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宏基因組測(cè)序和靶向測(cè)序技術(shù)在病原微生物檢測(cè)中的臨床價(jià)值與局限性
[ 發(fā)布日期:2023-12-28 9:55:27    閱讀次數(shù):688 ]
 本文轉(zhuǎn)載自《臨床實(shí)驗(yàn)室》雜志,作者:谷德健 陳蓉蓉 賈婿 高瑞 蘇建榮

感染性疾病的發(fā)病率和死亡率均位居全球前十位,嚴(yán)重威脅著人類的生命和健康[1]。從臨床樣本中鑒定出病原體是指導(dǎo)感染疾病治療和管理策略的關(guān)鍵。目前多種傳統(tǒng)診斷技術(shù)應(yīng)用于病原學(xué)診斷,包括微生物培養(yǎng)、病原特異性抗原抗體檢測(cè)以及微生物核酸(DNA或RNA)的分子鑒定[2]。然而,病原微生物種類繁多,臨床傳統(tǒng)方法通量低,傳統(tǒng)培養(yǎng)方法耗時(shí)長(zhǎng),仍有約50%感染患者的病原診斷困難[3]。高通量測(cè)序技術(shù)也稱下一代測(cè)序技術(shù)(Next Generation Sequencing,NGS)在臨床病原體檢測(cè)中的應(yīng)用顯示出巨大的潛力。其中,基于NGS鑒別臨床病原微生物的主要方法有:宏基因組測(cè)序(metagenomics next-generation sequencing,mNGS)和靶向測(cè)序(targeted NGS, tNGS)。mNGS技術(shù),是一種無偏性、無需預(yù)設(shè)的,借助二代/三代測(cè)序平臺(tái)直接從樣本中檢測(cè)所有潛在病原體(細(xì)菌、病毒、真菌和寄生蟲)核酸序列的技術(shù)。tNGS技術(shù)是基于NGS的靶向富集(Target enrichment)的測(cè)序技術(shù),通過超多重PCR擴(kuò)增或雜交捕獲技術(shù)富集待測(cè)樣本中幾十種至幾百種已知病原微生物及其毒力和/或耐藥基因,進(jìn)而進(jìn)行基于NGS的高通量多病原平行檢測(cè)。本文將對(duì)mNGS和tNGS技術(shù)在病原微生物檢測(cè)中的價(jià)值和局限,優(yōu)勢(shì)和不足等進(jìn)行剖析。

01

mNGS技術(shù)在病原微生物檢測(cè)中的價(jià)值和局限

迄今為止,多項(xiàng)研究已經(jīng)證實(shí)了mNGS在臨床和公共衛(wèi)生中的應(yīng)用前景。2013年C.Y.Chiu教授團(tuán)隊(duì)首次成功應(yīng)用mNGS技術(shù)在一位不明原因發(fā)熱的男孩樣本中鑒定出鉤端螺旋體[4],準(zhǔn)確的病原學(xué)診斷帶來了精準(zhǔn)的抗菌藥物治療,最終使患者順利康復(fù)。2019年Blauwkamp等人探究了mNGS用于膿毒癥患者的檢測(cè),血培養(yǎng)鑒定出18.1%的微生物,而mNGS能檢出48.6%,且保持了92.9%的敏感性和62.7%的特異性[5],與血培養(yǎng)的一致性達(dá)到了93.6%。急性傳染病精準(zhǔn)診斷(PDAID)研究招募了204名特發(fā)性腦膜炎、腦炎或脊髓炎患者,發(fā)現(xiàn)mNGS與傳統(tǒng)檢測(cè)方法的陰性一致率為98%,并且mNGS將疾病的診斷率提升了22%[6]。一項(xiàng)針對(duì)不明原因發(fā)熱兒童的病因?qū)W研究證實(shí),通過mNGS明確病因可避免不必要的抗菌藥物的使用[7]。綜上所述,目前mNGS在呼吸道感染、骨和關(guān)節(jié)感染、復(fù)雜和非典型感染及免疫抑制等特殊人群中被廣泛應(yīng)用[3],為不明原因發(fā)熱、反復(fù)感染、神經(jīng)系統(tǒng)感染、血流感染及眼部感染患者的病原學(xué)鑒定提供了解決方案[8, 9],也可作為急危重癥感染患者、罕見病原感染患者的病原篩查技術(shù)[10]。

1. mNGS技術(shù)在臨床病原微生物檢測(cè)中的價(jià)值:無需預(yù)設(shè)、可覆蓋廣泛的病原微生物助力新發(fā)、罕見、難檢病原的鑒定。

(1)傳統(tǒng)檢測(cè)方法只能檢測(cè)已知病原,檢測(cè)通量有限,對(duì)于臨床醫(yī)生的經(jīng)驗(yàn)依賴性大,這使得新發(fā)/罕見病原體感染的診斷成為了挑戰(zhàn)。mNGS通過對(duì)樣本中所有核酸進(jìn)行測(cè)序,從而實(shí)現(xiàn)廣泛無偏的病原微生物檢測(cè)。這為臨床上不明原因的感染、罕見致病菌病原鑒定提供了可能。例如,2019年12月,我國(guó)湖北省武漢市出現(xiàn)了嚴(yán)重的不明原因肺炎。僅耗時(shí)3個(gè)月通過mNGS確定了新型的冠狀病毒(SARS-CoV-2)是引起肺炎的原因[11]。鸚鵡熱衣原體感染的患者會(huì)出現(xiàn)不同程度的肺炎,但是傳統(tǒng)方法檢測(cè)鸚鵡熱衣原體不僅耗時(shí)長(zhǎng)且敏感性低,對(duì)此類病原的感染診斷較為困難。Gu等人近期報(bào)道了5例通過mNGS方法診斷了鸚鵡熱衣原體肺炎,使得患者很快從針對(duì)性抗菌藥物治療中獲益[12]。除病毒之外,仍有部分病原體難以培養(yǎng)或需要較長(zhǎng)培養(yǎng)時(shí)間,是傳統(tǒng)方法下的難檢病原。mNGS作為一種不依賴于培養(yǎng)的檢測(cè)方法,可以在更短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)這些難檢病原的檢測(cè)。苗等人在561名急性或慢性感染患者隊(duì)列中評(píng)估了mNGS的臨床實(shí)踐表現(xiàn),研究證實(shí)mNGS的敏感性為50.7%,特異性為85.7%。并且,mNGS檢出苛養(yǎng)菌的能力優(yōu)于培養(yǎng),尤其是對(duì)于結(jié)核分枝桿菌、病毒、厭氧菌和真菌[13]。一項(xiàng)評(píng)估m(xù)NGS檢測(cè)結(jié)核分枝桿菌可行性的研究表明,mNGS只需要3天就可以識(shí)別出67.23%(80/119)的感染病例,而傳統(tǒng)方法只能檢測(cè)到49.58%(59/119)的感染病例,并且部分需要90多天的培養(yǎng)。在快速檢測(cè)同時(shí)mNGS與Xpert和傳統(tǒng)培養(yǎng)表現(xiàn)出檢測(cè)結(jié)核分枝桿菌相似的敏感性(47.92% vs 45.83%,46.81%)[14]。

(2)mNGS檢測(cè)經(jīng)抗菌藥物治療患者,混合感染患者具有優(yōu)勢(shì):經(jīng)驗(yàn)性使用抗菌藥物在急性重癥感染患者的治療中仍比較普遍,但是帶來的問題是可能會(huì)影響傳統(tǒng)方法(例如培養(yǎng))鑒定病原體的敏感性[15]。由于mNGS技術(shù)并不依賴于活菌,而是基于微生物核酸的檢測(cè),因此受先前抗菌藥物治療暴露的影響相對(duì)較小。苗等人通過對(duì)561名急性或慢性感染患者的隊(duì)列研究發(fā)現(xiàn),在接受過抗菌藥物治療的患者中mNGS的檢出敏感性顯著高于培養(yǎng)(52.7% vs 34.4%),而接受和未接受過抗菌藥物治療的患者mNGS檢出結(jié)果相近[13]。一項(xiàng)mNGS用于疑似中樞神經(jīng)感染病原檢測(cè)的研究表明,抗菌藥物治療后,mNGS依舊可以檢出部分病原體,mNGS在經(jīng)過抗菌藥物治療患者的敏感性為66.67%,相對(duì)于未經(jīng)抗菌藥物治療患者的90%的敏感性稍低[16]。免疫功能低下人群的感染通常更加復(fù)雜,感染的后果也更加嚴(yán)重。免疫功能低下的患者更容易出現(xiàn)混合感染,有研究證實(shí)mNGS在混合感染診斷方面有明顯優(yōu)勢(shì)。一項(xiàng)回顧性研究基于55名肺部混合感染的患者評(píng)估了mNGS的檢測(cè)性能,研究發(fā)現(xiàn)mNGS診斷混合感染的敏感度高于常規(guī)檢測(cè)(97.2% vs 13.9%),但特異性低于常規(guī)檢測(cè)(63.2% vs 94.7%)[17]。

2. mNGS廣泛應(yīng)用于病原檢測(cè)的局限:mNGS用于臨床微生物檢測(cè)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì),在臨床應(yīng)用已比較普及,但其檢測(cè)某些苛養(yǎng)/難檢/低載量微生物能力還需要提升,寬譜的微生物覆蓋導(dǎo)致mNGS結(jié)果解讀也存在著巨大的挑戰(zhàn)。

(1)mNGS檢測(cè)某些苛養(yǎng)/難檢/低載量微生物能力還需要提升:mNGS通過對(duì)樣本中所有核酸進(jìn)行測(cè)序,從而實(shí)現(xiàn)廣泛無偏的病原微生物檢測(cè)。微生物序列數(shù)(reads)是支撐病原微生物被正確鑒定的關(guān)鍵,序列數(shù)是指檢測(cè)到的短DNA序列的數(shù)目,某個(gè)特定病原體的序列數(shù)與樣本中該微生物的數(shù)量正相關(guān),但同時(shí)也受測(cè)序數(shù)據(jù)量、病原基因組大小、病原基因組特異性序列比例,病原核酸提取難度以及人類宿主核酸占比等影響。由于人類基因組遠(yuǎn)大于微生物基因組,樣本中宿主細(xì)胞數(shù)通常也遠(yuǎn)高于微生物細(xì)胞,因此,宿主核酸占比是影響mNGS病原微生物正確鑒定的最重要因素。宿主的核酸占比在不同樣本中有差異,不同樣本間宿主核酸占比在80%-99%[8, 18]。去除宿主核酸是目前正在探索的、提升mNGS檢測(cè)能力的一種技術(shù)方案。目前有多種去除/降低樣本中宿主核酸的方法在研,包括離心或過濾等物理方法[19, 20]、化學(xué)試劑的差異裂解等化學(xué)法[21]以及基于CRISPR-Cas9方法的選擇性雜交去除法等[22]。但是這些方法都會(huì)在一定程度上損失部分病原體[23]。此外,去宿主過程中使用額外的試劑,可能增加外源性背景污染的風(fēng)險(xiǎn)[2]。不同樣本的宿主細(xì)胞占比的復(fù)雜性也增加了去宿主核酸的難度。對(duì)于宿主核酸的去除方法,目前還沒有比較有效可行的方法和標(biāo)準(zhǔn)。

除去宿主核酸占比這個(gè)因素,病原自身特征如:基因組小或低載量高致病性的微生物也是影響檢測(cè)性能的重要因素。一項(xiàng)基于mNGS檢測(cè)病毒的研究中發(fā)現(xiàn),基于mNGS方法檢測(cè)到的10種病毒的支持reads大部分在10條以下,病毒平均的基因組覆蓋度約2%[24]。在如此低的基因組覆蓋度下,支持reads數(shù)變得十分重要。但是有些病毒的載量有限,一項(xiàng)研究?jī)和X炎星狀病毒的研究,在mNGS測(cè)序數(shù)據(jù)量達(dá)到134M時(shí),僅檢測(cè)到1600條(0.0012%)星狀病毒的reads[18]。另外,如人類免疫缺陷病毒、寨卡病毒、呼吸道合胞病毒等RNA病毒同樣也存在載量的問題。由于某些逆轉(zhuǎn)錄病毒與人類轉(zhuǎn)錄元件的相似性,當(dāng)檢出reads較少時(shí),無法很好地進(jìn)行二者的區(qū)分導(dǎo)致無法準(zhǔn)確報(bào)出[25]。

此外,一些具有較厚細(xì)胞壁的病原體如真菌和胞內(nèi)菌,可能會(huì)因?yàn)檩^低的核酸提取效率從而導(dǎo)致檢測(cè)輸入的微生物核酸載量降低,影響檢測(cè)性能[18]?;诖耍壳癿NGS在真菌檢測(cè)的應(yīng)用上還存在一些爭(zhēng)議。王等人通過mNGS分析了21例真菌性肺炎患者,mNGS檢出19例,但研究發(fā)現(xiàn)mNGS在檢測(cè)隱球菌上并未表現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)[26]。方等人的另一項(xiàng)研究中也提出mNGS在檢測(cè)真菌方面與傳統(tǒng)方法各有優(yōu)劣,傳統(tǒng)檢測(cè)方法對(duì)白色念珠菌和熱帶念珠菌的檢出性能較好,而mNGS對(duì)曲霉菌的檢出性能較好[27]。另外一項(xiàng)mNGS用于腦膜炎患者的檢測(cè)研究中,雖然mNGS和傳統(tǒng)檢測(cè)表現(xiàn)出較高的一致性,但仍存在漏檢患者。漏檢患者的mNGS中有牛分枝桿菌、結(jié)核分枝桿菌、新型隱球菌等微生物檢出,但是豐度未達(dá)到預(yù)先確定的報(bào)告閾值[28]。為了不漏檢一些致病性微生物,如結(jié)核分枝桿菌、軍團(tuán)菌,一般這些微生物都特殊設(shè)置了較低的報(bào)出閾值[24, 25]。但是,如此低的閾值下,也會(huì)使得臨床判斷和決策變得困難[10]。

(2)寬譜的微生物覆蓋導(dǎo)致mNGS結(jié)果解讀是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn):mNGS理論上可以檢測(cè)所有目前已知的約8000余種甚至目前未知基因組序列的病原體。因而,mNGS檢測(cè)結(jié)果中,環(huán)境、試劑、容器中的微生物污染,以及在人體內(nèi)定植等大量非病原微生物和致病微生物的檢測(cè)信號(hào)混合在一起[29]。這要求在mNGS生信分析過程中不僅要構(gòu)建包含所有病原微生物的數(shù)據(jù)庫,還需要構(gòu)建相關(guān)的數(shù)據(jù)庫用于過濾[30]??紤]到不同微生物的致病性和致病條件,mNGS需要設(shè)定個(gè)性化的報(bào)出閾值[3]。如結(jié)核分枝桿菌、鼠疫耶爾森菌及流行性出血熱病毒等高致病但低病原載量的病原體專家共識(shí)建議,在排除污染的前提下,即使檢出1條序列也應(yīng)視為陽性[13, 31-33]。即便如此,mNGS報(bào)出的微生物數(shù)量也在5-20個(gè),這使得mNGS的臨床解讀具有巨大的挑戰(zhàn),需要大量的臨床、病原微生物診斷和專業(yè)經(jīng)驗(yàn)[3],需要考慮臨床整體情況[5],這通常需要一個(gè)專業(yè)的多學(xué)科團(tuán)隊(duì)來完成[34]。

02

tNGS技術(shù)在病原微生物檢測(cè)中的優(yōu)勢(shì)和不足

tNGS技術(shù)是基于NGS的靶向富集(Target enrichment)的測(cè)序技術(shù)。在病原檢測(cè)上,通過超多重PCR擴(kuò)增或雜交捕獲技術(shù)富集待測(cè)樣本中幾十種至幾百種已知病原微生物(特別是低濃度的病原微生物)及其毒力和/或耐藥基因,進(jìn)而進(jìn)行基于NGS的高通量多病原平行檢測(cè)。靶向富集是tNGS技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié),通過對(duì)目標(biāo)基因組區(qū)域(regions of interest,ROI)進(jìn)行富集[35],確保ROI區(qū)域有足夠的測(cè)序深度和覆蓋度,進(jìn)而成功地識(shí)別目標(biāo)病原體。相對(duì)于mNGS技術(shù),tNGS可將微生物核酸進(jìn)行幾十乃至上萬倍的富集。目前國(guó)內(nèi)外tNGS技術(shù)的靶向富集策略主要分為兩種:基于超多重PCR擴(kuò)增的tNGS和基于雜交捕獲的tNGS[35]。tNGS技術(shù)在疾病檢測(cè)領(lǐng)域特別是腫瘤基因檢測(cè)領(lǐng)域已廣為流行,但在病原微生物檢測(cè)中的應(yīng)用尚處于起步階段,且相關(guān)研究文獻(xiàn)較少,本部分主要闡述tNGS靶向富集策略、技術(shù)優(yōu)勢(shì)、技術(shù)難點(diǎn)等方面。

1. tNGS靶向富集策略:tNGS的兩種主要靶向富集方法中,雜交捕獲靶向測(cè)序主要是利用探針雜交富集目標(biāo)片段,適用于基因組目標(biāo)區(qū)域的全面檢測(cè)。目前應(yīng)用的主要是液相雜交捕獲測(cè)序,即基于堿基互補(bǔ)配對(duì)原理,設(shè)計(jì)合成核酸探針,對(duì)DNA文庫進(jìn)行基于液相環(huán)境的目標(biāo)區(qū)域雜交富集,并進(jìn)行測(cè)序。對(duì)于雜交捕獲測(cè)序,會(huì)涉及到探針序列設(shè)計(jì)、目標(biāo)病原體的選擇、精細(xì)化數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建等多個(gè)技術(shù)開發(fā)難點(diǎn)。在探針設(shè)計(jì)時(shí),需要評(píng)估覆蓋位置的序列特征,如果探針有很多落在重復(fù)序列區(qū),或者高拷貝序列區(qū),則探針會(huì)結(jié)合較多的非目標(biāo)區(qū)域。設(shè)計(jì)更加特異性的探針則可以有效減少非特異序列的結(jié)合,提升捕獲特異性。另外,病原基因組探針的覆蓋度,能否均勻識(shí)別病原基因組區(qū)段;探針能否準(zhǔn)確識(shí)別/區(qū)分近緣物種,特異性序列marker覆蓋度如何;在同一病原不同亞型(株系)間,多種參考基因組如何選擇等眾多問題均需綜合考量。

超多重PCR靶向測(cè)序即針對(duì)感興趣的目標(biāo)區(qū)域,設(shè)計(jì)多重PCR引物進(jìn)行擴(kuò)增富集并進(jìn)行測(cè)序的技術(shù)。通常適用于檢測(cè)幾十到幾千個(gè)位點(diǎn),或幾十kb以下的區(qū)域。其核心是引物設(shè)計(jì),先通過PCR擴(kuò)展富集目標(biāo)片段,再進(jìn)行文庫構(gòu)建,適用于研究的目標(biāo)區(qū)域相對(duì)較小,對(duì)于拷貝數(shù)較低的模板DNA,可產(chǎn)生足夠數(shù)量用于測(cè)序的擴(kuò)增子,這種方法能明顯提高效率,節(jié)約時(shí)間,降低經(jīng)濟(jì)成本,難點(diǎn)在于多對(duì)引物間存在互相干擾和非特異性擴(kuò)增等問題。也有研究表明,基于雜交捕獲的tNGS技術(shù)比基于擴(kuò)增子的方法具有更好的均一性,偏好性弱,可能會(huì)更客觀的反應(yīng)樣本中病原的真實(shí)含量[26],但技術(shù)開發(fā)比超多重PCR擴(kuò)增方法難度更大且檢測(cè)流程更復(fù)雜。兩種方法之間的主要差異見表1。

圖片

表1.雜交捕獲靶向測(cè)序和超多重PCR靶向測(cè)序的富集方法主要差異比較

2. tNGS的技術(shù)優(yōu)勢(shì):幾項(xiàng)研究通過頭對(duì)頭比較mNGS和tNGS,也證實(shí)tNGS臨床應(yīng)用的可行性。近期一項(xiàng)在呼吸道感染患者BALF樣本的mNGS和tNGS的比較研究表明,在數(shù)據(jù)量?jī)H為mNGS的1/3的情況下,tNGS展現(xiàn)出與mNGS相似的微生物檢出限(limit-of-detection,LoD)。該研究覆蓋280種病原微生物的tNGS檢測(cè),檢測(cè)的性能表現(xiàn)與mNGS相當(dāng)。通過tNGS與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比,在呼吸道感染中的準(zhǔn)確率為65.6%;而mNGS在同樣隊(duì)列中的準(zhǔn)確率為67.1%[36]。無獨(dú)有偶,在另一項(xiàng)報(bào)道中,在肺部感染的患者中,通過覆蓋150多種微生物的tNGS展示出與mNGS相近的檢出率(82.17% vs 86.51%),同時(shí)也發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌、真菌和病毒,兩種技術(shù)的檢出率表現(xiàn)一致[37]。

(1)富集增加目標(biāo)微生物檢測(cè)覆蓋,提升檢測(cè)可信度:tNGS技術(shù)通過靶向富集目標(biāo)病原體核酸序列,可以特異性增加測(cè)序數(shù)據(jù)中目標(biāo)病原體序列的數(shù)量和比例,提高對(duì)目標(biāo)微生物檢測(cè)的reads數(shù)和覆蓋度[2]。tNGS的靶向富集,即使在不去除宿主的條件下,也可以特異性增加微生物核酸的比例。一項(xiàng)研究比較了去除宿主核酸和病毒靶向捕獲增強(qiáng)兩種方法對(duì)mNGS檢測(cè)病毒能力的提升,研究發(fā)現(xiàn)通過靶向捕獲可以增加90%的病毒核酸的載量,但是去除宿主核酸方法的效果波動(dòng)較大[38]。趙等人的一項(xiàng)研究中,比較了基于核糖體RNA富集的tNGS與mNGS,研究中發(fā)現(xiàn)在樣本中微生物核酸的占比提高了7倍,無論是病毒還是真菌或耐藥基因,tNGS的檢出結(jié)果與臨床一致性高[25]。tNGS在富集后,能提升苛養(yǎng)和低載量病原的載量和覆蓋度,提升檢測(cè)可信度。Todd等人比較了基于mNGS和針對(duì)病毒捕獲的tNGS在檢測(cè)病毒上的差異。研究發(fā)現(xiàn),不明原因發(fā)熱的患兒樣本中,捕獲后檢出病毒的reads數(shù)增加了674倍,病毒基因組的覆蓋度從2.1%提升到了83.2%,得益于覆蓋度的提升,捕獲的tNGS可以用于分析基因組變異度高達(dá)58%的指環(huán)病毒[24]。另一項(xiàng)在肺部感染的患者中比較tNGS和mNGS的檢測(cè)結(jié)果的研究中,tNGS中檢出更多的結(jié)核桿菌混合感染,比mNGS中多了一倍[37]。綜上所述,針對(duì)靶向范圍內(nèi)微生物,tNGS的靶向富集能提升微生物對(duì)應(yīng)的序列數(shù),有助于微生物可信檢出。

(2)tNGS可穩(wěn)定的進(jìn)行耐藥或毒力基因的檢測(cè):測(cè)序技術(shù)的發(fā)展使人們對(duì)微生物菌株基因型、毒力、耐藥基因和系統(tǒng)遺傳背景有了較深入的了解。Mason等通過全基因組測(cè)序分析了1379個(gè)金黃色葡萄球菌分離株的耐藥基因數(shù)據(jù)。并發(fā)現(xiàn)耐藥基因型與表型之間的相關(guān)性可高達(dá)98.3%[39]。對(duì)于耐藥基因檢測(cè)方面,以mecA、KPC等基因?yàn)榇硇缘哪退帲ǔV恍枰b別病原感染樣本中是否存在耐藥型別,但難點(diǎn)在于如何將耐藥基因與致病病原相結(jié)合,考慮到耐藥基因的復(fù)雜性,結(jié)合致病菌解讀耐藥和毒力基因是有必要的;另一方面,以結(jié)核菌的耐藥為代表性的基因改變,需要精確到突變位點(diǎn)[40]?!逗昊蚪M測(cè)序病原微生物檢測(cè)生物信息學(xué)分析規(guī)范化管理專家共識(shí)》中指出,mNGS因其得到的微生物測(cè)序序列數(shù)不足樣本總序列的5%,特異性序列覆蓋度不到微生物基因組1%,在這種情況下進(jìn)行耐藥基因、毒力島基因、轉(zhuǎn)錄組及代謝通路分析幾乎不可能[32]。因此,mNGS技術(shù)對(duì)耐藥和毒力基因檢測(cè)存在局限性[2]。

tNGS技術(shù)可以針對(duì)耐藥/毒力基因進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域富集,確保準(zhǔn)確穩(wěn)定的檢出。在一項(xiàng)基于201個(gè)呼吸道樣本的tNGS用于病原微生物和耐藥基因檢測(cè)分析的探究研究中發(fā)現(xiàn),tNGS報(bào)出的53.8%的耐藥相關(guān)基因與臨床藥敏檢測(cè)一致[36]。但需要考慮同一耐藥基因在不同微生物產(chǎn)生的耐藥效果不同。在上述研究中,研究發(fā)現(xiàn)多個(gè)攜帶與產(chǎn)碳青霉烯酶相關(guān)的OXA耐藥基因的銅綠假單胞菌,但是臨床藥敏分析中并未發(fā)現(xiàn)這些微生物的耐藥表型[36]。因此在靶向目標(biāo)耐藥/毒力基因時(shí),需考慮同一基因的不同突變類型,產(chǎn)生的耐藥效果不同,實(shí)現(xiàn)耐藥/毒力基因的全覆蓋。

(3)tNGS檢測(cè)因目標(biāo)病原體設(shè)定范圍明確,可以顯著簡(jiǎn)化解讀流程:在mNGS和tNGS的對(duì)比研究中發(fā)現(xiàn),基于mNGS檢測(cè)樣本單次報(bào)出的病原數(shù)量在4-24個(gè),而tNGS報(bào)出集中在1-2個(gè)[36]。在病原微生物數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方面,相較于mNGS數(shù)據(jù)庫的幾萬種微生物的“大而全”,tNGS數(shù)據(jù)庫可更加聚焦幾十至幾百種目標(biāo)病原體,更加深入細(xì)致地區(qū)分不同亞種和亞型。研究表明,生信自動(dòng)分析階段,mNGS中96.8%的檢測(cè)結(jié)果被判讀為背景微生物,而在tNGS中這項(xiàng)比例為75.2%[36]。即便如此,tNGS數(shù)據(jù)庫的精細(xì)設(shè)計(jì)也是復(fù)雜且有必要的。數(shù)據(jù)庫的精細(xì)設(shè)計(jì)可以保證靶向檢測(cè)范圍內(nèi)病原微生物的準(zhǔn)確篩查,尤其是對(duì)于罕見和苛養(yǎng)微生物的覆蓋度,同時(shí)對(duì)于常見致病菌還要精細(xì)到種水平的鑒別上。在tNGS和mNGS的對(duì)比研究中,兩種方法都檢測(cè)到了卡氏肺孢子菌(P. carinii),但是考慮到它并非人類致病微生物均未報(bào)告。但是在tNGS中檢出的新型隱球菌被錯(cuò)誤的識(shí)別為格特隱球菌[36]。這表明tNGS生信數(shù)據(jù)庫的精細(xì)化、專業(yè)化的設(shè)計(jì)在病原識(shí)別中是至關(guān)重要的。

3. tNGS臨床應(yīng)用的不足:tNGS的檢測(cè)panel是依據(jù)已知病原設(shè)計(jì)的,因此tNGS不適用于新發(fā)病原的檢測(cè)。盡管理論上panel可以納入了幾十乃至幾百種病原體,但可能仍需要結(jié)合臨床實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行針對(duì)性的panel設(shè)計(jì),如果感染病原體本身不在Panel的設(shè)計(jì)范圍內(nèi),則無法檢出。近期tNGS和mNGS的比較研究中報(bào)道,mNGS中檢出大量的人類皰疹病毒,但tNGS的病原檢測(cè)范圍并未包含該病毒故tNGS中并未報(bào)道;除此之外,mNGS還在tNGS的檢測(cè)范圍外檢出了8種細(xì)菌,2種寄生蟲,5種病毒和5種真菌[37]。

03

mNGS與tNGS臨床應(yīng)用展望

mNGS技術(shù)通過對(duì)臨床標(biāo)本進(jìn)行宏基因組測(cè)序,可以無偏向性地檢出標(biāo)本中的多種病原微生物(包括病毒、細(xì)菌、真菌和寄生蟲),越來越多的臨床研究及特殊病原體感染案例報(bào)道肯定了mNGS在感染性疾病輔助診斷中的價(jià)值。目前,mNGS主要應(yīng)用于懷疑感染的急危重癥、常規(guī)檢測(cè)陰性但懷疑感染等疑難重癥的患者。考慮到價(jià)格和解讀難度等問題,mNGS暫時(shí)不適合應(yīng)用于常規(guī)感染的初步篩查。tNGS針對(duì)臨床初篩需求設(shè)計(jì)panel,覆蓋常見病原體;同時(shí)通過靶向擴(kuò)增針對(duì)性提升病原體的檢出可信度。該技術(shù)有望填補(bǔ)傳統(tǒng)分子檢測(cè)和mNGS之間的需求空白。因此,tNGS在臨床檢驗(yàn)領(lǐng)域正受到越來越多的關(guān)注。

當(dāng)然,隨著NGS技術(shù)在感染性疾病精準(zhǔn)診療上的應(yīng)用,對(duì)于mNGS和tNGS檢測(cè)的技術(shù)優(yōu)化和應(yīng)用規(guī)范化的推進(jìn)是必要的。在技術(shù)層面,自動(dòng)化流程以及準(zhǔn)確且更快速的測(cè)序儀可能是mNGS和tNGS技術(shù)轉(zhuǎn)化的兩大發(fā)力點(diǎn);在應(yīng)用層面,mNGS和tNGS都需要進(jìn)一步明確臨床使用場(chǎng)景,并根據(jù)臨床應(yīng)用場(chǎng)景明確檢測(cè)樣本類型,目標(biāo)病原范圍,陽性判斷值,以及產(chǎn)品配套使用的數(shù)據(jù)庫。未來基于傳統(tǒng)檢測(cè)、tNGS和mNGS的小、中、大覆蓋范圍的病原檢測(cè)方法將更有效、更精準(zhǔn)的服務(wù)于臨床的精準(zhǔn)診療。

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