从CNS感染到呼吸道疾病,mNGS技术改写诊断未来

如果我们有一种能快速检测和识别人体内几乎所有致病微生物的检测技术,无论是病毒、细菌、真菌还是寄生虫,那将无疑是对抗疾病的重大利器。事实上,这样的技术已经在实验室中问世多年,并逐步走向临床应用。科研人员利用这种名为"宏基因组二代测序"(mNGS)的技术,不仅可以快速诊断出中枢神经系统感染的病因,近期还将其应用于呼吸道疾病的检测,其广泛的检测范围和高度的自动化给未来疫情防控带来了新希望。

一、mNGS技术的诞生与发展

宏基因组二代测序技术最早由美国加利福尼亚大学旧金山分校(UCSF)的科研团队在十多年前开发。该技术采用高通量测序的方式,可以一次性检测样本中所有类型的核酸序列,而不局限于针对特定病原体的检测。这种"无偏见"的分析方法,使其能够同时检测细菌、病毒、真菌和寄生虫等多种病原体。

最初,UCSF团队将这项技术应用于脑脊液检测,用于中枢神经系统(CNS)感染的诊断。相较于传统的单一病原体检测方法,mNGS技术大大提高了CNS感染的诊断率。2016年至2023年,UCSF团队共进行了近5000例mNGS检测,检出感染的样本比例超过14%。进一步分析发现,mNGS单独检出了21.8%的感染诊断,其检测敏感性高达86%,远优于其他传统方法。可以说,mNGS技术为临床诊断CNS感染开创了新纪元。

图1 按年份和地理位置排序的测试分布

二、mNGS在呼吸道疾病诊断中的应用

基于mNGS技术在CNS感染诊断中的出色表现,UCSF团队近期又将其应用于呼吸道疾病的检测。他们调整了检测流程,使其能快速检测出引起肺炎的各类病原体。值得一提的是,该技术不仅可以在不到24小时内给出检测结果,而且对样本中微量的病原体也能准确识别。这对于及时诊断和治疗危险感染无疑至关重要。

相比传统的单一病原体检测方法,mNGS技术的优势体现在几个方面:

1. 广谱性强。mNGS可同时检测细菌、病毒、真菌和寄生虫等各类潜在病原体,而不需事先知道感染的具体病原体种类。这对于难以鉴别病因的疾病非常有用。

2. 检测效率高。mNGS只需30分钟的人工操作即可完成全流程,后续工作由机器人和人工智能自动完成,大大提高了诊断效率。此外,其检测结果也比传统方法更加及时,有利于及时干预。

3. 灵敏度强。mNGS即便检测到微量的病原体DNA/RNA,也能准确识别,从而为临床诊断提供有价值的信息。这对于一些致病性强但难检出的病原体的早期发现至关重要。

图2 mNGS 检测的阳性结果总结 （n = 4,828）

图3 真阳性mNGS检测结果的评估以及与其他微生物学检测的比较

三、mNGS技术的前景展望

随着mNGS技术在临床应用中的不断优化和验证,相信其将在未来疫情防控中发挥愈加重要的作用。下一步,科研人员还会进一步提升mNGS的检测速度和准确性,缩短从样本收集到出具结果的全流程时间,有望在12小时内完成整个检测过程。

此外,mNGS技术还可以为指导精准治疗、预测预后等提供依据。通过分析检出的病原体信息,医生可以更好地评估患者的病情严重程度,选择合适的治疗方案。同时,mNGS分析结果还可能为预测疾病转归提供线索,对患者预后进行评估。这些都将使mNGS技术在临床应用中发挥更大价值。

当前,UCSF团队正在扩大mNGS在呼吸道疾病诊断中的应用范围,并计划将其推广到全球范围内。未来随着样本量的增加和地域覆盖的扩大,相信我们将更好地理解mNGS技术在不同类型呼吸道感染中的诊断特点,进一步提高其在临床实践中的应用水平。

总之,mNGS作为一种超广谱的基因检测技术,正在改变疾病诊断的格局。其在CNS感染和呼吸道疾病诊断中的出色表现,让我们对其应对未来疫情的能力充满期待。随着技术的不断完善,我们有理由相信,这种前沿检测手段将成为应对各类传染病的坚实后盾。

参考文献：Benoit, P., Brazer, N., de Lorenzi-Tognon, M. et al. Seven-year performance of a clinical metagenomic next-generation sequencing test for diagnosis of central nervous system infections. Nat Med (2024). https://doi.org/10.1038/s41591-024-03275-1