarech. Genealogické DNA testy sice stojí ještě o řád méně, ty ale čtou jen části kódu. Obrysy tak začínají dostávat změny v medicíně spojené s možností číst lidskou genetickou informaci v každodenním provozu.
„Dnes jsou léky i vakcíny zaměřené na dvě nebo tři procenta genů, které máme všichni stejné, protože nesmí nikomu ublížit,“ popisuje pro iROZHAS.cz Jan Pačes z Ústavu molekulární genetiky Akademie věd. „Jednou z aplikací může být třeba to, že na základě genetické informace bude možné léčiva lépe cílit.“
Různé varianty, stejné mutace. Vědci se přou o to, jestli už koronaviru docházejí nápady
Číst článek
Takzvaná personalizovaná medicína ale nejsou jen léky. Lékaři si hodně slibují od genomického screeningu, který by dokázal odhalit desítky druhů rakoviny jediným testem, a ještě více od sekvenování samotného nádoru a přesného zacílení následné terapie.
„Sekvenování genomu nádorových buněk, které se vždy geneticky liší od původní DNA pacienta, se již stalo standardní součástí diagnostiky nádorů,“ vysvětluje Šárka Pospíšilová, přednostka Ústavu lékařské genetiky a genomiky Lékařské fakulty Masarykovy univerzity a vedoucí Centra molekulární medicíny CEITEC. „U řady nádorů je již nyní terapie vybírána podle přítomnosti mutací v genomu nádorových buněk, což vede ke zvyšování účinnosti léčby.“
Dalšími oblastmi, kde se genomika zřejmě uplatní, je boj s bakteriemi rezistentními vůči současným antibiotikům nebo zmapování mikrobiomu střeva, který se dosud ne zcela probádaným způsobem podílí na imunitě.
Rozsah změn nejlépe ilustruje představa, že přečtení celého genomu se bude provádět stejně rutinně jako test rizika závažných nemocí v průběhu těhotenství.
„Pro personalizovanou medicínu je důležité, že takový test bude stačit provést jednou, genetická informace se během života už nemění,“ upozorňuje Pačes. „S výjimkou nádorů, ale to je zase jiný příběh. Takže i když bude cena takového testu vyšší, budou lékaři moci využívat tu informaci opakovaně, po celý život pacienta.“
„Jenže takovou revoluci vidíme na obzoru nejméně posledních deset let a i když se o ní hodně mluví, praktické dopady jsou zatím omezené,“ dodává.
Momentem, který může změny urychlit, je současná pandemie. Dopady sekvenování – i když tentokrát jde o genom viru, a ne člověka – můžeme sledovat v přímém přenosu. Přehled o tom, která varianta viru se v populaci šíří, už není jen zajímavost pro vědce, ale prakticky použitelná informace pro veřejnou politiku. Tažení nakažlivější britské varianty napříč Evropou znamenalo nutnost přitvrdit opatření. Podobné dopady měly jihoafrická, brazilská a další linie na ostatních kontinentech.
Sekvenování vzorků pozitivně testovaných na virus SARS-CoV-2 má zároveň spustit alarm, pokud zmutuje do nové a potenciálně nebezpečné varianty. A jak ukazují příklady z úvodu článku, sledování mutací umožňuje také stopovat virus na úrovni jednotlivých pacientů a zjišťovat, jakými cestami se šíří.
Ve Spojených státech se sekvenování po kritické zprávě vědců a hygieniků stalo součástí testovací strategie. Poté, co PCR testy prokážou přítomnost viru ve vzorku, odhalí sekvenování změny genomu ve srovnání s původním kmenem, takže umožňuje epidemii hlídat. Bidenova administrativa do nákupu sekvenátorů a kontroly šíření virů plánuje investovat téměř dvě miliardy dolarů.
4:08
‚Česko jednoznačně zaspalo.‘ Vědci z Akademie věd mapují změny koronaviru a vývoj mutací
Číst článek
„Pandemie urychlila nástup genomiky při analýze nakažlivých nemocí o několik let,“ tvrdí Francis deSouza, prezident firmy Illumina, největšího výrobce sekvenátorů. Covid podle něj přinesl éru levného a rychlého sekvenování.
„Většinu sekvenátorů dosud měly vědecké instituce,“ doplňuje ho Pačes. „Teď během pandemie se rozšiřují do komerčního sektoru a po ní budou mít volnou kapacitu. Takže se dá čekat, že se čtení genomu stane dostupnější. V ústavu už jsme osekvenovali mého otce, koneckonců je to významný genetik.“
„Sekvenační facility by se nyní měly posílit, což je dobře,“ komentuje vývoj v oboru Pospíšilová. „Je ale potřeba doplnit, že přístroje potřebné pro sekvenaci lidského genomu a sekvenaci virů se mohou lišit. Zatímco na přečtení genomu viru stačí sekvenátory s menší kapacitou, na čtení lidského genomu, který je přibližně 10 000x větší než genom SARS-CoV-2, je nutný sekvenátor s velmi vysokou kapacitou. Ten však lze s výhodou použít i pro sekvenování velkého počtu vzorků viru, naopak to nejde.“
Přečteme vše, rozumíme něčemu
Od začátku pandemie víme, k čemu slouží většina proteinů viru SARS-CoV-2. Přehled jejich rolí se čte trochu jako špionážní román včetně toho, že několik proteinů zatím zůstává záhadných. U většiny ale vědci dokázali jejich funkci odhalit. Víme tudíž, že klíčový je spike protein, který se váže na lidské receptory. Ten také slouží jako terč pro vakcíny.
Roli proteinů koronaviru vědci odvozují ze stejných nebo podobných struktur, se kterými se setkali u příbuzných virů. Čerpají z mohutné databáze – veřejně dostupná knihovna GenBank obsahuje záznamy o více než 300 tisících organismech. Velikost databáze roste podle Moorova zákona, známého z vývoje výpočetní síly počítačů: každých 18 měsíců se přibližně zdvojnásobí. Největší objem dat vědci nashromáždili k druhům člověk moudrý, myš domácí, krysa obecná, tur domácí a kukuřice setá.
Nákaza při kratším kontaktu, reinfekce, otazníky nad vakcínami. Co umí nové varianty koronaviru
Číst článek
Pátrání po tajemných proteinech koronaviru upozorňuje na závažný problém: fakt, že dokážeme přečíst písmenko po písmenku celý genom, ještě neznamená, že víme, co daná sekvence kóduje.
U koronaviru je to menší problém, protože s většinou jeho proteinů jsme se setkali u příbuzných virů už dříve a stačili jsme je prozkoumat. Jenže zatímco virus SARS-CoV-2 se skládá z méně než 30 tisíc nukleotidů, tedy „písmen zdrojového kódu“, lidský genom má více než tři miliardy písmen.
To je také klíčový důvod, proč genomickou revoluci zatím vidíme jen na obzoru. Když se v roce 2003 podařilo přečíst lidský genom, začala další etapa: zkoumání, za co je který gen zodpovědný. To se ukázalo být složitější, než vědci věřili.
U některých nemocí a poruch dnes zrádný gen známe. Jenže řada genů působí společně a odhalit jejich roli často vyžaduje složité experimenty.
Pátrání navíc komplikuje fakt, že 98 až 99 procent lidského genomu tvoří takzvaná nekódující DNA, o které toho moc nevíme. Genom cibule má 16 miliard písmen, tedy pětkrát víc než lidský. Znamená to, že buď je cibule mnohem komplexnější organismus, nebo – pravděpodobněji – je velká část genetické informace zbytečná.
Ani u dvou zbývajících procent nemáme jasno. Nejsme si jistí ani tím, kolik genů vlastně máme. U pětiny netušíme, k čemu slouží. Mimo jiné proto, že výzkum se zaměřuje na malou část, která se projevuje nejsilněji.
Prevence rakoviny z krve
„Řada metabolických a onkologických onemocnění je způsobena poruchou některého z genů, jehož produkt zprostředkuje přenos signálu v našich buňkách,“ popisuje problém výzkumník Filip Pardy z brněnského vědeckého centra CEITEC.
Nelly, Eek a další covidoví mutanti. Datový novinář Boček o tom, jak vznikají a co umí nové varianty viru
Číst článek
„Rozvoj komplexního onemocnění je tedy způsoben jednou malou součástkou ve složitém soukolí – představme si třeba zkratované čidlo, který tělu poskytuje falešné signály,“ pokračuje. „Pokroky v sekvenaci DNA nám nyní umožňují přesně identifikovat, kde k této chybě došlo, a místo léčení následků s dokonalou přesností zacílit na problém – zkrat v našich buňkách odstranit.“
V posledním desetiletí na přečtení lidského genomu navázaly nové výzvy. Nejambicióznější, ENCODE, má za cíl právě identifikaci funkčních částí genomu a je stále živá. Ostatní projekty měly či mají konkrétnější zaměření: The 100 000 Genomes Project ve Spojeném království zmapoval genomy pacientů s vážnými nemocemi nebo rakovinou. Americký program All of Us má za cíl shromáždit u milionu dobrovolníků nejrůznější zdravotní a fyzické projevy včetně dat ze sportovních trackerů, které pak výzkumníci budou moci spojit s genetickou výbavou. Vznikají i specializované projekty jako Cancer Genome Project zaměřený na výzkum rakoviny nebo Human Microbiome Project zkoumající lidskou mikroflóru.
Rychlost vývoje v oblasti ilustruje příběh ceny Archon Genomics X z ledna 2013. Tu měla získat laboratoř, která osekvenuje lidský genom za méně než tisíc dolarů. V srpnu stejného roku byla cena zrušena s tím, že ji „inovace předehnaly“ a „nemotivuje k technologické změně“. Původního cíle dosáhla firma Illumina už o rok později.
V Česku v současnosti probíhá projekt A-C-G-T neboli 1000 českých genomů, jehož cílem je provést sekvenaci alespoň 1000 obyvatel Česka z různých regionů. Na celoevropské úrovni byla založena mezinárodní iniciativa, která se snaží získat sekvence genomu od milionu Evropanů do konce roku 2022.
„Trendem je vytváření velkých národních a nadnárodních genomických databází, které nám umožňují dokonaleji srovnávat vlastnosti genomu zdravého a nemocného jedince,“ doplňuje Pardy.
Důležitým prvkem je podle něj extrémní citlivost dnešních metod doplněná o prediktivní sílu strojového učení a využívání umělé inteligence. Výzkum americké firmy Grail se například pokouší o včasnou detekci z kapky krve: na základě ohromného množství genomických dat vytipuje ty změny, které vedou k rozvoji rakovinného bujení. Přístup je založen na analýze takzvané volné DNA, tedy takové DNA, která koluje volně v lidské krvi.
„Lékaři by tedy mohli v rámci preventivní prohlídky odebrat pacientovi krev a zaslat ji na rutinní genetickou analýzu,“ vysvětluje výzkumník. „Pokud by pacientovi v budoucnu hrozilo onkologické onemocnění, mohla by případná terapie započít s velkým předstihem a k rozvoji závažnějšího onemocnění by tak vůbec nemuselo dojít. Ve společnosti Grail v současnosti běží několik klinických studií, které by měly prokázat úspěšnost tohoto přístupu.“
Naděje pro příští Wu-chan
V roce 2013 propukla epidemie eboly v západní Africe. Zdravotníci tehdy poprvé využili sekvenaci v boji proti viru. Podobným způsobem jako při hledání prvního pacienta ve Wu-chanu pátrali, kudy se nemoc šíří. Úspěšně.
O tři roky později vyhlásila WHO mezinárodní pohotovost po rozšíření viru zika v Jižní Americe, která těsně neskončila pandemií. Tentokrát dostali vědci do ruky novou zbraň: jednoduché přenosné sekvenátory. S nimi se testování viru přesunulo z laboratoří do terénu a umožnilo sledovat přenos viru téměř v reálném čase. Dnes mají zdravotníci v rizikových oblastech k dispozici sekvenátory o velikosti iPhonu: minION společnosti Oxford Nanopore. V porovnání s laboratorními sekvenátory velikosti tiskárny má zatím vysokou chybovost, takže k sekvenování celého genomu se příliš nehodí. Pro analýzu hrubých obrysů kódu ale stačí.
„Sekvenátory minION jsou k dispozici od roku 2014 a epidemie viru zika se stala jejich prubířským kamenem,“ upozorňuje Pardy.
„Platforma, která si zakládá na schopnosti rapidní analýzy genomických dat v reálném čase, tedy že výzkumník může výsledek vidět bezprostředně po vyšetření vzorku, se ukázala jako klíčová vlastnost, předurčující minION k epidemiologické práci. Nynější pandemie jen napomohla masivnímu rozšíření této technologie, jen ve Velké Británii byly pomocí kapesního sekvenátoru osekvenovány desetitisíce vzorků. Vzhledem k nízké pořizovací ceně se pak jedná o vhodnou technologii i do chudších regionů naší planety,“ doplňuje.
Dnes na půdorysu afrického monitoringu eboly připravují zdravotníci spolu s americkými univerzitami systém včasného varování, který bude mít za úkol hledat ohniska nakažlivých nemocí. Nese název Sentinel a stojí právě na včasné sekvenaci podezřelých vzorků. Ohniska známých nemocí chce zachytit do jednoho dne, nové hrozby do týdne. Detaily jeho autoři popisují ve vystoupení na platformě TED.
Rozvoj podobných systémů včasného varování je pro lidstvo klíčový: jak ukazuje studie z úvodu článku, přenos viru ze zvířete není ojedinělou událostí, hrozba nové pandemie je trvalá. Co můžeme udělat, je pokusit se tu příští zachytit v několikatýdenním okně před nekontrolovaným rozšířením do světa. Pro zastavení současné pandemie zřejmě stačilo odhalit virus během prvního měsíce až dvou.
Příběh koronaviru SARS-CoV-2 může mít paradoxní konec. Přestože pandemie dosud stála život víc než tří milionů lidí, přiblížila několik změn, které mohou životy zachraňovat: například lepší kontrolu šíření virů, včetně těch dnes známých. Vyzkoušeli jsme si také, jak rychle jsme schopni vyvinout nové vakcíny – a jak dlouho trvá, než jim začneme důvěřovat. Poslední změna – revoluce v personální medicíně – je zatím v mlze a její důsledky si umíme jen těžko představit. Obrysy se ale už začínají rýsovat.
