新闻中心
News Center
Industry News
行业新闻

感染精准医学 | 宏基因组学临床应用发展史

日期:2019-07-05

宏基因组学是直接从土壤、海水、人及动物胃肠道、口腔、呼吸道、皮肤等环境中获取样本DNA,利用高通量测序技术来研究特定环境中全部微生物组成的新兴学科。

感染性疾病的诊疗一直是困扰临床医生的难题。现有病原体检测技术存在较大限制,很多感染性疾病病原体无法得到及时精准的诊断,导致治疗延误或者治疗不当,增加致死率。mNGS(宏基因组二代测序)作为一种新兴的辅助诊断技术,不依赖先验信息,无需医生预判,可对病原体进行较全面的检测,适用于不明原因感染的科研和临床研究,在条件致病菌感染、罕见病原感染及混合感染中有着明显的优势。这种新兴的方法正在改变医生诊断和治疗感染性疾病的方式。本期小编与您一起来看看这些年mNGS在临床方向的应用进展

1998年

Handelman等首次提出一种以环境样品中的微生物群体的基因为研究对象,以基因筛选和测序分析为研究手段,以微生物多样性、种群结构、进化关系、功能活性、相互协作关系及与环境之间的关系为研究目的的新的微生物研究方法,并首次使用了Metagenomics(Metagenome)这个名词,中文译为“宏基因组”,这是宏基因组这个概念及技术首次被提出来,几十年来,宏基因组方法一直被用来表征各种生态位,包括海洋环境、有毒土壤、节肢动物病媒、人类微生物组等。 

2004年

美国国立卫生研究院(NIH)专门设立“利用宏基因组学研究口腔微生物(Metagenomics Analyse of the Oral Microbiome)”的研究项目,证明国际学术界对宏基因组学方法的重视,也说明宏基因组学方法应用于某些医学研究领域的可行性。

21世纪初,基因芯片技术对诊断微生物学产生深远影响,其应用方向包括检测和鉴定病原体、确定抗生素耐药性、流行病学毒株分型以及利用宿主基因组表达和多态性分析微生物感染等。这项技术的早期成功包括SARS冠状病毒的发现,人体不同部位的微生物群体的深入分析等。

2005年

NGS技术的出现开启了宏基因组学领域新篇章,在随后的十年里,测序成本的指数级下降推动了NGS技术的迅速普及。到目前为止,一些研究结果已经让我们看到了NGS在临床和公共卫生领域的前景。

2014年

M.R. Wilson等发表在新英格兰医学杂志上的一篇文章引起人们的广泛关注。文章讲述了一名患有严重联合免疫缺陷的14岁男孩,在4个月的时间内三次入院,反复发热伴头痛,最后发展为脑积水和癫痫持续状态,临床进行了包括脑组织活检在内38项病原检测,均未确定病因。后对脑脊液进行高通量测序,检出475条钩端螺旋体序列,提示钩端螺旋体感染。医生对患者给予针对性治疗,32天后患者出院。这是历史上首个宏基因组临床应用成功的案例,预示mNGS在临床危重病急救中有着广阔的应用前景。

图1 应用mNGS方法诊断钩端螺旋体感染

 

近年来,国内针对mNGS的研究也迅速发展,多篇mNGS临床应用的文章如雨后春笋般涌现。以北京协和医院神经科关鸿志教授和复旦大学附属华山医院感染科张文宏教授等团队为代表,发表了多篇关于mNGS在临床病原体诊断应用的文章,国内相关领域其他专家学者关于mNGS的文章也不断发表。

 

2019年/2月

中华急诊医学杂志发表了《宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染应用的专家共识》,是国内第一篇关于mNGS临床应用的专家共识。该共识对mNGS在急危重症感染患者的应用、检测的基本流程、质量控制以及临床应用和结果解读原则等做出详细概述,为宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染的应用指明方向。

 

图2 宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染应用的专家共识

 

2019年/3月

nature杂志推出了业内顶级专家主笔的关于临床宏基因组的重量级综述,介绍了宏基因组测序在临床应用发展中的重要进展,临床宏基因组正在逐渐改变医生诊断和治疗感染性疾病的方式。作者预测在未来5年内,评估mNGS临床效用和成本效益的前瞻性临床试验数据将会越来越多,mNGS的总体成本和周期将持续下降,它的应用方向不仅仅是识别病原体,在人体宿主反应和微生物组数据的整合方面也将发挥着重要作用。另外,未来样品自动化处理技术将被开发应用,计算分析平台将会在本地和云端被更广泛地使用,无需生物信息学专业知识即可获得分析结果。而且,至少有几种基于mNGS的感染性疾病诊断检测方法将获得临床监管机构批准。在不久的将来,mNGS将不再是一种奢侈品,而是临床医生军械库中的必需品。

 

图3 靶向与非靶向宏基因组测序方法比较

 

2019年/6月

M.R. Wilson等再次于新英格兰医学杂志上发表宏基因组测序辅助脑膜炎和脑炎临床诊断文章。该项研究共纳入204名重症患者,研究证明,与传统方法学相比,mNGS明确鉴定病原体的能力更强。在这项研究中,常规的微生物学检测不足以诊断所有的神经侵袭性病原体,脑脊液的宏基因组测序可以作为脑膜炎和脑炎临床诊断的一种辅助方法。


 

图4 宏基因组测序辅助脑膜炎和脑炎临床诊断研究概况

 

结语

宏基因组二代测序,作为一种新兴的辅助诊断技术,克服了多数病原体不能培养以及传统检测方法周期长,假阳性假阴性率高,依赖预判等弊端,在感染类临床应用中发挥着越来越重要的作用,相信在不久的将来,它将逐步解决病原体鉴定中的困难和问题,进一步推动临床微生物和感染病学的发展,让更多患者受益。

 

参考文献

1. Handelsman J, Rondon M R, Brady S F, et al. Molecular biological access to the chemistry of unknown soil microbes: a new frontier for natural products[J]. Chemistry & biology, 1998, 5(10): R245-R249.

2. Miller M B, Tang Y W. Basic concepts of microarrays and potential applications in clinical microbiology[J]. Clinical microbiology reviews, 2009, 22(4): 611-633.

3. Wilson M R, Naccache S N, Samayoa E, et al. Actionable diagnosis of neuroleptospirosis by next-generation sequencing[J]. New England Journal of Medicine, 2014, 370(25): 2408-2417.

4. 宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染应用专家共识组. 宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染应用的专家共识[J]. 中华急诊医学杂志, 2019, 28(2):151-155.

5. Chiu C Y, Miller S A. Clinical metagenomics[J]. Nat Rev Genet, 2019, 20: 341-355.

6. Wilson M R, Sample H A, Zorn K C, et al. Clinical Metagenomic Sequencing for Diagnosis of Meningitis and Encephalitis[J]. New England Journal of Medicine, 2019, 380(24): 2327-2340.