宏基因组测序技术在感染性病临床诊断中应用的重要意义

近两年，新冠肺炎疫情席卷全球，严重威胁着全人类的生命健康。在这次 抗疫战争中，中国专家采用宏基因组新一代测序技术（metagenomics nextgeneration sequencing，mNGS）短时间内即成功鉴定出致病病原体，为我 国取得抗疫斗争的胜利赢得了宝贵时间。无疑mNGS技术为临床解决快速确认 感染病原体提供一个可能的突破方向。

一、宏基因组测序，何为“宏”

宏基因组（metagenome）是指环境中所有微生物基因组的总和。mNGS技术 不针对某个微生物特定种群进行单一性测序，而是以样品中整个微生物群落基因组作为研究对象，无需分离培养，直接提取环境样本的DNA进行高通量测序。测 序结果与已知的微生物基因组数据库进行比对，进而得出样本中微生物属种和序列数。

二、 宏基因组测序，怎么“测”

宏基因组测序需要依赖NGS测序技术。所谓NGS技术，是将模板DNA打断成小 片段后，采用桥式PCR或乳液PCR对片段文库进行扩增，通过捕捉新合成末端的标 记来确定DNA序列，同时对几十万到几百万条DNA模板进行测序的一种高通量、自动化测序技术。经典的宏基因组测序包括样品制备、文库构建、上机测序和数据分析四步。其中在数据分析环节，目前宏基因组分析方法主要分为测序读段映射和从头组装（de novo sequencing）。

三、宏基因组测序，如何“用”

1. mNGS在中枢神经系统感染中的应用：流行病学研究表明，约50％的脑 炎患者未能诊断出病因。2014年mNGS首次成功应用于临床脑膜炎患者的病原学诊断，由此开启mNGS临床应用先河。2015年北京协和医院Guan等报道了4例疑似病 毒性脑炎患者的脑脊液研究，应用mNGS成功检出2例单纯疱疹病毒1型、1例单纯 疱疹病毒2型与1例水痘带状疱疹病毒，展现了mNGS在病毒性中枢神经系统感染诊 断的临床应用前景。2016年Yao等报道了应用mNGS诊断李斯特菌脑膜炎的研究结 果，将mNGS的临床应用拓展到中枢神经系统细菌感染诊断。对于神经侵袭性罕见 病原体，mNGS也具有明显检测优势。如Wilson等经脑脊液和脑组织mNGS检测发现 一例卡奇谷病毒脑膜炎患者，后经PCR和免疫组化证实该病毒的存在。对mNGS在中枢神经系统感染的大样本研究分析显示，mNGS应为慢性和复发性脑炎的一线诊断方法。

2. mNGS在呼吸系统感染中的应用：mNSG对苛养 菌（如结核/非结核分枝杆菌、诺卡菌、放线菌、厌氧 菌等）和病毒的检测灵敏度优于或不劣于传统检测方法。2018年由上海三家医院联合发表一项针对重症肺 炎病例的多中心回顾性研究中，将mNGS检测结果纳入 辅助诊断依据并调整治疗方案，可显著提高重症肺炎 病例28天和90天生存率，其中90天生存率从57.7%提高 到83.8%。mNGS检出致病菌阳性率明显高于对照组，表 明mNGS在重症肺炎病原体快速检测，提高病例生存率 方面所发挥的重要作用。

3. mNGS在血液系统感染中的应用：mNGS对血 液样本中游离DNA（cfDNA）测序，可鉴定病原体并推 断其对抗菌药物的敏感性。Abril等首次利用mNGS技术 确诊了1例犬链球菌感染引起的疑难败血症休克病例， 并经血培养和16S rRNA测序证实。同年，中国研究团队报道了78例ICU患者的血浆cfDNA mNGS结果和血培养 结果，结果显示mNGS在病原体检测中具有更高的灵敏 性。目前，mNGS作为新的血流感染早期诊断方法被写 入急危重症患者血流感染专家共识中，共识推荐血流 感染的诊断可辅助使用分子检验手段，如PCR、质谱、 mNGS等无需培养的方法，同步进行入院时样本中的病原检测。

4. mNGS在局灶性感染中的应用：2019年复旦大学附属华山医院发表了单中心回顾性研究，共纳入98例局灶感染病例。研究发现mNGS的敏感性显著高于 培养法等传统微生物诊断方法，更能额外检出34种病原体。对于骨和关节感染的病例，滑膜液、植入物的超声清洗液以及假体周围的组织均可用作mNGS检测标本。尤其推荐微生物培养结果为阴性、经验性抗菌药物治疗效果不佳以及清创效果差的患者使用mNGS进行病原检测。另外，mNGS还应用于眼部感染的诊断。与常规方法相比，在有限眼内液的前提下，mNGS以其独特的检测优势可检测出更多的病原体，满足眼部感染的诊断需求。

欧蒙医学诊断（中国）有限公司 供稿

参考文献

【1】Ramachandran PS, Wilson MR. Metagenomics for neurological infections-expanding our imagination[J]. Nat Rev Neurol, 2020.

【2】Simner PJ, Miller S, Carroll KC. Understanding the Promises and Hurdles of Metagenomic Next-Generation Sequencing as a Diagnostic Tool for Infectious Diseases[J]. Clin Infect Dis, 2018, 66(5): 778-788.

【背景链接】欧蒙未一医学检验实验室（以下简称“未一医学”）成立于2014年，是国内最早一批开展病原微生物mNGS检测的第三方实验室，拥有自主研发的mNGS检测技术平台，一次实验可检测目前已知的16000余种微生物、2600多种耐药基因以及600多种毒力因子，创新核酸提取和微生物富集技术，还与中科院生信分析团队合作，建立以“PAI-CRP临床病原体知识库”为核心的专属四级数据库智能分析系统。拥有多领域临床医生组建的临床专家团队，提供专业报告解读支持。未一医学已在北京、杭州和广州分别设有独立医学检验实验室，致力于为风湿免疫科、呼吸科、神经科、儿科等领域提供“多平台”、“一体化”疾病诊断解决方案，覆盖疾病类别逾两千种，合作的三甲医院超千家。质量是立足的根本，创新是前进的动力。未一医学秉承认真、严谨的精神，不断创新，积极推动先进诊断技术在临床和科研领域的应用与发展。