病原微生物宏基因组测序
感染性疾病的困境
感染性疾病是导致人类死亡的首要原因，也是儿童死亡排在第一位的原因，是当之无愧的人类头号杀手。世界卫生组织统计数据显示，因病去世的人群中，感染性疾病导致的死因占到了四分之一，每年有1300万儿童死于感染性疾病。在中国，一半以上的疾病为感染性疾病，绝大多数血液肿瘤和实体瘤患者，最后是死于感染，而非疾病本身。
感染性疾病致死的最主要原因之一就是导致感染的病原微生物，很难鉴定出来，或是以传统的检验手段根本检测不出来，从而无法对症下药。快速高效明确病原的检测方法是临床感染疾病得到有效诊治的前提，传统微生物检测由于时间长、阳性率低、检测目标单一，大大限制了感染疾病的诊治。
病原微生物宏基因组背景介绍
宏基因组学的概念，最初是在1998年由威斯康辛大学植物病理学部门的Jo Handelsman等人提出，旨在将某一特定环境中的群体基因组总和，作为单个基因组来分析。后来，加州大学伯克利分校的研究人员Kevin Chen和Lior Pachter将宏基因组定义为“应用现代基因组学的技术直接研究自然状态下的微生物的有机群落，而不需要在实验室中分离单一的菌株”的科学[1]。由于样本量的巨大，而限于早期测序技术低通量、高成本的缺陷，大规模的测序并不现实，这就大大限制了宏基因组学的普遍应用。
进入21世纪以来，测序速度、通量和成本大大降低，原本3年才能完成的人类基因组测序，现在只需要1周就能完成，成本也缩小到几千元。宏基因组学的思想概念，借助高通量二代测序，即是“基于宏基因组新一代测序技术(metagenomics next generation sequencing，mNGS)不依赖于传统的微生物培养，直接对临床样本中的核酸进行高通量测序，然后与数据库进行比对分析，根据比对到的序列信息来判断样本包含的病原微生物种类，能够快速、客观地检测临床样本中的较多病原微生物(包括病毒、细菌、真菌、寄生虫)，且无需特异性扩增，尤其适用于急危重症和疑难感染的诊断[2]。”
病原微基生物宏因组二代测序
和传统检测方法的比较
传统的感染性疾病原微生物鉴定方法的主要思路为，先假设、后试验、再验证。可以鉴定的微生物种类有限，而不依赖假设的mNGS方法则具有检测所有种类微生物的潜力。
二代测序（NGS, Next Generation Sequencing）又叫高通量测序，或者大规模平行测序，是21世纪以来兴起的高新技术，这项技术使得同时独立的测序数百万的DNA片段成为可能，并且成本比起一代测序大幅降低。NGS技术在临床微生物学检测中的应用是多方面的，可以无差别的检测患者样本中的病原微生物的mNGS技术就是其中之一。mNGS检测方法与传统检测方法的比较见下表[3]。
注：宏基因组二代测序和传统检测方法的比较
宏基因组二代测序临床应用的曙光
2014年，新英格兰医学报报道了一例具有划时代意义的临床案例。一个患有联合免疫缺陷的14岁男孩，2013年旅行归来后因脑膜炎两度入院，并在8个月内反复发热。
住院期间，6周内医生给病人做了磁共振、免疫组化、病理检查、电子成像以及38项病原微生物检查，检测结果都没有明显异常，而无法确诊病因。其后5种抗生素先后联合使用，但病人的病情始终不见好转，一度陷入昏迷状态。在和病人的父母商定后，研究人员取患者的脑脊液进行mNGS检测。48小时候检测结果出具，结果表明，患者很可能感染的是一种罕见的钩端螺旋体致病菌，随后针对性的使用万古霉素和头孢吡肟治疗，32天后患者痊愈出院。后来研究团队确认，这是一种尚未报道过的病原微生物。该病例报道是mNGS在临床检测的首次成功应用，迅速开启了mNGS临床转化的大门[4]。
病原微生物宏基因组二代测序展望
宏基因组二代测序虽然功能强大，却也有明显缺点，但这并不妨碍mNGS在为临床诊断提供一站式解决方案的路上继续前行。我们相信会有一天，mNGS会以亲民的价格，走近千万家，为病人提供个性化、高质量的医疗服务，并在流行病的诊断、检测和跟踪新疾病爆发方面发挥关键作用，挽救生命，提高医疗质量，降低成本。
信息来源
