Nature重磅综述|临床宏基因组测序正在逐渐改变医生诊断和治疗传染病的方式

每个人的身上都拥有独特的微生物菌群,在我们的身体作客,当中包括病毒、细菌、真菌及其他微生物。这些独特的客人有三种不同的特质,沉默的客人、会伤害我们的客人(病原体)和对我们有益的客人。

那样我们如何得知我们身体存在了什么样的客人?

宏基因组测序(mNGS)出场!!!

这方法是对我们和微生物的遗传物质(脱氧核醣核酸和核糖核酸)进行综合分析。而这方法正在迅速从研究转向临床应用,发展为临床宏基因组测序。

而临床宏基因组测序正在逐渐改变医生诊断和治疗传染病的方式,其应用范围涉及广泛的领域,包括抗菌素耐药性、微生物组、人类宿主基因表达(转录组学)和肿瘤学。

这么重要!那就必须进一步了解临床宏基因组测序的应用和未来五年的预测发展!

寻找伤害我们的客人(病原体) - 传染病诊断

传统诊断患者传染病的方法是医生先进行鉴别诊断,然后通过一系列的分子诊断分析检测以试图鉴别致病因素。这些检测提供了相当经济有效且快速(通常少于2小时的检测时间)的方法来诊断最常见的感染。可是,几乎目前所有的常规微生物检测中,每次只可检测一个或一组有限的病原体,或者需要从临床样品中成功培养微生物。

传统方法有这些缺点,那样临床宏基因组测序呢?

虽然目前使用的基因测序检测无法与传统检测的速度相比,但临床宏基因组测序可从培养物或直接从临床样品中识别独特的脱氧核糖核酸或核糖核酸序列,以鉴定多种会伤害我们的客人。再配合临床背景下解释发现,以鉴定该客人是否导致我们生病的原因。

另外,亦可进行其他分析,例如:微生物组特征和通过核糖核酸测序對转录组进行平行分析以得知人类宿主的反应。因此,临床宏基因组测序可扩大范围检测潜在的客人,特别是在最难诊断的病例或免疫功能低下的患者中。

 

分类客人 - 微生物组分析

不少研究人员现已使用宏基因组测序來代替16S rRNA靶向基因测序以深入表征我们的客人。然而,没有微生物组的检测已通过临床验证可用于疾病的诊断或治疗,当中部分的原因是由于我们对微生物组的复杂性及其在疾病发病机制中的作用不完全理解。

但是微生物组分析的一个未来临床应用可能是管理和治疗艰难梭菌相关疾病。艰难梭菌是一种机会性细菌,可以感染肠道,导致产生毒素,导致腹泻、脱水、败血症和死亡。艰难梭菌感染仅在微生物组改变的情况下发生,如暴露于广谱抗生素或最近的胃肠外科手术。宏基因组测序可用来表征我们的客人,促进细菌益生菌混合物的开发,这些混合物可以作为预防或治疗艰难梭菌相关疾病的药物。

另一个潜在的应用是分析细菌多样性,这可提供患者的疾病是传染性还是非传染性的线索。例如一项用于鉴定肺炎患者呼吸道病原体的宏基因组测序研究发现,经过培养证实受感染患者的呼吸道微生物组的多样性显著降低。微生物组的改变(称为生态失调),已显示也与肥胖、糖尿病和炎性肠病有关,而操纵我们的客人可能是治疗的方法。

我们对客人的反应 - 人类宿主反应分析

临床宏基因组测序通常关注读取微生物,而在研究人类宿主对感染的反应时,基因表达分析具有互补作用。宏基因组测序中的核糖核酸文库可用于检测临床样品的病原体如核糖核酸病毒,而所产生的宿主基因表达数据可用作转录组测序(RNA-seq)分析。

通过使用转录组测序的表达谱來分类基因已被用于表征几种感染,包括葡萄球菌菌血症、莱姆病、念珠菌病、结核病和流感。另外,机器学习的转录组测序数据分析已被用于癌症分类,而含有有限数目的宿主生物标志物面板正在开发,可用作流感、结核病和细菌败血症的诊断分析。

尽管目前未对转录组测序的测定进行临床验证,但转录组测序分析的潜在临床影响力很高。在对应于活性微生物的基因表达中寻找微生物的核糖核酸读数,可能能够区分“感染与定植”和“活(可存活)与死亡”生物的关系。此外,转录组测序在临床病例中特别有用,可以基于病原体特异性人类宿主反应间接诊断仅短暂存在的致病病原体感染(例如早期莱姆病)。

转录组测序的另一个有希望的应用是区分急性疾病的传染性和非传染性原因。例如:如果根据宿主反应判断疾病更可能是非传染性疾病(如自身免疫性疾病),临床医生可能更愿意停用抗生素并用类固醇和其他免疫抑制药物积极治疗患者。

确定坏客人的身份 - 在肿瘤学中的应用

用于鉴定突变基因的全基因组或定向基因测序方法可用于同时发现与癌症相关的病毒(即疱疹病毒、乳头瘤病毒和多瘤病毒)或收集病毒与宿主相互作用的数据。例如,使用宏基因组测序在默克尔细胞癌中检测默克尔细胞多瘤病毒。

将来,来自液体活检样本(例如血浆)的无细胞脱氧核糖核酸的宏基因组测序,可用于同时鉴定早期癌症和免疫功能低下患者的感染诊断。

总结

作者提到文库制备方法、测序和计算生物信息学的技术进步,令我们得以以更低的成本实现更快速和更全面的宏基因组分析。测序技术及其应用不断的发展,特别是实时测序,可能是临床医学和公共卫生中改变游戏规则的技术。

目前已有实验室开始应用这些工具来诊断非典型感染并跟踪病原体爆发,如最近使用实时纳米孔测序以远程流行病学监测埃博拉病毒和寨卡病毒,甚至用于国际太空站。

宏基因组测序用于常规患者护理上目前还存在巨大的挑战,特别是在具有高核酸背景或具有极低病原体滴度的临床样品中,病原体检测的灵敏度降低。随着成本持续下降,每个样本的测序深度增加,这种担忧只能得到部分的缓解。

但作为一种全面的直接检测方法,宏基因组测序可能最终取代临床微生物学中的培养、抗原检测和聚合酶连锁反应方法,但病毒血清学检测等间接方法将继续在感染诊断检测中发挥关键作用。

宏基因组测序不太可能在短期内取代传统诊断,但它在某些临床情况下可能是必要的检测。另外,宏基因组测序的临床实用性尚未在大规模的临床试验中建立,但这些数据对于了解何时进行宏基因组测序以及与其他方法比较其诊断产出如何是非常重要。

在未来五年内,将有宏基因组测序临床效用和成本效益的临床试验数据。宏基因组测序的总体成本和周转时间将继续下降。它不仅仅是用于鉴定,另外例如人类宿主反应和微生物组数据的整合,将证明在临床上有用。

一些基于宏基因组测序的传染病诊断分析,将获得临床监管部门的批准。我们将目睹宏基因组测序的广泛性使用,包括医生、研究人员、患者和大众。此外,在一个不断出现病原体的世界中,宏基因组测序的检测将在监测和跟踪新的疾病爆发中发挥关键作用。

随着全球部署监测网络和纳米孔测序等快速诊断平台,我们可以在更早的阶段检测和控制传染性疾病的爆发,从而挽救生命并降低成本。

在不久的将来,宏基因组测序不会是奢侈品,而是临床医生的医疗装备中的必需品,因为我们与传染病的斗争是永无止境的!!!

这篇文章最近发表在《自然》杂志上,对宏基因组测序技术提供了详尽的分析。本文只包括部份内容,感兴趣的读者可以阅读原文献(Clinical metagenomics),继续进行探索。

参考文献:

1.Zhao, F. & Bajic, V. B. The value and significance of metagenomics of marine environments. Genomics Proteomics Bioinformatics 13, 271–274 (2015).

2. Ufarte, L., Laville, E., Duquesne, S. &  Potocki- Veronese, G. Metagenomics for the  discovery of pollutant degrading enzymes.  Biotechnol. Adv. 33, 1845–1854 (2015).

3. Greay, T. L. et al. Recent insights into the tick microbiome gained through next- generation sequencing. Parasit. Vectors 11, 12 (2018).

4. Guegan, M. et al. The mosquito holobiont: fresh insight into mosquito- microbiota interactions. Microbiome 6, 49 (2018).

5. Lloyd- Price, J., Abu- Ali, G. & Huttenhower, C.  The healthy human microbiome. Genome Med. 8,  51 (2016).

6. Pallen, M. J. Diagnostic metagenomics: potential applications to bacterial, viral and parasitic infections. Parasitology 141, 1856–1862 (2014).

7. Chan, J. Z. et al. Metagenomic analysis of tuberculosis in a mummy. N. Engl. J. Med. 369, 289–290  (2013).

8. Chiu, C. Y. Viral pathogen discovery. Curr. Opin. Microbiol. 16, 468–478 (2013).  This review covers one of the earliest applications of metagenomic sequencing for use in the detection and discovery of novel viral pathogens.

9. Moustafa, A. et al. The blood DNA virome in 8,000 humans. PLOS Pathog. 13, e1006292 (2017).

10. Rascovan, N., Duraisamy, R. & Desnues, C. Metagenomics and the human virome in asymptomatic individuals. Annu. Rev. Microbiol. 70, 125–141 (2016).

11. Somasekar, S. et al. Viral surveillance in serum samples from patients with acute liver failure by metagenomic next- generation sequencing. Clin. Infect. Dis. 65, 1477–1485 (2017).

12. Hampton- Marcell, J. T., Lopez, J. V. & Gilbert, J. A. The human microbiome: an emerging tool in forensics. Microb. Biotechnol. 10, 228–230 (2017).





作者:Maggie Law

编辑:Rachel

审核:RockyL