文 l 文研 最近三十年，組學(xué)研究一直是熱點(diǎn)，最早火起來的是基因組學(xué)，然后是蛋白質(zhì)組學(xué)，如今最有前途的新興組學(xué)領(lǐng)域是宏基因組學(xué)（metagenomics），而宏基因組測(cè)序（mNGS）描述了樣本中存在的所有DNA或RNA信息，從而能夠分析整個(gè)微生物組以及患者樣本中的人類宿主基因組或轉(zhuǎn)錄組，讓致病微生物無所遁形。病原微生物宏基因組測(cè)序國外代表公司有IDbyDNA、Karius，國內(nèi)代表公司有華大基因、杰毅生物、迅敏康、微遠(yuǎn)醫(yī)療、深圳譜元、金域檢驗(yàn)、金匙基因、賽哲生物、華點(diǎn)云、碳云智能、予果生物/微碼生物、博奧生物等。mNGS將在診斷、監(jiān)測(cè)和跟蹤新的疾病暴發(fā)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而挽救生命并降低控制成本。
作者 l 文研
來源 l 漫投簡史（ID：metallur）
人類和其他動(dòng)植物每時(shí)每刻都生活在微生物的海洋中，僅在人類身體中，就包含了數(shù)目約為人類細(xì)胞10倍之多的微生物細(xì)胞！當(dāng)中包括病毒、細(xì)菌、真菌及其他微生物。這些獨(dú)特的微生物“客人”有安靜沉默的，有打鬧破壞的（病原體），也有善良有益的。為了分辨不同的微生物以揭示其與人體的“關(guān)系”，宏基因組學(xué)（Metagenomics）被應(yīng)用于臨床微生物診斷！
宏基因組學(xué)與宏基因組測(cè)序
宏基因組學(xué)（Metagenomics）概念最早是在1998年由威斯康辛大學(xué)植物病理學(xué)部門的Jo Handelsman等提出的，是源于將來自環(huán)境中基因集可以在某種程度上當(dāng)成一個(gè)單個(gè)基因組研究分析的想法，而宏的英文是“meta-”，具有更高層組織結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)變化的含義。后來伯克利分校的研究人員Kevin Chen和Lior Pachter將宏基因組定義為“應(yīng)用現(xiàn)代基因組學(xué)的技術(shù)直接研究自然狀態(tài)下的微生物的有機(jī)群落，而不需要在實(shí)驗(yàn)室中分離單一的菌株”的科學(xué) [1]。
最近三十年，組學(xué)研究一直是熱點(diǎn)，最早是基因組學(xué)，然后是蛋白質(zhì)組學(xué)，如今新興組學(xué)領(lǐng)域則是被認(rèn)為最有前景的宏基因組學(xué)（Metagenomics）。宏基因組學(xué)（Metagenomics）又叫微生物環(huán)境基因組學(xué)、元基因組學(xué)，通過直接從環(huán)境樣品中提取全部微生物的DNA或RNA，構(gòu)建宏基因組文庫，利用基因組學(xué)的研究策略研究環(huán)境樣品所包含的全部微生物的遺傳組成、群落功能，并可開發(fā)新的生理活性物質(zhì)（或獲得新基因）。
隨著基因測(cè)序技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于二代測(cè)序的宏基因組學(xué)（宏基因組測(cè)序）成為了臨床的焦點(diǎn)。宏基因組測(cè)序（mNGS）是綜合分析來自患者樣本的微生物和宿主的基因物質(zhì)（DNA和RNA）的方法，應(yīng)用于多種感染性疾病的診斷、疾病和健康狀態(tài)下微生物學(xué)分析、人類宿主反應(yīng)對(duì)感染傳播的特征化、識(shí)別腫瘤相關(guān)病毒。
mNGS病原微生物診斷新風(fēng)口
2014年新英格蘭醫(yī)學(xué)雜志報(bào)道了一個(gè)通過宏基因組輔助檢測(cè)治愈了一位原因不明、反復(fù)發(fā)熱、具有癲癇及腦積水癥狀的14歲男孩的案例，這是歷史上首個(gè)宏基因組臨床應(yīng)用成功的案例。文章報(bào)道這個(gè)常規(guī)治療及病原篩查都沒有確診原因，隨后對(duì)腦脊液樣本mNGS篩查，結(jié)合生物信息學(xué)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)一種可疑的致病菌 leptospira infection，隨后針對(duì)性地使用萬古霉素和頭孢吡肟治療后出院。該團(tuán)隊(duì)確認(rèn)這是一種尚未報(bào)道過的病原微生物[2]。由此，臨床宏基因組正式應(yīng)用于微生物診斷拉開了帷幕。
來自Wilson, N Engl J Med 2014, 370: 2408-2417
微生物包括細(xì)菌、真菌以及一些小型的原生生物、顯微藻類等在內(nèi)的一大類生物群體以及病毒，它們個(gè)體微小、種類繁多、與人類關(guān)系密切。涵蓋了有益跟有害的眾多種類，廣泛涉及食品、醫(yī)藥、工農(nóng)業(yè)、環(huán)保等諸多領(lǐng)域。臨床微生物學(xué)的范疇包括微生物診斷學(xué)和臨床樣本的病原學(xué)識(shí)別，以指導(dǎo)感染性疾病患者的管理和治療策略，以及公共衛(wèi)生微生物學(xué)、社區(qū)感染性疾病報(bào)告的監(jiān)督和監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)微生物診斷的方法是體液培養(yǎng)檢測(cè)和藥敏試驗(yàn)，但陽性率僅為10%左右；PCR檢測(cè)在敏感性、特異性和檢測(cè)時(shí)效上明顯優(yōu)于培養(yǎng)法，但因?yàn)樵摲ɑ谝阎≡幕蚪M序列，所能提供的信息有限，依然不能解決臨床診斷陽性率低的問題；除此之外，對(duì)于混合感染和未知致病微生物的檢測(cè)是傳統(tǒng)檢測(cè)方法無法逾越的障礙。所以傳統(tǒng)檢測(cè)雖然提供了相當(dāng)經(jīng)濟(jì)有效且快速（通常少于2小時(shí)的檢測(cè)時(shí)間）的方法，但是只限于診斷已知的最常見的感染。臨床檢測(cè)方法的局限常常導(dǎo)致錯(cuò)誤用藥和延誤治療，故此盡快發(fā)展新的能滿足臨床需求的檢測(cè)方法刻不容緩。
臨床宏基因組測(cè)序與傳統(tǒng)方法指標(biāo)對(duì)比
高通量測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和組學(xué)技術(shù)的興起為發(fā)展新的檢測(cè)技術(shù)提供了新的可行途徑和思路，宏基因組測(cè)序（mNGS）描述了樣本中存在的所有DNA或RNA信息，從而能夠分析整個(gè)微生物組以及患者樣本中的人類宿主基因組或轉(zhuǎn)錄組，讓致病微生物無所遁形。2001年，F(xiàn)ields在Science上發(fā)表的一片論文形象的將mNGS和傳統(tǒng)檢測(cè)方法做了對(duì)比，如下圖所示[3]。
來自Fields, Science. 2001, 291, 5507: 1221-1224
宏基因組測(cè)序以無需純化培養(yǎng)、能夠快速全面的展示序列信息的優(yōu)勢(shì)，逐步在臨床上開枝散葉。2016年美國FDA認(rèn)可用二代測(cè)序技術(shù)進(jìn)行微生物鑒定及耐藥毒力分析；2019年病原宏基因組學(xué)被寫入成人醫(yī)院獲得性肺炎與呼吸機(jī)相關(guān)性肺炎診斷和治療指南；2019年復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院的胡必杰團(tuán)隊(duì)研究結(jié)果顯示，mNGS具有更高的病原體鑒定靈敏度，受抗生素的影響較小，因此具有檢測(cè)傳染疾病的潛力及臨床意義 ，其結(jié)果發(fā)表自世界著名學(xué)術(shù)期刊 Clinical Infectious diseases上[4]；2019年中華急診醫(yī)學(xué)雜志發(fā)表《宏基因組診斷技術(shù)在急危重癥感染應(yīng)用的專家共識(shí)》。
目前病原微生物宏基因組測(cè)序公司還不多，國外代表公司有IDbyDNA、Karius，國內(nèi)代表公司有華大基因、杰毅生物、迅敏康、微遠(yuǎn)醫(yī)療、深圳譜元、金域檢驗(yàn)、金匙基因、賽哲生物、華點(diǎn)云、碳云智能、予果生物/微碼生物、博奧生物等。
mNGS病原微生物診斷市場(chǎng)概況
目前美國感染類疾病的診斷市場(chǎng)總規(guī)模為180億美金，預(yù)計(jì)在2022年基于mNGS的感染類疾病診斷市場(chǎng)將達(dá)到50億美元。
根據(jù)IMS公司的數(shù)據(jù)，每年中國使用抗生素的住院患者達(dá)到1.16億人，其中尚不包括接受抗真菌和抗病毒治療的患者。在我國感染性疾病的發(fā)病率為120-250人/10萬人，死亡人數(shù)為3.38人/10萬人,占總死亡率的1.2%，農(nóng)村的發(fā)病率高于城市。微生物送檢量約5000萬份，其中血培養(yǎng)約4000萬例/年，肺泡灌洗液BALF約100萬例/年，腦脊液及其他體液約50萬例/年。另外，隨著腫瘤患者生存期顯著增長，超過30%腫瘤患者死于復(fù)雜感染?；谝陨蠑?shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)價(jià)格降至2000-2500元區(qū)間，目標(biāo)市場(chǎng)檢測(cè)量保守估計(jì)為500萬份/年，約為100億人民幣。
展 望
盡管在通往光明的路上，為臨床提供一站式解決方案仍然艱辛，但是mNGS必將成為臨床診斷的有力工具。mNGS將在診斷、監(jiān)測(cè)和跟蹤新的疾病暴發(fā)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用，從而挽救生命并降低醫(yī)療成本。
引用文獻(xiàn)
[1] Itai Sharon and Jillian F. Banfi eld. Genomes from Metagenomics. Science, 2013,, 342: 1057-1058.
[2] Wilson, MR, Naccache, SN, Samayoa, E, Biagtan, M, Bashir, H, Yu, G, Salamat, SM, Somasekar, S, Federman, et al. Actionable diagnosis of neuroleptospirosis by next-generation sequencing. N Engl J Med. 2014, 370: 2408-2417.
[3] Fields, S. PROTEOMICS: Proteomics in Genomeland. Science. 2001, 291, 5507: 1221-1224.
[4] Miao, Q., Ma, Y., Wang, Q., Pan, J., Zhang, Y., Jin, W., et al. Microbiological Diagnostic Performance of Metagenomic Next-generation Sequencing When Applied to Clinical Practice. Clinical Infectious Diseases. 2018, 67(suppl_2), S231–S240.
