宏基因組測序技術(shù)在感染性病原體檢測中的應(yīng)用進(jìn)展

韓心遠(yuǎn)，高小娟 綜述 熊丹，張秀明 審校

1.安徽理工大學(xué)醫(yī)學(xué)院，安徽 淮南 232001；2.深圳市羅湖醫(yī)院集團(tuán)醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 深圳 518001

感染性疾病是全球十大死亡原因之一，多數(shù)感染由細(xì)菌、病毒、真菌和支原體等引起。其中以流感為代表的流行性病毒感染可在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)在人群中呈指數(shù)級(jí)傳播[1]。然而目前超過50%的中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染者和40%~50%重癥肺炎膿毒癥患者無法得到確切的診斷[2-3]。此外，新發(fā)感染性疾病的不斷出現(xiàn)以及臨床上抗生素濫用、誤用等問題都給臨床病原診斷提出了更高的要求。宏基因組測序技術(shù)(metagenomic next-generation sequencing，mNGS)是對(duì)待測樣本中的全部核酸成分進(jìn)行“鳥槍法”大規(guī)模平行測序，再將測序數(shù)據(jù)進(jìn)行生物信息學(xué)分析，以獲取樣本中完整的核酸序列信息的技術(shù)?，F(xiàn)如今，該技術(shù)被越來越多地應(yīng)用于臨床，在感染性病原檢測、病原生物學(xué)特征中展現(xiàn)了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。本文將對(duì)宏基因組測序技術(shù)在感染性疾病病原體檢測中的應(yīng)用進(jìn)行闡述，旨在進(jìn)一步揭示宏基因組測序在感染性疾病診治中的重要作用和應(yīng)用價(jià)值。

1 宏基因組測序技術(shù)

宏基因組測序是一種直接從患者標(biāo)本中進(jìn)行泛核酸檢測的方法，該方法可對(duì)樣品中所有的核酸進(jìn)行放大和并行測序，允許無差別檢測所有微生物(如細(xì)菌、病毒、寄生蟲和真菌)、抗體、毒力因子及宿主生物標(biāo)志物等[4]。mNGS 技術(shù)的實(shí)驗(yàn)流程分為濕實(shí)驗(yàn)和干實(shí)驗(yàn)，其中濕實(shí)驗(yàn)包括核酸提取、文庫構(gòu)建、上機(jī)測序。干實(shí)驗(yàn)包括生信分析與報(bào)告解讀，不同的臨床樣本在核酸提取之前需要進(jìn)行不同的預(yù)處理，比如組織塊的研磨、痰液液化、體液離心等以提高病原體檢出率。文庫構(gòu)建是將基因組DNA片段化并在片段末端連接寡核苷酸接頭的過程，文庫質(zhì)量直接影響測序數(shù)據(jù)質(zhì)量。單樣本的文庫構(gòu)建完成后通常需要進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增，混合后進(jìn)行上機(jī)測序。測序完成后，下機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)入生信分析流程。該流程包括去除人源序列、處理微生物序列及相關(guān)元數(shù)據(jù)、檢測候選目標(biāo)微生物，實(shí)現(xiàn)檢測與數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換[5]。最后，檢驗(yàn)人員根據(jù)自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)生的初步結(jié)果并結(jié)合相關(guān)臨床指標(biāo)、樣本類型、病原體種類等因素進(jìn)行綜合分析進(jìn)而完成報(bào)告的審核與發(fā)放。

mNGS在感染性疾病的診斷中相較于傳統(tǒng)檢測技術(shù)有諸多優(yōu)勢，如：(1)無需病原體培養(yǎng)，可直接對(duì)臨床標(biāo)本進(jìn)行檢測；(2)檢測通量高，在一次檢測中可獲得標(biāo)本中病原微生物的全部遺傳信息；(3)敏感度高，豐度較低的微生物也可檢出；(4)通過宏基因組測序可分析病原體多樣性、種群結(jié)構(gòu)、進(jìn)化關(guān)系等，解讀其與環(huán)境、宿主之間的相互聯(lián)系?，F(xiàn)mNGS已憑借其技術(shù)優(yōu)勢應(yīng)用于包括呼吸系統(tǒng)感染、中樞神經(jīng)系統(tǒng)感染及血液系統(tǒng)感染[6-9]等在內(nèi)的多種感染性疾病的診治中。目前絕大多數(shù)醫(yī)院未建立宏基因組測序平臺(tái)，而是借助第三方服務(wù)。從臨床需求來看，醫(yī)院自建平臺(tái)和第三方提供檢測服務(wù)都在發(fā)展。2020 年底我國相繼出臺(tái)了《中國宏基因組學(xué)第二代測序技術(shù)檢測感染病原體的臨床應(yīng)用專家共識(shí)》[10]和《高通量宏基因組測序技術(shù)檢測病原微生物的臨床應(yīng)用規(guī)范化專家共識(shí)》[11]，其中就mNGS的臨床應(yīng)用范圍、樣本采集、報(bào)告解讀、診斷效能以及質(zhì)量保證等方面進(jìn)行了證據(jù)總結(jié)和意見推薦，以促進(jìn)mNGS在感染性疾病領(lǐng)域的普及和規(guī)范化發(fā)展。

2 宏基因組測序在感染性疾病中的應(yīng)用

2.1 細(xì)菌性感染 細(xì)菌性感染是臨床上感染性疾病中最常見的類型之一，如金黃色葡萄球菌、大腸埃希菌、銅綠假單胞菌及肺炎鏈球菌感染等。目前通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室診斷技術(shù)可培養(yǎng)鑒定的菌種有限，多重感染不易識(shí)別，致使疑難細(xì)菌感染患者難以得到及時(shí)有效的治療。隨著抗生素的廣泛使用，臨床細(xì)菌性感染的病原體構(gòu)成越來越復(fù)雜。臨床上通過細(xì)菌培養(yǎng)來鑒定細(xì)菌性感染存在一定的局限性：(1)細(xì)菌培養(yǎng)受限于標(biāo)本中活菌的豐度，培養(yǎng)的時(shí)間普遍較長，陽性率普遍較低；(2)不同細(xì)菌的生長條件不同，部分細(xì)菌培養(yǎng)成功率低，甚至不能培養(yǎng)；(3)難以鑒定多重感染，易發(fā)生漏檢。宏基因組測序在診斷細(xì)菌性感染方面可有效做到以下幾點(diǎn)：(1)宏基因組測序有更高的陽性檢出率。GENG 等[12]將63 例血培養(yǎng)陰性的危重癥患者的血液進(jìn)行mNGS 檢測，比較其與傳統(tǒng)檢測方法的診斷效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)mNGS陽性率為41.3%，并診斷出16例混合感染，表明mNGS對(duì)血培養(yǎng)無法診斷的危重患者具有較好的適用性。在一項(xiàng)中樞系統(tǒng)感染的前瞻性隊(duì)列研究報(bào)道中，研究者將230份腦脊液標(biāo)本分別進(jìn)行mNGS和常規(guī)培養(yǎng)。結(jié)果顯示經(jīng)驗(yàn)治療組mNGS的檢出率明顯高于培養(yǎng)組(34.45%vs 7.56%)[7]。SUN等[13]證實(shí)mNGS 的敏感性明顯高于其他常規(guī)結(jié)核試驗(yàn)的敏感性。且工作特征曲線分析顯示mNGS 的曲線下面積(AUC)值最高，為0.79。(2)宏基因組測序技術(shù)可“無偏倚”地檢測目標(biāo)樣本中幾乎所有的核酸信息，以此來探究樣本的菌群結(jié)構(gòu)。DEI-CAS等[14]利用mNGS發(fā)現(xiàn)銀屑病患者的腸道菌群中厚壁菌門與擬桿菌門比例增加，這一比例會(huì)導(dǎo)致丁酸鹽產(chǎn)量下降，低水平的丁酸鹽可能影響?zhàn)つ拥耐暾?，損害腸道上皮。KRISHNA 等[15]用mNGS 分析結(jié)核病患者的痰液微生物群，門水平分析顯示：結(jié)核病患者痰液中厚壁菌門和放線菌門的相對(duì)豐度顯著高于健康對(duì)照；屬水平分析顯示：鏈球菌屬，奈瑟菌屬和韋榮氏球菌屬是結(jié)核桿菌的優(yōu)勢屬，表明痰液菌群的特征可能為肺結(jié)核的致病提供重要的見解。(3)細(xì)菌的藥敏試驗(yàn)需要對(duì)病原菌進(jìn)行分離，操作復(fù)雜且耗時(shí)，無法了解苛養(yǎng)菌的耐藥信息。宏基因組測序技術(shù)既可以對(duì)病原微生物進(jìn)行鑒定，也可以通過比對(duì)抗性基因數(shù)據(jù)庫分析其耐藥表型。有研究者通過mNGS 發(fā)現(xiàn)氨基酸取代GyrA S83F 和多個(gè)RNA 家族外排泵的表達(dá)是導(dǎo)致甲型副傷寒沙門菌對(duì)喹諾酮類藥物以及頭孢曲松耐藥的原因[16]。SOMMER等[17]采用mNGS對(duì)2名健康人的唾液和糞便中的抗性基因進(jìn)行研究，結(jié)果分離出290 個(gè)抗生素耐藥基因，并篩選出13 種抗生素的表型抗性文庫。憑借mNGS 對(duì)抗菌素耐藥性機(jī)制的解析預(yù)測病原體耐藥性，可方便臨床醫(yī)生為患者定制更優(yōu)的治療方案。由此可見，無論是在病原菌陽性檢出率、多重感染的鑒定以及細(xì)菌耐藥鑒定等方面，mNGS 相比于傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)均表現(xiàn)出更佳的優(yōu)勢。

2.2 病毒性感染 病毒是臨床上感染性疾病中常見的病原體之一。其種類多、變異快，傳播途徑多樣可引起人體多部位感染。臨床實(shí)驗(yàn)室對(duì)于病毒感染的檢測，目前主要以免疫法、PCR等為主，但這些方法具有一定的局限性：(1)免疫法操作簡單，價(jià)格便宜，但結(jié)果受限于已有的抗體種類，能夠檢測的病毒種類有限。(2)近年來已有多種多重PCR 的病原體檢測方案，但所涉及的病原體種類也有限，因此一些少見或突變的病毒易被漏檢。研究顯示宏基因組測序技術(shù)無論是在病毒檢出率、血清分型以及耐藥性檢測等方面都優(yōu)于常規(guī)檢測方法[18]。在病毒性感染檢測方面，宏基因組測序可有效做到以下幾點(diǎn)：(1)可有效檢出未知及罕見的病原體類型。MAI 等[19]利用mNGS 首次在尿液中鑒定出日本腦炎病毒，表明尿液可作為檢測日本腦炎病毒的一種有價(jià)值的診斷標(biāo)本。HOFFMANN 等[20]通過mNGS 確定了一種新的斑紋松鼠博爾納病毒(VSBV-1)為致命人類腦炎的來源。(2)可在沒有病毒靶標(biāo)富集的情況下診斷合并感染，從而更及時(shí)地在疫情爆發(fā)早期對(duì)可疑感染患者病情進(jìn)行鑒別診斷以及對(duì)患者進(jìn)行分類。MOSTAFA等[21]對(duì)50例感染嚴(yán)重急性呼吸綜合征冠狀病毒2(severe acute respiratory syndrome coronavirus 2，SARS-CoV-2)的 COVID-19 患者的鼻咽拭子進(jìn)行mNGS 測序，結(jié)果檢測出與肺部疾病惡化有關(guān)且豐度較高的流感嗜血桿菌、卡他莫拉菌以及偏肺病毒，表明SARS-CoV-2 可以增加與肺炎有關(guān)的條件致病菌的感染能力。LI 等[22]使用mNGS 在 22 例埃博拉病毒(Ebola virus，EBOV)感染患者的血液樣本中檢測到15 例與出血熱相關(guān)的惡性瘧原蟲的合并感染，其他合并感染包括乙型肝炎病毒、人類皰疹病毒4型等。表明mNGS可在EBOV爆發(fā)時(shí)期對(duì)病患感染情況分類提供有力的依據(jù)。(3)通過宏基因組測序鑒定病毒基因組可追蹤病毒與感染性疾病之間的聯(lián)系。于紅美[23]對(duì)腹瀉嬰幼兒糞便樣品中的病毒顆粒進(jìn)行宏基因組測序、經(jīng)數(shù)據(jù)質(zhì)量篩選、聚類及組裝后生成63 448 條序列，宏基因組分類顯示與病毒相關(guān)的2 911條中有29條與輪狀病毒有關(guān)。相對(duì)于傳統(tǒng)病毒檢測方法，mNGS不僅可解決其在病毒合并感染、罕見及新型病毒檢測上的困難，也有效彌補(bǔ)其在追蹤病毒來源問題上的不足。

2.3 其他感染 除了細(xì)菌、病毒外，mNGS 同樣運(yùn)用到其他種類的感染性病原體如真菌、支原體、衣原體、立克次體、寄生蟲等[5，24-26]。ZHANG 等[27]報(bào)道了一例重癥肺炎患者，通過核酸檢測確診為巨細(xì)胞病毒和甲型流感病毒感染，在接受抗病毒以及經(jīng)驗(yàn)性抗真菌治療后反應(yīng)不佳，通過mNGS測序在患者支氣管肺泡灌洗液中發(fā)現(xiàn)了三種真菌，分別是耶氏肺孢子菌、曲霉和米根霉。進(jìn)而調(diào)整治療方案，患者病情明顯好轉(zhuǎn)。YANG 等[28]利用 mNGS 和常規(guī)檢測手段檢測 106 例疑似肺部真菌感染患者的組織標(biāo)本和肺泡灌洗液，比較二者在診斷肺部真菌感染的表現(xiàn)，結(jié)果顯示mNGS的診斷敏感性顯著高于常規(guī)檢查(常規(guī)檢查vs活檢-mNGS：44.4% vs 80.0%；常規(guī)試驗(yàn)vs BALF-mNGS：44.4% vs 84.4%)。XIAO等[29]報(bào)道一例腎囊腫患者在術(shù)后出現(xiàn)感染反應(yīng)，手術(shù)部位引流液和血液的細(xì)菌培養(yǎng)均顯示陰性，術(shù)后17 d，mNGS的檢測結(jié)果顯示人型支原體感染，隨即改變用藥方案，患者痊愈。mNGS 可縮短鸚鵡熱衣原體的診斷時(shí)間和病程，克服了鸚鵡熱衣原體分離培養(yǎng)率低及血清學(xué)檢測易受交叉反應(yīng)干擾等問題[24]。宏基因組測序在寄生蟲方面研究較少，未來的研究方向包括寄生蟲的基因組特征以及寄生蟲對(duì)腸道微生態(tài)環(huán)境的影響等[30]。

3 宏基因測序技術(shù)中的挑戰(zhàn)

盡管已明確宏基因組測序技術(shù)在感染性疾病的病原體診斷中具有明顯優(yōu)勢，但在實(shí)際檢測工作中還存在一些技術(shù)與監(jiān)管方面的問題。(1)高背景人源宿主核酸的干擾：mNGS 可檢測臨床樣本中所有的核酸序列，宿主基因組信息在不同的臨床檢測樣本中都有不同程度的占比，因此mNGS分析產(chǎn)生的巨大數(shù)據(jù)集中只有一部分可以用于病原體的鑒定，影響檢測的靈敏度[31-33]。(2)樣本、試劑以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境的污染：在常用的DNA 提取試劑盒和其他實(shí)驗(yàn)室試劑中，外源DNA普遍存在，影響結(jié)果判讀，特別是微生物載量低的樣本。為了減少潛在的污染，現(xiàn)已有多種處理方式，如：γ或UV輻射、DNase處理、限制性酶切等[34-35]。(3)測序成本高。序列數(shù)據(jù)的產(chǎn)生方面成本已有很大降低，但是相比傳統(tǒng)的檢測方法，用于宏基因組測序的儀器和試劑價(jià)格均較高。(4)病原體基因組數(shù)據(jù)庫不完善，有的生物信息數(shù)據(jù)庫未能囊括所有病原微生物，有可能導(dǎo)致漏檢[36]。目前常用的數(shù)據(jù)庫有提供細(xì)菌、古菌以及真菌基因組的SILVA數(shù)據(jù)庫和RDP數(shù)據(jù)庫，提供病毒序列最全面的NCBI-NT 數(shù)據(jù)庫等。實(shí)驗(yàn)室可結(jié)合患者臨床特征選擇合適的分析數(shù)據(jù)庫以提高微生物鑒定的特異性和敏感性。(5)質(zhì)量控制與評(píng)價(jià)的指南缺乏：mNGS 技術(shù)流程包含多個(gè)步驟，因此需要科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)馁|(zhì)量控制與評(píng)價(jià)方案來保證其質(zhì)量的穩(wěn)定從而滿足臨床需求。

隨著高通量測序技術(shù)的不斷進(jìn)步，mNGS 對(duì)感染病原體的診斷方面越來越有重要的參考價(jià)值。綜合以上關(guān)于mNGS 優(yōu)劣所述，在以下幾種情況推薦使用mNGS對(duì)感染性疾病進(jìn)行診斷：(1)多次傳統(tǒng)微生物檢測查陰性，但又有明顯感染癥狀的患者可使用mNGS進(jìn)行檢測，以克服部分病原菌難培養(yǎng)、罕見及新型病毒檢測難的障礙。(2)針對(duì)多重感染情況，結(jié)合實(shí)際情況可優(yōu)先考慮使用mNGS。(3)針對(duì)疑難重癥，感染原因未知及診斷復(fù)雜的情況下，利用mNGS可全面解讀病原微生物構(gòu)成，分析患者主要病因。(4)臨床醫(yī)生如需了解病原體的豐度、多樣性、功能結(jié)構(gòu)及進(jìn)化關(guān)系等以解讀病原體與宿主和環(huán)境間的關(guān)系時(shí)，推薦使用mNGS。

4 小結(jié)

綜上，相比傳統(tǒng)的檢測手段，mNGS有無可替代的優(yōu)勢，但mNGS 無法擺脫其技術(shù)本身的局限性，無法解決所有與病原體檢測相關(guān)的問題。同時(shí)，這一行業(yè)發(fā)展仍處于發(fā)展初期，提供檢測服務(wù)的第三方企業(yè)較多，應(yīng)加緊制定規(guī)范化、系統(tǒng)化的標(biāo)準(zhǔn)，以利于市場整體的發(fā)展和臨床診療的正確實(shí)施[37]。臨床醫(yī)生應(yīng)抱著科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，以合理的方式將mNGS 應(yīng)用于病原微生物的檢測。未來，隨著mNGS 相關(guān)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)確立、自動(dòng)化程度逐漸提升、成本進(jìn)一步降低，mNGS 的臨床應(yīng)用會(huì)更加成熟與廣泛。在感染性疾病病原體的檢測、細(xì)菌耐藥基因的檢測、病原微生物毒力基因的檢測、菌株分型、微生物進(jìn)化等方面會(huì)有更加突出的貢獻(xiàn)。