NGS چیست؟ آشنایی با به‌روزترین تکنولوژی و روش توالی‌یابی

توالی‌یابی نسل جدید (NGS) یا Next Generation Sequencing یک فناوری پیشرفته در حوزه ژنتیک و زیست‌مولکولی است که امکان خواندن سریع و دقیق توالی DNA و RNA را فراهم می‌کند. برخلاف روش‌های قدیمی مانند سنگر (Sanger sequencing) که محدودیت سرعت و ظرفیت داشتند، NGS توانسته با استفاده از فناوری‌های موازی‌سازی، حجم بسیار بالایی از داده‌های ژنومی را در مدت کوتاه تولید کند.

این تکنولوژی انقلابی باعث شده که پژوهشگران بتوانند به‌جای بررسی یک یا چند ژن محدود، به‌طور همزمان هزاران یا حتی کل ژنوم یک موجود زنده را مطالعه کنند. NGS امروزه در حوزه‌های مختلفی از جمله پژوهش‌های بنیادی، تشخیص بیماری‌های ژنتیکی، سرطان‌شناسی، شناسایی میکروارگانیسم‌ها، و حتی اپیدمیولوژی ویروس‌ها (مانند کووید-۱۹) کاربرد گسترده دارد.

به‌روزرسانی و تکامل مداوم این فناوری موجب شده که NGS نه‌تنها دقت بالایی در شناسایی تغییرات ژنتیکی داشته باشد، بلکه از نظر هزینه و زمان نیز بسیار به‌صرفه‌تر از روش‌های سنتی باشد. در نتیجه، NGS به عنوان یکی از ابزارهای کلیدی در پزشکی شخصی و تحقیقات علمی مطرح است و آینده تشخیص و درمان بیماری‌ها تا حد زیادی به آن وابسته خواهد بود.

توالی‌یابی نسل جدید (Next-Generation Sequencing یا NGS) به‌عنوان یکی از بزرگ‌ترین انقلاب‌های علمی در قرن اخیر شناخته می‌شود. این فناوری امکان مطالعه و رمزگشایی ژنوم موجودات زنده را در مقیاسی بسیار بزرگ فراهم کرده است. اگر در گذشته برای توالی‌یابی یک ژن کوچک نیاز به هفته‌ها یا حتی ماه‌ها زمان و هزینه‌های بسیار بالا وجود داشت، امروزه NGS این فرایند را در عرض چند ساعت تا چند روز با دقتی بی‌نظیر انجام می‌دهد. همین ویژگی باعث شده که NGS نه‌تنها در تحقیقات پایه، بلکه در پزشکی بالینی، داروسازی و حتی علوم کشاورزی کاربردهای گسترده‌ای پیدا کند.

NGS چیست و چرا اهمیت دارد؟

NGS یا Next-Generation Sequencing روشی است که میلیون‌ها قطعه DNA را به‌طور همزمان توالی‌یابی می‌کند. برخلاف روش‌های سنتی که کند و پرهزینه بودند، NGS با سرعت و دقت بالا حجم عظیمی از داده‌های ژنتیکی تولید می‌کند. این قابلیت، NGS را به ستون اصلی پزشکی شخصی‌سازی‌شده و تحقیقات ژنتیکی پیشرفته تبدیل کرده است.

مقایسه NGS با روش‌های سنتی

روش‌های قدیمی مانند توالی‌یابی سنجر تنها می‌توانستند قطعات کوچک DNA را بررسی کنند و برای پروژه‌های بزرگ مثل ژنوم انسان به سال‌ها زمان نیاز داشتند. اما NGS این محدودیت را کنار زده و همان پروژه را در چند روز با هزینه بسیار کمتر ممکن ساخته است. همین مقایسه نشان می‌دهد که چرا NGS یک انقلاب واقعی در علوم زیستی محسوب می‌شود.

انواع توالی‌یابی در NGS

فناوری NGS به شکل‌های مختلفی اجرا می‌شود:

• پنل‌های ژنی (Gene Panels): تمرکز روی مجموعه‌ای از ژن‌های مرتبط با یک بیماری خاص.

• توالی‌یابی کل اگزوم (WES): بررسی بخش‌های کدکننده ژنوم که بیشتر جهش‌های بیماری‌زا در آن‌ها رخ می‌دهند.

• توالی‌یابی کل ژنوم (WGS): جامع‌ترین روش برای مطالعه کل DNA یک فرد.

هر کدام از این روش‌ها در تحقیقات، پزشکی بالینی و تشخیص بیماری‌ها کاربرد خاص خود را دارند.

Multiplex NGS: توالی‌یابی همزمان چند نمونه

Multiplex NGS یا توالی‌یابی نسل جدید به صورت چندگانه به معنای این است که در یک واکنش توالی‌یابی، چند نمونه یا چند هدف ژنتیکی به صورت همزمان مورد آنالیز قرار می‌گیرند. هدف اصلی این تکنیک افزایش کارایی، کاهش هزینه و صرفه‌جویی در زمان است. در حالت سنتی، هر نمونه یا هر ژن باید جداگانه توالی‌یابی می‌شد، اما با Multiplex NGS می‌توان با استفاده از بارکدهای مولکولی (Molecular Barcodes) یا ایندکس‌ها هر نمونه را از دیگری تمایز داد و همگی را در یک لاین NGS قرار داد.

فرآیند Multiplex NGS معمولاً شامل چند مرحله کلیدی است. ابتدا استخراج DNA یا RNA با کیفیت بالا انجام می‌شود، زیرا کیفیت نمونه تأثیر مستقیم روی بازده و دقت توالی‌یابی دارد. سپس در مرحله Library Preparation، هر نمونه با آداپتورهایی که شامل ایندکس منحصر به فرد هستند نشانه‌گذاری می‌شود. این ایندکس‌ها به نرم‌افزار توالی‌یابی اجازه می‌دهند که بعد از خواندن داده‌ها، هر توالی را به نمونه اصلی اختصاص دهد.

پس از آماده‌سازی لایبرری، نمونه‌ها با هم مخلوط شده (pooled) و روی سکوی NGS قرار می‌گیرند. بسته به نوع سکوی توالی‌یابی، میلیون‌ها تا میلیاردها خوانش (Reads) همزمان از تمام نمونه‌ها تولید می‌شود. این داده‌ها سپس با استفاده از نرم‌افزارهای Bioinformatics پردازش می‌شوند؛ ابتدا ایندکس‌ها شناسایی و نمونه‌ها جدا می‌شوند، سپس Reads‌ها به ژنوم مرجع یا ژن هدف تطبیق داده می‌شوند و جهش‌ها، الگوهای بیان ژن یا هر تغییر ژنتیکی مورد نظر شناسایی می‌شود.

مزیت اصلی Multiplex NGS این است که هزینه هر نمونه کاهش پیدا می‌کند، زیرا reagents، زمان کار و ظرفیت سکوی توالی‌یابی بهینه استفاده می‌شوند. علاوه بر این، Multiplex NGS امکان بررسی همزمان چند ژن، چند مسیر بیولوژیک یا چند نمونه بالینی را فراهم می‌کند، که برای مطالعات بالینی و تحقیقاتی گسترده بسیار مهم است. به عنوان مثال، در آنکولوژی، می‌توان با یک واکنش چندین ژن سرطانی را بررسی کرد، یا در تشخیص بیماری‌های ژنتیکی، چندین بیمار را همزمان توالی‌یابی کرد.

با این حال، Multiplex NGS نیازمند کنترل کیفیت دقیق است. چون در صورت بارکدگذاری اشتباه، cross-contamination یا کیفیت پایین لایبرری، داده‌ها می‌توانند مخلوط شوند و نتیجه غلط بدهند. بنابراین مراحل Library Preparation، Pooling و QC اهمیت بسیار بالایی دارند. همچنین برای تحلیل داده‌ها، نرم‌افزارهای پیشرفته Bioinformatics نیاز است تا Readsها را به درستی از هم تفکیک کنند و جهش‌ها یا الگوهای مورد نظر را شناسایی کنند.

در مجموع، Multiplex NGS یک ابزار قدرتمند است که سرعت، هزینه و کارایی تحقیقات مولکولی و تشخیصی را به طرز چشمگیری افزایش می‌دهد. این تکنیک به ویژه در محیط‌های بالینی، تحقیقاتی و توالی‌یابی گسترده ژنومیک، آنالیز چند ژنی و پایش جهش‌های کلیدی کاربرد دارد و باعث می‌شود که داده‌های دقیق و قابل اعتماد در کوتاه‌ترین زمان ممکن تولید شوند.

کاربردهای Multiplex NGS

• تشخیص همزمان چند ویروس یا باکتری در یک نمونه

• شناسایی جهش‌های متعدد در بیماری‌های ژنتیکی

• تحلیل میکروبیوم بدن انسان

• بررسی تنوع ژنتیکی در گیاهان و حیوانات

این موارد نشان می‌دهند که Multiplex NGS نه‌تنها در پزشکی بلکه در تحقیقات کشاورزی و علوم پایه نیز بسیار کارآمد است.

NGS در تشخیص سرطان

توالی‌یابی نسل جدید (NGS) به عنوان یک ابزار تحلیل ژنتیکی دقیق و گسترده در تشخیص سرطان کاربرد دارد، زیرا بسیاری از سرطان‌ها به تغییرات ژنتیکی مشخصی وابسته هستند. با NGS می‌توان جهش‌ها، حذف‌ها، الحاق‌ها، کپی نامبر و تغییرات ساختاری ژنوم را با دقت بسیار بالا شناسایی کرد. این روش برخلاف تکنیک‌های سنتی مانند PCR تک هدفه یا FISH، امکان بررسی همزمان صدها تا هزاران ژن مرتبط با سرطان را فراهم می‌کند، که برای تشخیص، پیش‌آگهی و انتخاب درمان هدفمند اهمیت دارد.

فرآیند استفاده از NGS در تشخیص سرطان معمولاً با استخراج DNA یا RNA با کیفیت بالا از نمونه‌های بیمار آغاز می‌شود. این نمونه‌ها می‌توانند از تومورهای بافتی، خون (cfDNA یا ctDNA)، یا مایع بدن بیمار مانند مایع نخاعی یا ادرار باشند. پس از استخراج، Library Preparation انجام می‌شود که شامل نشانه‌گذاری نمونه‌ها با آداپتورهای ایندکس و آماده‌سازی برای سکوی توالی‌یابی است. در بسیاری از آزمایش‌های بالینی از روش‌های Targeted Panels استفاده می‌شود که ژن‌ها یا مناطق مشخص مرتبط با سرطان را پوشش می‌دهند، مانند ژن‌های TP53، KRAS، EGFR، JAK2 و غیره.

پس از اجرای NGS و تولید Reads، داده‌ها با نرم‌افزارهای تخصصی Bioinformatics پردازش می‌شوند. Reads‌ها ابتدا به ژنوم مرجع تطبیق داده می‌شوند و سپس جهش‌ها، تغییرات کپی نامبر، بازآرایی‌های کروموزومی و الگوهای بیان ژنی شناسایی می‌شوند. این اطلاعات به پزشکان اجازه می‌دهد که نوع سرطان، درجه پیشرفت و مسیر درمانی هدفمند را مشخص کنند. برای مثال، اگر جهش در ژن EGFR شناسایی شود، داروهای هدفمند EGFR-TKI می‌توانند تجویز شوند، یا جهش در BRCA ممکن است بیمار را به درمان PARP inhibitor حساس کند.

یکی از مزیت‌های مهم NGS در سرطان، توانایی انجام Liquid Biopsy یا بیوپسی مایع است. در این روش، DNA آزاد شده از سلول‌های توموری در خون (ctDNA) مورد تحلیل قرار می‌گیرد و می‌توان جهش‌ها و پیشرفت سرطان را بدون نیاز به نمونه‌برداری تهاجمی از بافت تومور رصد کرد. این تکنیک امکان پایش درمان، شناسایی مقاومت دارویی و تشخیص عود بیماری را فراهم می‌کند.

بیشتر بخوانید:هر آنچه باید در مورد PCR بدانید | انواع PCR و چالش های آن

با وجود تمام مزایا، NGS در تشخیص سرطان نیازمند کنترل کیفیت دقیق نمونه، Library و داده‌ها است. DNA یا RNA تخریب شده، contamination، یا عمق توالی‌یابی ناکافی می‌تواند منجر به نتایج غلط شود. بنابراین استانداردسازی آزمایش و استفاده از کیت‌ها و سکوی معتبر بالینی اهمیت بالایی دارد.

به طور خلاصه، NGS در تشخیص سرطان یک ابزار چندبعدی و دقیق است که امکان شناسایی جهش‌ها، پیش‌بینی پاسخ به درمان و پایش بیماری را فراهم می‌کند و امروزه جزو استانداردهای تشخیص مولکولی در آنکولوژی مدرن محسوب می‌شود.

NGS در بیماری‌های ژنتیکی ارثی

بسیاری از بیماری‌های نادر ناشی از جهش‌های تک‌ژنی هستند. NGS با امکان بررسی کل ژنوم یا اگزوم، توانسته به شناسایی سریع و دقیق این جهش‌ها کمک کند. این موضوع برای مشاوره ژنتیکی، تشخیص زودهنگام و حتی پیشگیری در نسل‌های آینده بسیار ارزشمند است.

کاربرد در آزمایش‌های پیش از تولد

یکی از حوزه‌های پرکاربرد NGS، آزمایش‌های غیرتهاجمی دوران بارداری (NIPT) است. در این آزمایش‌ها DNA آزاد جنینی در خون مادر بررسی می‌شود و اختلالات کروموزومی مانند سندروم داون یا تریزومی ۱۸ و ۱۳ شناسایی می‌شوند. این روش به دلیل دقت بالا و بدون نیاز به اقدامات تهاجمی، مورد استقبال گسترده قرار گرفته است.

پزشکی شخصی‌سازی‌شده و فارماکوژنومیکس

NGS زمینه‌ساز پزشکی شخصی‌سازی‌شده است؛ یعنی درمان‌ها بر اساس ژنتیک فرد طراحی می‌شوند. این فناوری در فارماکوژنومیکس نیز اهمیت دارد، چرا که می‌تواند واکنش بدن افراد مختلف به داروها را پیش‌بینی کند. نتیجه این کار کاهش عوارض جانبی و افزایش کارایی درمان‌هاست.

نقش بیوانفورماتیک در NGS

هر آزمایش NGS حجم عظیمی از داده‌ها تولید می‌کند. به همین دلیل بیوانفورماتیک نقش حیاتی در تحلیل داده‌ها دارد. الگوریتم‌ها و نرم‌افزارهای پیشرفته برای فیلتر کردن، مقایسه و شناسایی جهش‌ها استفاده می‌شوند. بدون این ابزارها، داده‌های NGS عملاً غیرقابل استفاده خواهند بود.

چالش‌ها و محدودیت‌ها

اگرچه NGS مزایای فراوانی دارد، اما چالش‌هایی نیز وجود دارد:

• هزینه بالای تجهیزات و مواد اولیه

• نیاز به زیرساخت‌های محاسباتی قدرتمند

• پیچیدگی تفسیر نتایج

• پوشش ناکامل برخی نواحی ژنومی

مسائل اخلاقی و قانونی

اطلاعات ژنتیکی بسیار حساس است و می‌تواند در زمینه‌هایی مانند بیمه یا اشتغال مورد سوءاستفاده قرار گیرد. بنابراین حفظ محرمانگی داده‌های ژنتیکی و رعایت اصول اخلاقی در ذخیره و استفاده از داده‌های NGS اهمیت حیاتی دارد. قوانین سختگیرانه‌تری در سراسر جهان برای این موضوع در حال تدوین هستند.

چشم‌انداز آینده NGS

چشم‌انداز آینده NGS بسیار گسترده و نویدبخش است، زیرا این تکنولوژی به سرعت در حال تحول و ورود به حوزه‌های جدید تحقیقاتی، بالینی و صنعتی است. در حال حاضر NGS نه تنها برای توالی‌یابی ژنوم کامل و تحلیل ژن‌های خاص، بلکه برای کاربردهای پیشرفته‌تر مانند توالی‌یابی single-cell، متاژنومیکس، اپی‌ژنتیک و پایش بیماری‌های مولتی‌ژنی استفاده می‌شود. این روند نشان می‌دهد که آینده NGS به سمت دقت بالاتر، سرعت بیشتر و هزینه کمتر حرکت خواهد کرد.

یکی از مهم‌ترین چشم‌اندازها، تشخیص بالینی و پزشکی دقیق‌تر (Precision Medicine) است. با توسعه پنل‌های هدفمند و Multiplex NGS، پزشکان قادر خواهند بود تا تغییرات ژنتیکی بیماران را به صورت جامع و همزمان شناسایی کنند و درمان‌های هدفمند و شخصی‌سازی‌شده ارائه دهند. این موضوع به ویژه در سرطان، بیماری‌های ژنتیکی نادر و اختلالات متابولیک اهمیت دارد، زیرا اطلاعات دقیق ژنتیکی می‌تواند مسیر درمان و پیش‌آگهی را بهبود دهد.

علاوه بر آن، Liquid Biopsy و پایش غیرتهاجمی به کمک NGS در حال گسترش است. انتظار می‌رود که در آینده، بیماران بتوانند با نمونه‌گیری ساده از خون، ادرار یا بزاق، وضعیت بیماری خود را به طور مداوم رصد کنند. این کاربرد به ویژه در پایش عود سرطان، مقاومت دارویی و بیماری‌های عفونی مزمن تحول ایجاد خواهد کرد.

یکی دیگر از روندهای مهم، توالی‌یابی تک‌سلولی (Single-cell Sequencing) است که امکان تحلیل بیان ژن، جهش‌ها و مسیرهای بیولوژیک در سطح هر سلول را فراهم می‌کند. این تکنولوژی کمک می‌کند تا heterogeneity یا ناهمگنی سلولی در تومورها، بافت‌های عصبی یا سیستم ایمنی بهتر درک شود و درمان‌های هدفمند دقیق‌تر طراحی شوند.

همچنین انتظار می‌رود اتوماسیون و هوش مصنوعی در NGS رشد کند. نرم‌افزارهای Bioinformatics با هوش مصنوعی قادر خواهند بود حجم عظیم داده‌های NGS را سریع‌تر و با دقت بالاتر پردازش کنند، جهش‌های بالینی مهم را شناسایی کنند و خطاهای احتمالی را کاهش دهند. این موضوع باعث می‌شود که NGS برای استفاده در آزمایشگاه‌های بالینی کوچک و مراکز پزشکی دورافتاده نیز قابل دسترس شود.

در نهایت، کاهش هزینه و افزایش سرعت توالی‌یابی باعث می‌شود که NGS به یک ابزار روزمره و استاندارد در تشخیص، پیشگیری و درمان بیماری‌ها تبدیل شود. انتظار می‌رود طی ۵ تا ۱۰ سال آینده، توالی‌یابی ژنوم کامل هر فرد با هزینه‌ای معادل یک تست آزمایشگاهی معمولی قابل انجام باشد و داده‌های ژنتیکی شخصی به بخشی از پرونده پزشکی استاندارد تبدیل شوند.

به طور خلاصه، آینده NGS به سمت دقت بالاتر، شخصی‌سازی درمان، پایش غیرتهاجمی، تحلیل تک‌سلولی، و کاهش هزینه و زمان حرکت می‌کند و پیش‌بینی می‌شود که این تکنولوژی نقش محوری در پزشکی نسل آینده و تحقیقات ژنتیکی داشته باشد.

جمع‌بندی

فناوری NGS یا توالی‌یابی نسل جدید، تحولی بنیادین در علوم زیستی و پزشکی ایجاد کرده است. از تشخیص سرطان گرفته تا بیماری‌های ارثی، از آزمایش‌های دوران بارداری تا پزشکی شخصی‌سازی‌شده، همگی به کمک این فناوری دقیق‌تر، سریع‌تر و کارآمدتر انجام می‌شوند. با وجود چالش‌ها و مسائل اخلاقی، چشم‌انداز آینده NGS بسیار روشن است و می‌توان گفت این فناوری کلید ورود به عصر جدید پزشکی دقیق و سلامت هوشمند خواهد بود.