Joe DeRisis ViroScan lüftet medizinische Rätsel

Wie geht es, wie lässt sich die uns umgebende Flora an Viren erforschen und damit der Medizin helfen? Wir können wir unser gesamtes virologisches Wissen in ein einfaches, tragbares Diagnosegerät stecken? Ich möchte alles, was wir im Moment über die Entdeckung von Viren und das Virenspektrum hier draußen wissen in, sagen wir, einen kleinen Chip stecken.

Als wir anfangs über dieses Projekt nachdachten -- wie wir ein einziges Diagnosearray schaffen können, um damit gleichzeitig alle Pathogene zu prüfen -- nun da gab es einige Probleme mit dieser Idee. Erstens sind Viren ganz schön komplex, dann verändern sie sich auch sehr schnell. Hier ist ein Picornavirus. Picornaviren -- sie umfassen Dinge wie Erkältung und Polio, solche Sachen. Sie sehen hier die Außenhülle des Virus, das Gelbe sind die Teile des Virus, die sich sehr schnell entwickeln, während die blauen Teile recht langsam sind. Wenn wir über die Herrstellung pan-viraler Nachweisreagenzen nachdenken, dann ist normalerweise die schnelle Entwicklung das Problem denn wie können wir Dinge entdecken, die sich ständig ändern? Doch ist Evolution ein Gleichgewicht: Wo es schnellen Wandel gib, gibt es auch das Ultrakonservative -- Dinge, die sich fast nie ändern.

Also schauten wir uns das etwas genauer an, dazu werde ich Ihnen jetzt Daten zeigen. Das sind Dinge, die Sie vom Schreibtisch aus am Computer tun können. Ich nahm ein paar von diesen kleinen Picornaviren, wie Erkältung, Polio und so weiter, die ich einfach in kleine Segmente zerlegte, dann nahm ich das erste Muster, den Coxsackievirus, und zerlegte ihn in kleine Fenster. Ich färbte diese kleinen Fenster blau, wenn ein anderer Virus eine identische Sequenz in seinem Genom aufweis. Diese Sequenzen hier oben -- die übrigens nicht einmal für Protein kodieren --- sind bei allen fast völlig identisch; damit konnte ich diese Sequenz als Markierung benutzen um ein großes Virenspektrum zu entdecken, ganz ohne Einzeluntersuchung. Hier herrscht große Diversität: hier entwickeln sich die Dinge rasant. Unten ist die Entwicklung langsamer: geringere Diversität.

Wenn wir hier also, sagen wir, beim akuten Bienenparalyse-Virus herauskommen -- bestimmt nicht gut, wenn man eine Biene ist -- gleicht dieser Virus dem Coxsackievirus kaum. Aber ich garantiere Ihnen, dass die am meisten konservierten Sequenzen unter diesen Viren rechts auf dem Bildschirm hier oben in identischen Regionen liegen. So können wir diese Regionen der Ultra-Konservierung durch Evolution einkapseln, -- wie sich diese Viren entwickelt haben -- indem wir in diesen Regionen einfach DNA- oder RNA-Elemente wählen, die wir auf unserem Chip als Nachweisreagenzen darstellen.

Ok, genau das haben wir getan, aber wie sollen wir's machen? Nun, seit langem, seit ich im Graduiertenkolleg war, habe ich mit DNA-Chips herum gespielt -- d.h. ich habe DNA auf Glas gedruckt. Genau das sehen Sie hier. Diese kleinen Salzpunkte sind einfach auf Glas geheftete DNA, davon kann ich tausende auf unseren Glaschip setzen und sie als Nachweisreagenzen verwenden. Wir brachten unseren Chip zu Hewlett-Packard und nutzen ihr Rasterkraftmikroskop auf einem dieser Punkte, und das sehen Sie: Man sieht tatsächlich die DNA-Stränge flach auf dem Glas liegen. Wir drucken also einfach DNA auf Glas -- kleine flache Dinger -- und das werden die Pathogenmarkierungen. OK, im Labor fertige ich kleine Roboter an, die diese Chips bauen, beim Verbreiten von Technologie bin ich dick dabei. Wenn Sie genug Geld haben, können Sie einen Camry kaufen, Sie können aber auch so einen bauen, so stellten wir eine ausführliche Anleitung ins Web, völlig kostenlos, aus Grundmaterialien von der Stange -- Sie können Ihre DNA-Array-Maschine in Ihrer Garage basteln. Hier ist der Abschnitt über den überaus wichtigen Notausknopf. (Lachen) Jede wichtige Maschine braucht einen großen roten Knopf. Aber eigentlich ist sie recht robust. Sie können einen DNA-Chip in Ihrer Garage herstellen, schnell ein paar genetische Programme dekodieren. Macht Spass. (Lachen)

Wir fingen erst einmal -- ein wirklich cooles Projekt -- mit einem Chip für Atemwegsviren an. Davon habe ich gesprochen -- Kennen Sie diese Situation, wenn Sie im Krankenhaus keine Diagnose erhalten? Wir setzten im Grunde alle Viren für menschliche Atemwegserkrankungen auf einen Chip, und oben drauf noch Herpes -- warum denn nicht? Als Wissenschaftler müssen Sie erstmal dafür sorgen, dass Ihr Kram funktioniert. Wir nahmen also Gewebekulturen und infizierten es mit diversen Viren. Wir nehmen das Zeug, markieren die Nukleinsäure farblich, das aus diesen Zellen kommende genetische Material -- hauptsächlich Viruszeug -- und kleben es auf das Array um zu sehen, wo es hängen bleibt. Passen die DNA-Sequenzen, bleiben sie aufeinander kleben und wir können uns Punkte anschauen. Fangen Punkte an zu leuchten, steckt ein bestimmter Virus darin.

So sehen diese Chips in Wirklichkeit aus, und diese roten Punkte sind Signale des Virus. Jeder rote Fleck stellt eine andere Virusfamilie oder Spezies dar. Da sich das schwierig anschauen lässt, kodiere ich die Daten zu einem kleinen Barcode, nach Familien gruppiert, so lassen sich die Resultate intuitiv anschauen. Wir nahmen also Gewebekulturen und infizierten sie mit dem Adenovirus. Neben dem Virus können Sie diesen kleinen gelben Barcode sehen. Wir infizierten sie auch mit Parainfluenza-3 -- das ist ein Paramyxovirus --- hier sehen Sie den Barcode. Dann nahmen wir den Respiratory-Synctial-Virus. Das ist die Geißel aller Arztpraxen -- im Grunde ganz wie Popelitis. (Lachen) Sie sehen, dass dieser Barcode zur selben Familie gehört, sich von Parainfluenza-3 jedoch unterscheidet, der Ihnen eine wirklich üble Grippe verschafft. Und so bekommen wir einzigartige Signaturen, Fingerabdrücke aller Viren. Polio und Rhino: sie gehören zur selben Familien, ganz nah beieinander. Rhino verursacht Erkältung, und Sie wissen alle, was Polio ist, Sie können sehen, dass sich diese Signaturen unterscheiden. Das Kaposi-Sarkom-Herpesvirus zeigt hier unten eine schöne Signatur. Es ist nicht ein einzelner Strich, der verrät, dass wir einen bestimmten Virustyps haben; der gesamte Barcode stellt ein einzelnes Virus dar.

Ich kann also ein Rhinovirus sehen -- hier einen zergliederten Barcode des Rhinovirus -- Was ist aber mit verschiedenen Rhinoviren? Wie kann ich wissen, welches Rhinovirus ich habe? ^ es gibt nur 102, weil es irgendwann langweilig wurde, sie zu sammeln. Jedes Jahr gibt es neue. Hier sind 4 verschiedene Rhinoviren. Man kann die einzelnen Barcodes mit bloßem Auge, ohne großartige Softwarealgorithmen zur Mustererkennung, von einander unterscheiden.

Nun, das ist ein billiger Trick, schließlich kenne ich die genetischen Sequenzen all dieser Rhinoviren, dazu habe ich den Chip entwickelt mit der Absicht, sie unterscheiden zu können. Aber was ist mit Rhinoviren, die noch nie einen genetischen Sequenzer gesehen haben? Wir kennen die Sequenz nicht, ziehen sie einfach aus dem Feld. So, hier sind vier Rhinoviren über die wir nichts wissen -- sie wurden bisher nicht sequenziert -- man sieht, dass sie einzigartige und unterscheidbare Muster ergeben. Stellen Sie sich vor, dass man eine Bibliothek aufbaut, echt oder virtuell, von Fingerabdrücken grundsätzlich aller Viren. Auch wieder so ein ungleicher Wettkampf, oder? Wir haben Kulturgewebezellen und eine Tonne Viren. Was ist mit wirklichen Menschen? Bekanntlich sind wirkliche Menschen unkontrollierbar. Sie wissen nicht, was Ihnen jemand in die Tasse hustet, und wahrscheinlich ist es wirklich komplex, oder? Es könnten jede Menge Bakterien sein, es könnte mehr als ein Virus sein, bestimmt ist Genmaterial des Wirts dabei. Wie gehen wir also damit um? Und wie führen wir hier die Positvkontrolle durch?

Nun, ganz einfach. Hier bekomme ich eine Nasenspülung. Der Plan ist, Menschen experimentell mit Viren zu impfen, -- übrigens ist das alles behördlich genehmigt, sie wurden dafür bezahlt. Im Grunde impfen wir experimentell Menschen mit dem Erkältungsvirus. Oder, noch besser, wir holen Leute frisch aus der Notaufnahme -- undefinierte, ambulant erworbene Atemwegsinfektionen. Sie wissen nicht, was durch die Tür kommt. Wir wollen mit der Positivkontrolle beginnen, wenn wir wissen, dass die Person gesund war. Sie bekamen einen Schuss Viren durch die Nase. Schauen wir, was passiert.

Tag Null: Nichts passiert. Sie sind gesund, sie sind sauber -- erstaunlich. Eigentlich glaubten wir, dass der Nasentrakt voller Viren sein würde, selbst wenn man ganz gesund ist. Er ist richtig sauber. Wenn Sie gesund sind, sind Sie richtig gesund. Tag zwei: Wir erhalten ein robustes Rhinovirusmuster, ganz ähnlich dem aus dem Labor mit unserem Gewebeexperiment. Schön, aber auch wieder ein billiger Trick, oder? Wir jagen eine Tonne Viren in die Nase dieses Kerls. So -- (Lachen) -- wir wollten sogar, dass es funktioniert. Er bekam tatsächlich Erkältung. Was ist mit den Leuten, denen man auf der Straße begegnet?

Hier werden zwei Einzelpersonen durch anonyme ID-Codes dargestellt. Beide haben Rhinoviren; dieses Muster haben wir im Labor nie gesehen. Wir sequenzierten einen Teil ihrer Viren; es sind neue, bisher ungesehene Rhinoviren. Denken Sie daran, dass wir mit unseren evolutionär konservierten Sequenzen, die wir mit diesem Array benutzen, selbst neue, noch nicht charakterisierte Viren entdecken können, weil wir evolutionär konserviertes Material nehmen. Das ist jemand anderes. Sie können selbst das Diagnosespiel spielen. Diese verschiedenen Blöcke stellen die verschiedenen Viren der Paramyxo-Familie dar. Sie können also einfach die Blöcke runter wandern und sehen, wo das Signal ist. Ok, keine Hundestaube; gut so. (Lachen) Wenn Sie bei Block 9 angekommen sind, sehen Sie den Respiratory-Synctial-Virus. Vielleicht haben sie Kinder. Und dann sehen Sie auch das verwandte Familienmitglied: Hier sehen Sie RSVB. Prima. Weitere Proben von zwei verschiedenen Tagen -- wiederholte Krankenhausbesuche. Diese Person hat Parainfluenza-1. Hier sehen Sie einen kleinen Streifen für den Sendai-Virus: Parainfluenza bei Mäusen. Die genetischen Beziehungen sind hier sehr dicht. Macht jede Menge Spaß.

So bauten wir den Chip aus. Wir fertigten einen Chip mit allen jemals entdeckten Viren. Warum nicht? Jeder Virus bei Pflanzen, Insekten und Meerestieren. Alles, was wir von GenBank, dem nationalen Depot für DNA-Sequenzen, bekommen konnten. Jetzt benutzen wir diesen Chip. Und wozu nutzen wir ihn? Mit einem so großen Chip braucht man zu aller erst mehr Informatik; also entwickelten wir ein System zur automatischen Diagnostik. Die Idee ist, dass wir einfach virtuelle Muster haben -- weil wir niemals Proben von allen Viren bekommen werden; virtuell wäre es möglich. Wir können virtuelle Muster bekommen und mit den beobachteten Resultaten vergleichen, eine komplexe Mixtur, mit der wir eine Art Trefferliste der Wahrscheinlichkeit, entwickeln, dass es ein Rhinovirus oder so ist. Und so sieht es aus. Wenn man zum Beispiel eine chronisch mit Papilloma infizierte Zellkultur verwendet, erhält man hier eine kleine Computeranzeige und der Algorithmus zeigt, dass es wahrscheinlich Papilloma Typ 18 ist. Und genau damit sind diese Zellkulturen chronisch infiziert.

Wir wollen es ein bisschen schwieriger. Wir stellten diese Piepser in der Klinik auf. Wenn jemand kommt, dem das Krankenhaus nicht helfen kann, weil sie keine Diagnose stellen können, rufen sie uns. Also stellen wir es im Raum San Francisco auf. Und so ereignete sich vor drei Wochen folgender Fall. Wir haben eine 28-jährige, gesunde Frau, keine Reisegeschichte, (undeutlich) sie raucht nicht, trinkt nicht. 10 Tage Fieber, Nachtschwitzen, blutiger Auswurf -- sie hustet Blut -- Muskelschmerzen. Sie ging ins Krankenhaus und bekam Antibiotika, und wurde nach Hause geschickt. Nach 10 weiteren Tagen mit Fieber kam sie zurück -- immer noch Fieber -- sie hat Hypoxie -- wenig Sauerstoff in ihren Lungen. Sie nahmen einen CT vor. Eine normale Lunge wäre hier schwarz und dunkel. All dieses weiße Zeug ist nicht gut. Dieses baumartige Muster deutet auf eine Entzündung hin; wahrscheinlich besteht hier eine Infektion. OK. Die Patientin wurde mit einem Cephalosporinantibiotikum der dritten Generation und mit Doxycin behandelt. Half nicht. Am dritten Tag: Fortschreiten zu akutem Lungenversagen. Sie musste intubiert werden, sie steckten ihr einen Schlauch in den Hals und beatmeten sie mechanisch. Sie konnte nicht mehr selbst atmen. Was tun? Keine Ahnung Antibiotika wechseln, also nahmen sie ein anderen Antibiotikum, und Tamiflu -- ich weiß nicht, warum sie dachten, es ginge um Grippe -- aber sie nahmen Tamiflu.

Am sechsten Tag schmissen sie das Handtuch. Eine offene Lungenbiopsie wird gemacht, wenn keine andere Wahl besteht. Dieser Vorgang birgt eine Sterblichkeitsrate von 8 Prozent. Und was haben sie Wesentliches daraus gelernt? Sie sehen hier ihre offene Lungenbiopsie. Ich bin kein Pathologe, aber hier sieht man nicht viel. Man kann eine starke Schwellung sehen: Bronchiolitis. Im pathologischen Bericht steht: Nicht aufschlussreich. Worauf wurde sie getestet? Natürlich haben sie ihre eigenen Tests und so testeten sie mit 70 verschiedenen Proben auf alle Arten Bakterien, Pilze und Viren, die man von der Stange kaufen kann: SARS, Metapneumovirus, HIV, RSV - sie alle. Alles kam negativ zurück. Tests im Wert von über 100.000 Dollar. Ich meine, sie taten alles für diese Frau.

Und am 8. Kliniktag riefen sie endlich uns zur Hilfe. Sie gaben uns eine endotracheale Saugprobe -- ein bisschen Flüssigkeit aus dem Hals aus dem Schlauch, den sie ihr eingeführt hatten -- das gaben sie uns. Wir trugen sie auf dem Chip auf. Was sieht man? Nun, wir sahen Parainfluenza-4 . Was zum Teufel ist Parainfluenza-4? Keiner testet auf Parainfluenza-4. Niemand kümmert sich darum. Es wurde nicht einmal sehr häufig sequenziert. Nur ein kleiner Teil davon wurde sequenziert Es gibt kaum epidemiologische Studien darüber. Niemand käme je auf den Gedanken, weil niemand wusste, dass es Atemwegsversagen verursachen konnte. Warum ist das so? Überlieferung. Es gibt keine Daten -- keine, die sagen, ob eine schwere oder leichte Erkrankung verursacht wird. Klarer Fall von einer gesunden Person, mit der es bergab geht.

Ok, das ist eine Fallstudie. Eines möchte ich Ihnen in den letzten zwei Minuten noch erzählen. Noch unveröffentlicht -- morgen wird es raus kommen -- es ist ein interessanter Fall darüber, wie Sie mit diesem Chip Neues finden und eine neue Türe öffnen können. Prostatakrebs. Über Prostatakrebs brauche ich Ihnen nicht viele Statistiken zu geben. Die meisten von Ihnen wissen es: die dritthäufigste Ursache für Krebstod in den USA.. Viele Risikofaktoren, aber auch eine genetische Disposition. In vielleich10 Prozent der Fälle von Prostatakrebs sind sind Leute prädisponiert. Das erste Gen, das wir bei Assoziationsstudien für Prostatakrebs im Frühstadium erschlossen haben, heißt RNASEL. Was ist das? Es ist ein Enzym zur Abwehr von Viren. Also sitzen wir da und überlegen, warum bekommen Männer mit dieser Mutation, einem Defekt in der Virusabwehr, Prostatakrebs? Völlig sinnlos - außer wenn da vielleicht ein Virus dahinter steckt.

Also nahmen wir Tumore -- jetzt haben wir über 100 -- für das Array. Damit wissen wir, wer einen RNASEL-Defekt hat und wer nicht. Ich zeige Ihnen das Signal hier auf dem Chip und und ich zeige Ihnen den Block der retroviralen Oligos. Aus diesem Signal lese ich, dass Männer mit einer Mutation dieses Virusabwehrenzyms und einem Tumor häufig -- in 40 Prozent der Fälle -- eine Signatur mit neuem Retrovirus aufweisen. Ok, ganz schön abgefahren. Was ist das? Wir klonen das gesamte Virus. Zunächst hatte uns eine kleine automatische Voraussage erzählt, dass es dem Mausvirus sehr ähnlich sein würde. Das sagt nicht viel aus, also klonen wir tatsächlich das ganze Ding. Und das Viralgenom, das ich Ihnen hier zeige? Es ist ein klassisches Retrovirus, aber es ist völlig neu. Niemand hat es je zuvor gesehen. Sein nächster Verwandter stammt tatsächlich von Mäusen, so könnten wir das als xenotropes Retrovirus bezeichnen, weil es eine andere Spezies als Mäuse befällt. Hier ist ein kleiner phylogenetischer Baum, damit Sie sehen, wie es mit anderen Viren verwandt ist. Wir haben das jetzt bei vielen Patienten gemacht und können sagen, dass die Infektionen voneinander unabhängig sind. Sie alle haben dasselbe Virus, aber es ist jedes Mal verschieden genug, dass wir vermuten können, dass es unabhängig voneinander erworben wurde. Ist es tatsächlich im Gewebe? Damit möchte ich schließen. Ja. Wir nehmen Scheiben der Biopsien des Tumorgewebes und verwenden Material zur Lokalisierung des Virus und wir finden Zellen mit Viruspartikeln. Diese Leute haben dieses Virus wirklich.

Verursacht dieses Virus Prostatakrebs? Ich möchte hier keinen kausalen Zusammenhang nahelegen. Ist hier eine Verbindung zur Onkogenese? Ich weiß nicht. Sind diese Leute einfach anfälliger für Viren? Vielleicht. Es könnte nichts mit Krebs zu tun haben. Aber es ist eine Tür. Es besteht eine starke Assoziationen zwischen dem Vorhandensein dieses Virus und einer genetischen Mutation mit Verbindung zu Krebs. Das ist der Stand der Dinge. Leider stellen sich mehr Fragen als beantwortet werden. Aber genau darin ist Wissenschaft wirklich gut. Das alles stammt von Leuten im Labor; das Meiste ist nicht mein Verdienst. Es ist eine Zusammenarbeit zwischen Don und mir. Dieser Kerl hat in meinem Labor mit dem Projekt angefangen; der da hat die ganze Prostatageschichte gemacht. Vielen Dank.