Joe DeRisi's ViroScan lost medische mysteries op

Hoe kunnen we deze flora van virussen die ons omringt, onderzoeken en de geneeskunde vooruithelpen? Hoe kunnen we onze cumulatieve kennis van de virologie toepassen in een eenvoudige, draagbare diagnostische test? Ik wil alle kennis over het detecteren van virussen en het spectrum van virussen die er zijn, onderbrengen op één kleine chip.

Toen we begonnen na te denken over dit project - hoe we een diagnostische test voor het screenen op alle pathogenen tegelijk zouden maken - kwamen er wat problemen bij kijken. In de eerste plaats zijn virussen vrij complex, maar ze evolueren ook erg snel. Dit is een picornavirus. Bij de picornavirussen horen onder andere de virussen voor verkoudheid en polio thuis. Je kijkt naar de buitenkant van het virus, en de gele kleur hier zijn die delen van het virus die heel, heel snel evolueren. De blauwe delen evolueren niet zo snel. Wanneer mensen denken over het maken van pan-virale detectiereagentia, geeft meestal dat snel evoluerende deel problemen, want hoe kunnen we dingen detecteren als ze altijd maar veranderen? Maar de evolutie is een evenwicht: waar iets snel verandert, heb je ook ultra-behoud - dingen die bijna nooit veranderen.

Daarom zochten we een beetje zorgvuldiger in die richting. Ik ga er nu wat data van laten zien. Dit kan je al op de computer thuis doen. Ik nam een aantal van deze kleine picornavirussen, zoals de gewone verkoudheid, polio en ga zo maar door, en brak ze in kleine segmenten. Dit eerste geval, het coxsackievirus, deelde ik op in kleine vensters. Ik kleurde die kleine vensters blauw als een ander virus in zijn genoom een identieke sequentie met dat virus had. Deze sequenties hier - die niet eens coderen voor eiwit, tussen haakjes - zijn vrijwel absoluut identiek bij al deze virussen. Zo kon ik deze sequentie als een marker gebruiken om een breed spectrum van virussen op te sporen, zonder iets individueel te moeten maken. Hier zie je grote diversiteit: dat is waar de dingen snel evolueren. Hieronder zie je langzamer evolutie: minder diversiteit.

Als we bijvoorbeeld kijken naar acute virusverlamming bij bijen - waarschijnlijk niet goed om hebben als je een bij bent --- zien we dat dit virus bijna geen gelijkenis vertoont met het coxsackievirus, maar ik kan jullie verzekeren dat de sequenties die het meest behouden blijven tussen deze virussen aan de rechterkant van het scherm zich in dezelfde regio's bevinden. Zo kunnen we deze regio's van ultra-conservering doorheen de evolutie inkapselen - hoe deze virussen evolueerden - door DNA-elementen of RNA-elementen uit deze regio's op onze chip als detectiereagentia te kiezen.

OK, dat is wat we deden, maar hoe gaat het in zijn werk? Al sinds mijn doctoraalopleiding heb ik DNA-chips zitten knutselen - dat komt neer op DNA afdrukken op glas. Dat is wat je hier ziet: deze kleine zoutvlekjes zijn gewoon DNA op glas geplakt, en zo ik kan er duizenden op onze glazen chip zetten en gebruiken als een detectie-reagens. We namen onze chip mee naar Hewlett-Packard en gebruikten hun atoomkrachtmicroscoop op een van deze vlekken. Dan krijg je dit te zien: je kan de strengen DNA hier plat op het glas zien liggen. Eigenlijk printen we DNA op glas - kleine platte dingetjes - dat worden markers voor ziekteverwekkers. Ik maak in het lab kleine robots om deze chips te maken, en ik ben weg van het toepassen van technologie op nieuwe gebieden. Als je genoeg geld hebt om een Camry te kopen, kan je ook zo een bouwen. We hebben geheel gratis een grondige doe-het-zelfgids op het net geplaatst met in principe courante onderdelen - je kan nu in je garage een DNA-arraymachine bouwen. Hier de paragraaf over de zeer belangrijke noodstopschakelaar. (Gelach) Elke belangrijke machine moet een grote rode knop hebben. Maar echt, het is vrij robuust. Je kan nu echt DNA-chips maken in je garage en behoorlijk snel een aantal genetische programma's decoderen. Heel leuk. (Gelach)

Dit is een echt cool project: we zijn nog maar net begonnen met het maken van een respiratoire-viruschip. Ik had het daar al over - ik bedoel de situatie waar ze in de kliniek niet kunnen vinden wat je mankeert. We hebben gewoon alle menselijke respiratoire virussen op één chip gezet. We deden er voor de goede orde ook nog het herpesvirus bij - Ik bedoel, waarom niet? Het eerste wat je als wetenschapper moet doen, is zorgen dat het spul werkt. We namen wat weefselcultuurcellen en infecteerden ze met verschillende virussen, en labelden het nucleïnezuur fluorescent. We brengen het genetisch materiaal dat voortkomt uit deze weefselcultuurcellen - meestal viraal materiaal - op de array om te zien waar het blijft plakken. Als de DNA-sequenties overeenkomen, zullen ze aan elkaar blijven plakken. Dat zien we aan de gevormde kleurvlekken. Als ze oplichten, weten we dat er een zeker virus aanwezig is.

Zo ziet een van deze chips eruit. Deze rode vlekken zijn in feite het signaal afkomstig van het virus. Elke vlek staat voor een andere virusfamilie of soorten van virussen. Maar dat is een moeilijke manier om naar die dingen te kijken, dus ga ik ze coderen als een kleine barcode, gegroepeerd per familie, zodat je de resultaten op een meer intuïtieve manier kan zien. We hebben weefselcultuurcellen geïnfecteerd met het adenovirus. Je ziet deze kleine gele barcode naast het adenovirus. En met para-influenza-3 - dat is een paramyxovirus - hier de kleine barcode. Ook nog het respiratoir syncytieel virus. Dat is de gesel van de kinderdagverblijven - gesnotter alom. (Gelach) Je kan zien dat deze barcode van dezelfde familie is, maar onderscheiden van para-influenza-3, die je een heel zware verkoudheid geeft. Zo krijgen we unieke signalen, een vingerafdruk voor elk virus. Polio en rhino: ze zijn van dezelfde familie, heel dicht bij elkaar. Rhino is de verkoudheid en jullie weten allemaal wat polio is. Je kunt zien dat deze signalen te onderscheiden zijn. Kaposi-sarcoom-geassocieerd herpes virus geeft een mooi signaal hier beneden. Het is geen streepje of iets dergelijks dat wijst op een virus van een bepaald type. Het is de barcode in haar geheel die de hele zaak vertegenwoordigt.

Ik zie een rhinovirus - en hier is de vergroting van de kleine barcode van het rhinovirus - maar hoe zit het met verschillende rhinovirussen? Hoe weet ik welk rhinovirus ik heb? Er bestaan 102 bekende varianten van de verkoudheid, en er zijn er slechts 102, omdat het mensen begon te vervelen ze te verzamelen, want er komen er elk jaar nieuwe bij. Hier zijn vier verschillende rhinovirussen. Je kan ze zonder gesofistikeerde computer met patroonherkenningsoftware van elkaar onderscheiden door deze barcodes.

Nu is dit wel niet erg moeilijk want ik ken de genetische sequenties van al deze rhinovirussen. In feite ontwierp ik de chip precies om ze uit elkaar te kunnen houden, maar hoe zit het met rhinovirussen die nog nooit een genetische sequencer hebben gezien? We kennen de sequentie niet. We hebben ze nog maar net verzameld. Hier zijn dus vier rhinovirussen tot nogtoe onbekend - de sequentie is nog niet bepaald - en je kunt zien dat de patronen uniek en te onderscheiden zijn. Je zou een bibliotheek, hetzij reëel of virtueel, van vingerafdrukken van in wezen elk virus kunnen opbouwen. Maar daar is weer niks aan, toch? Je hebt weefselcultuurcellen en een hoop virusmateriaal. Hoe zit het met echte mensen? Je hebt geen controle over echte mensen, zoals je waarschijnlijk weet. Je hebt geen idee wat iemand in een beker gaat uithoesten. Waarschijnlijk iets heel complex, toch? Er kunnen veel bacteriën in zitten, of meerdere virussen en het bevat zeker ook genetisch materiaal van de gastheer. Hoe behandelen we dat? Hoe doen we hier de positieve controle?

Nou, het is vrij simpel. Dat ben ik bij het ondergaan van een nasale spoeling. Het idee is om mensen experimenteel met een virus in te enten zodat we - dit is tussen haakjes door het IRB goedgekeurd, ze worden ervoor betaald. Eigenlijk besmetten we mensen experimenteel met het verkoudheidsvirus. Of, nog beter, we nemen gewoon mensen direct uit de spoedafdeling - met ongedefinieerde, in de gemeenschap opgelopen luchtweginfecties. Je hebt geen idee wat er door de deur binnenkomt. Laten we eerst beginnen met de positieve controle, waarvan we weten dat de persoon gezond was. Ze werden via de neus besmet met virussen. Laten we eens kijken wat er gebeurt.

Dag nul: er gebeurt niets. Ze zijn gezond, ze zijn schoon - het is verbazingwekkend. Eigenlijk verwachten we nasale luchtwegen vol met virussen zelfs wanneer je er gezond bij loopt. Het is vrij schoon. Als je gezond bent, ben je behoorlijk gezond. Dag twee: we krijgen een zeer robuust rhinoviruspatroon, en het is zeer vergelijkbaar met wat we krijgen in het lab met ons weefselkweekexperiment. Dat is geweldig maar toch weer niet bijster speciaal, niet? We hebben een hoop virussen door de neus van deze kerel gejaagd. Dus - (Gelach) - ik bedoel, we wilden dat het werkte. Ik bedoel dat hij echt een verkoudheid kreeg. Maar hoe zit het met mensen die je van de straat plukt?

Hier twee personen vertegenwoordigd door hun anonieme ID-codes. Ze hebben allebei rhinovirussen. We hebben dit patroon in het lab nooit gezien. We bepaalden de sequentie van een deel van hun virussen. Het zijn nieuwe rhinovirussen, nog nooit door iemand gezien. Vergeet niet dat onze evolutionair geconserveerde sequenties die we op deze array gebruiken, ons zelfs toelaten om nieuwe of niet gekarakteriseerde virussen te detecteren. Omdat we opteerden voor wat doorheen de evolutie behouden bleef. Hier iemand anders. Je kan hier het diagnosespel zelf spelen. Deze verschillende blokken vertegenwoordigen de verschillende virussen in deze paramyxovirusfamilie. Je kan dus de blokken overlopen om te zien waar het signaal is. Hij heeft geen hondenziekte, dat is waarschijnlijk al goed. (Gelach) Maar als je aan blok negen komt, zie je dat respiratoir syncytieel virus. Misschien hebben ze kinderen. Dan zie je ook nog het verwante virusfamilielid: RSVB is hier weergegeven. Zo, dat is geweldig. Hier nog iemand, bemonsterd op twee afzonderlijke dagen - herhaalde bezoeken aan de kliniek. Deze persoon heeft para-influenza-1, en je kunt hier een kleine streep zien voor het Sendai-virus: dat is muis-para-influenza. De genetische relaties liggen zeer dicht bij elkaar. Dat valt mee.

Dus hebben we de chip uitgewerkt. We maakten een chip met alle bekende virussen erop. Waarom niet? Elk plantvirus, elk insectvirus, elk mariene virus. Alles wat we uit de GenBank konden krijgen - dat is de nationale bewaarplaats van sequenties. Nu hebben we deze chip. Waar gebruiken we hem voor? Wel, eerst en vooral, wanneer je met zo een grote chip als deze werkt, heb je een beetje meer informatica nodig. Daarom hebben we een systeem voor automatische diagnose ontworpen. Het idee is dat we gewoon uitgaan van virtuele patronen - omdat we nooit monsters van ieder virus zullen krijgen. Dat zou vrijwel onmogelijk zijn. Maar we kunnen wel virtuele patronen verkrijgen en vergelijken met ons waargenomen resultaat. Dat is een zeer complex mengsel. Daaruit kunnen we dan een soort score opstellen van hoe waarschijnlijk het is dat dit een rhinovirus of zoiets is. Zo ziet het eruit. Als je bijvoorbeeld gebruik maakt van een celkweek die chronisch geïnfecteerd is met papilloma, dan krijg je hier een kleine computeruitlezing, en ons algoritme zegt dat het waarschijnlijk papilloma type 18 is. Dat is waar deze specifieke celkweken chronisch mee geïnfecteerd zijn.

Laten we iets moeilijkers doen. We zetten de pieper op in de kliniek. Als iemand opduikt, en het ziekenhuis niet weet wat te doen omdat ze niet kunnen diagnosticeren, bellen ze ons. Dat is het idee en we zijn dat aan het oprichten in de Bay Area. Dit geval gebeurde drie weken geleden. We hebben een 28-jarige gezonde vrouw, zonder reisgeschiedenis, [Onduidelijk], rookt niet, drinkt niet. 10 dagen lang koorts, nachtelijk zweten, bloederig sputum - ze hoest bloed op, spierpijn. Ze ging naar de kliniek, ze gaven haar antibiotica en stuurden haar naar huis. Na nog eens tien dagen koorts kwam ze terug, nog steeds met koorts - en ze is hypoxisch - ze had niet veel zuurstof in haar longen. Ze deden een CT-scan. Bij een normale long zie je hier alle soorten grijs en zwart. Al dit witte spul hier is niet goed. Dit soort boom-en-knopformatie wijst op een ontsteking. Er is waarschijnlijk infectie. Dus werd de patiënt vervolgens behandeld met een cefalosporine-antibioticum van de derde generatie en doxycycline. Na drie dagen geen verbetering: ze evolueerde naar acuut falen. Ze moesten haar intuberen, dus staken ze een buisje in haar keel en begonnen haar mechanisch te ventileren. Ze kon zelf niet meer ademen. Wat nu te doen? Weet ik niet. Verander van antibiotica. Ze stapten over naar een ander antibioticum en Tamiflu, dat - Het is niet duidelijk waarom ze dachten dat ze de griep had - maar ze zijn overgestapt op Tamiflu.

Na zes dagen gaven ze het eigenlijk op. Als je hebt geen andere opties meer hebt, doe je een open-longbiopsie. Er is acht procent sterftekans bij deze procedure, en wat leerden ze hieruit? Je kijkt naar haar geopende-longbiopsie. Ik ben geen patholoog-anatoom maar hier is niet veel aan te zien. Het enige wat je kan zien is dat er veel zwellingen zijn: bronchiolitis. Het rapport van de patholoog: er is niet veel uit op te maken. Wat werd bij haar getest? Ze hebben hun eigen tests, natuurlijk, testten haar voor meer dan 70 verschillende toetsen, voor elke soort van bacteriën, schimmels en virussen die je kan vinden: SARS, metapneumovirus, HIV, RSV ... Allemaal negatief. Meer dan 100.000 dollar aan tests. Ze gingen tot het uiterste voor deze vrouw.

Na acht dagen in het ziekenhuis, riepen ze ons erbij. Ze gaven ons wat endotracheaal aspiraat - je weet wel, een beetje vocht uit haar keel, uit deze buis in haar keel. We zetten het op de chip en wat zagen we? Para-influenza-4. Wat is para-influenza-4? Niemand test voor para-influenza-4. Niemand kan dat wat schelen. In feite is er zelfs niet veel van de sequentie bepaald. Maar een stukje van de sequentie is bepaald. Er bestaan bijna geen epidemiologie of studies van. Niemand zou het zelfs maar hebben overwogen, want niemand had een idee dat het ademhalingsproblemen zou kunnen veroorzaken. Waarom is dat? Gewoon traditionele kennis. Geen data ter ondersteuning van of het nu een ernstige of een milde ziekte veroorzaakt. Het is duidelijk een geval van een gezond persoon die achteruit gaat.

Dat is één geval. Ik ga je in de laatste twee minuten een nog laatste ongepubliceerd iets vertellen - de publicatie gebeurt morgen - en het is een interessant geval van hoe je deze chip kan gebruiken om iets nieuws te zoeken en een nieuwe deur te openen. Prostaatkanker. Ik hoef jullie niet veel statistieken over prostaatkanker te geven. De meeste van jullie weten het al: derde belangrijke oorzaak van sterfgevallen door kanker in de VS. Veel risicofactoren maar er is ook een genetische aanleg voor prostaatkanker. In misschien wel ongeveer 10 procent gevallen van prostaatkanker hebben mensen er aanleg voor. Het eerste gen dat in kaart werd gebracht in associatiestudies voor deze vroeg beginnende prostaatkanker, was het RNASEL-gen. Wat is dat? Het is een antiviraal verdedigingsenzym. We vroegen ons af: waarom krijgen mannen met die mutatie, een defect in een antiviraal afweersysteem, prostaatkanker? Het is niet logisch - tenzij er misschien een virus is.

Dus plaatsten we tumoren - meer dan 100 tumoren - op onze array. We weten nu wie gebreken in zijn RNASEL had en wie niet. Hier het signaal op de chip en ik toon jullie het blok van retrovirale oligo's. Hieruit blijkt dat mannen die een mutatie hebben in dit enzym voor antivirale verdediging en die een tumor hebben, vaak - in 40 procent van de gevallen - een signaal geven dat wijst op een nieuw retrovirus. Wat deden we daarmee? We kloonden het hele virus. Een beetje geautomatiseerd voorspellen, leerde ons dat het erg leek op met een muisvirus. Maar dat zei ons niet veel, dus kloonden we het hele ding. Hier het virale genoom. Het is een klassiek gammaretrovirus, maar het is wel helemaal nieuw. Nooit eerder gezien. Zijn naaste familielid vinden we bij muizen. We kunnen dit een xenotroop retrovirus noemen, omdat het een andere diersoort dan muizen infecteert. Dit is een kleine fylogenetische boom om te zien hoe het met andere virussen is gerelateerd. Dat hebben we nu voor veel patiënten gedaan, en we kunnen zeggen dat het allemaal onafhankelijke infecties zijn. Ze hebben allemaal hetzelfde virus maar ze zijn verschillend genoeg om te doen geloven dat ze onafhankelijk zijn opgelopen. Zit het werkelijk in het weefsel? Ik zal hiermee eindigen. Ja. Wij nemen plakjes van deze biopsieën van het tumorweefsel en gebruiken materiaal om het virus te lokaliseren, en we vinden cellen met virale deeltjes erin. Deze jongens hebben echt dit virus.

Betekent dat dat dit virus prostaatkanker veroorzaakt? Niets van wat ik hier zeg, impliceert causaliteit. Ik weet het niet. Is er een verband met oncogenese? Ik weet het niet. Is het zo dat deze jongens gewoon meer vatbaar zijn voor virussen? Zou kunnen. Misschien heeft het niets te maken met kanker. Maar nu is er een opening. We vonden een sterke associatie tussen de aanwezigheid van dit virus en een genetische mutatie die in verband werd gebracht met kanker. Zover staan we nu. Het stelt meer vragen dan het beantwoordt, ben ik bang, maar dat is waar wetenschap nu eenmaal goed in is. Dit werd allemaal gedaan door mensen in het lab. Ik kan voor het meeste hiervan niet met de eer gaan strijken. Dit is een samenwerking tussen mijzelf en Don. Dit is de man die het project in mijn lab opstartte en dit is de kerel die het prostaatgedeelte heeft gedaan. Heel hartelijk bedankt.