人类的基因并不完美，在现代医学的记录中，有7200多种已知的遗传性疾病，这些疾病会导致部分儿童生病乃至死亡。据估计，全球约有1.4亿罕见病遗传病患儿，5年存活率较低。
现代医学针对许多遗传病已经有有效的治疗方案，较早的诊断有助于患者获得更高的临床获益。针对遗传性疾病诊断，全基因组测序（WGS）成为一种有效工具，但其临床应用也面临着瓶颈：耗时长和解读分析难。针对这一现状，基于快速全基因组测序（rWGS）的综合技术解决方案已在英美等国针对儿童遗传病患者广泛实施。
2021年10月，在美国人类遗传学学会年会上，Rady儿童基因组医学研究所的Stephen Kingsmore博士分享了关于Genome-to-Treatment（GTRx）诊断管理系统的信息资源和原理。该研究由Rady儿童基因组医学研究所与Illumina、Alexion制药、RPRD诊断实验室及其他多个研究中心合作进行。
近期，Stephen Kingsmore研究团队将该研究成果发表在Nature Communications上，文章题为“An automated 13.5 hour system for scalable diagnosis and acute management guidance for genetic diseases”。研究显示，GTRx可以在13.5小时内对染色体结构变异（SV）和拷贝数变异（CNV）进行遗传分析，实现遗传病诊断。
文章发表在Nature Communications
主要研究内容
图1. rWGS系统的13.5小时方案技术组件流程图。来源：Nature Communications
研究人员设计了工作流程（图1），直接将患者的电子病历与测序进行关联，并在电子病历中予以注明；其次，研究人员开发了一种更简单、更快速的测序文库制备方法，该方法保留了识别CNV和SV的能力，使用磁珠连接的转座体（不依赖PCR的试剂盒，Illumina），与传统的步骤相比，最大程度的减少了孵育过程；第三，在NovaSeq 6000仪器上开发了更快的“边合成边测序”测序（lllumina，平均11小时12分钟），采用了可最大限度缩短循环时间的定制仪器和SP流通池；第四，研究人员开发了一种更快的序列比对和变异调用方法，大大提高了SV和CNV的分析性能；最后，为了可推广、可扩展的临床应用，以上组件（样本加入、文库制备、文库质量评估、测序和变异调用）都整合到自定义实验室信息管理系统和自定义分析管道中，并且自动在步骤之间进行数据传输。
图2. 罕见遗传病管理系统GTRx。来源：Nature Communications
研究团队表示，现有的众多遗传疾病信息系统大多是非结构化、不完整的，并不适合一线医生使用。为满足一线医生诊断需求，研究人员基于rWGS的分析流程开发出网络资源平台GTRx（http://gtrx.rbsapp.net/）（图2），可以自动显示疾病信息并将其以逐个基因的方式链接到自动化WGS的结果。GTRx旨在指导rWGS诊断遗传病时ICU中危重儿童的最佳治疗，仅限于具有有效治疗方案的快速进展性疾病。GTRx可供一线重症医师、新生儿科医生和住院医师在获得rWGS结果后与权威的专科医生提供指导前的时间间隔内使用。
图3. 接受13.5小时rWGS诊断的危重患儿的临床过程。来源：Nature Communications
为了验证rWGS和GTRx的性能，研究人员使用GTRx诊断系统在患儿中检测性能。其中一个病例AH638为一名6周大的男婴，因极度烦躁和哭泣住进新生儿ICU。脑磁共振成像显示广泛的、对称的低密度病变，脑电图（EEG）显示频繁癫痫发作。该患者病例的姐姐在9年前去世，当时11个月大，在同龄时出现相同症状。GTRx在13小时32分钟内对该患者完成了诊断，结果为常染色体隐性硫胺素代谢功能障碍综合征2，由硫胺素转运蛋白2基因的移码变体导致，临时诊断结果立即传达给医生。有效治疗（生物素和硫胺素补充剂）在诊断后3小时内开始，患者对治疗有反应，没有进一步的癫痫发作，3天后出院回家。
自问世以来，WGS的成本和诊断时间已大幅下降。第一个实现13.5小时WGS诊断的病例，如果其诊断被推迟到标准rWGS结果（42.5小时），可能会出现严重的永久性神经损伤。相比之下，他的姐姐在没有病因诊断的情况下而没有得到有效的治疗，进而导致死亡。目前医院在处理类似危重病例的中位时间为30-36小时，该研究团队开发的基于rWGS诊断方法GTRx已将其减少了两倍。rWGS对遗传病的诊断可以改善ICU中婴儿和儿童的预后。因此，英国、德国以及美国部分地区正在为遗传病患儿实施 rWGS诊断。
综上，研究团队开发了一个13.5小时的诊断系统GTRx，用于自动化遗传病诊断和急性管理指导，以在扩大rWGS的使用范围，帮助一线医生在ICU中护理危重婴儿和儿童。据介绍，GTRx系统为原型系统，仅包含约500种进展迅速且有有效治疗方法的遗传疾病。在验证临床实用性后，该系统将扩展到所有遗传疾病，使一线医生能够在评估潜在遗传病因及其对患者的后续治疗方面发挥更积极的作用。
Owen, M. J., Lefebvre, S., Hansen, C., Kunard, C. M., Dimmock, D. P., Smith, L. D., ... & Kingsmore, S. F. (2022). An automated 13.5 hour system for scalable diagnosis and acute management guidance for genetic diseases. Nature Communications, 13(1), 1-14.
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31446-6
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