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吉因加携手微生物领域专家共探mNGS与tNGS技术的临床价值及局限性

2022-11-17 11:24| 编辑: 归去来兮| 查看: 1856| 评论: 0|来源: 吉因加

摘要: 从临床样本中鉴定出病原体是指导感染疾病治疗和管理策略的关键




感染性疾病严重威胁着人类的生命和健康,从临床样本中鉴定出病原体是指导感染疾病治疗和管理策略的关键。基于传统病原诊断技术,仍有约50%患者病原面临诊断困难。近年来,NGS技术在临床病原体检测中的应用显示出巨大的潜力:其中,mNGS技术占据无偏性、无需预设,一网打尽的优势;而覆盖几十到几百种已知病原微生物的tNGS技术,则重点聚焦病原及毒力和/或耐药基因。




那么,问题来了:

mNGS与tNGS两种技术,如何选择?

mNGS能否解决病原鉴别、耐药等全部问题?

是否为苛养、难检、低载量病原的完美选择?

tNGS能不能替代mNGS?

繁杂多样的病原诊断技术各自角色定位如何?


近日,吉因加携手微生物领域专家北京友谊医院苏建荣教授,聚焦mNGS及tNGS在微生物检测中的临床价值及局限性,在相关学术文章中客观探讨了两种NGS技术的优劣势。


综述首页

01
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mNGS技术在病原微生物检测中的价值和局限
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mNGS技术的价值



迄今为止,多项研究已经证实了mNGS在临床和公共卫生中的应用前景,其在呼吸道感染、骨和关节感染、复杂和非典型感染及免疫抑制等特殊人群中被广泛应用。



无需预设、广泛的病原微生物覆盖助力新发、罕见、难检病原的鉴定

相对传统检测方式局限于已知病原,通量有限,临床经验依赖大等不足,mNGS通过对样本中所有核酸进行测序,可实现广泛无偏的病原微生物检测,为临床不明原因的感染、罕见致病菌病原鉴定提供了可能。譬如,mNGS技术应用让鹦鹉热这种罕见病原不再罕见,对新冠肺炎的病原体确定也只用了三个月。



mNGS检测经抗菌药物治疗患者,混合感染患者具有优势

经验性抗菌药物在急性重症感染患者的治疗中仍相对常用,但是经验性药物治疗的使用可能会影响传统方法(例如培养)鉴定病原体的敏感性。mNGS技术并不依赖于活菌,因此受先前抗菌药物治疗暴露的影响相对较小。另外,mNGS技术对免疫功能低下人群等发生的混合感染诊断有明显优势。


mNGS应用的局限



虽然有广泛的覆盖性等上述优势,但mNGS技术也受测序数据量、病原基因组大小、病原基因组特异性序列比例,病原核酸提取难度以及人类宿主核酸占比等影响,也为耐药和毒力检测带来困难。另外mNGS检测数据庞大,也给临床解读工作带来挑战。



mNGS检测某些苛养/难检/低载量微生物能力还需要提升

宿主核酸占比高由于人类基因组远大于微生物基因组,样本中宿主细胞数也远高于微生物细胞,因此宿主核酸占比是影响mNGS病原微生物正确鉴定的重要因素。


病毒基因组小研究发现mNGS检测到病毒的支持reads大部分在10条以下,基因组覆盖度约2%,病原基因组小、或低载量高致病性的微生物也是影响检测性能的重要因素。


真菌和胞内菌细胞壁厚真菌和胞内菌较其他病原体细胞壁较厚,可能会因为较低的核酸提取效率从而导至检测输入的微生物核酸载量降低,影响检测性能。而对一些低载量高致病性微生物设置了较低的报出阈值,也会使得临床判断和决策变得困难,这使得mNGS在真菌检测的应用上还存在一些争议。



耐药或毒力基因的检测存在局限

对于耐药基因检测方面,难点在于如何将耐药基因与致病病原相结合和精确到突变位点。有研究指出,mNGS得到的微生物测序序列数、特异性序列覆盖度较低,因此进行耐药基因、毒力岛基因、转录组及代谢通路分析几乎不可能。



宽谱的微生物覆盖导至mNGS结果解读是一项巨大的挑战

在mNGS检测结果中,微生物污染以及人体内定植等大量非病原微生物和致病微生物的检测信号混合在一起。这要求生信分析过程中不仅要构建包含所有病原微生物的数据库,还需要用于过滤以上干扰的数据库,考虑到不同微生物的致病性和致病条件,报出阈值也需要个性化设置。


02
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tNGS技术在病原微生物检测中的优势和不足
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tNGS技术是基于NGS的靶向富集的测序技术,可通过对目标基因组区域(regions of interest ,ROI)进行富集,确保ROI有足够的测序深度和覆盖度,进而成功识别目标病原。相对于mNGS技术,tNGS可将微生物核酸进行几十乃至上万倍的富集。目前国内外靶向富集策略主要包括基于超多重PCR扩增的tNGS和基于杂交捕获的tNGS。


tNGS的技术优势




富集增加目标微生物检测覆盖,提升检测可信度

tNGS的靶向富集,即使在不去除宿主的条件下,也可以特异性增加微生物核酸的比例,富集后能提升苛养和低载量病原的相对载量和覆盖度,提升检测可信度。



tNGS可稳定的进行耐药或毒力基因的检测

tNGS技术可以针对耐药/毒力基因进行目标区域富集,确保准确稳定的检出。但需要考虑同一耐药基因在不同微生物的产生的耐药效果不同。



tNGS检测因目标病原体设定范围明确,可以显著简化解读流程

tNGS数据库可更加聚焦几十至几百种目标病原体,更加深入细致地区分不同亚种和亚型。tNGS生信数据库的精细化、专业化的设计在病原识别中至关重要。


tNGS临床应用的不足



tNGS的检测panel是依据已知病原设计的,尽管理论上panel可以纳入几十乃至几百种病原体,但在结合临床实际应用场景时,仍可能需要进行针对性的panel设计,因此tNGS不适用于新发病原的检测。


03
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mNGS与tNGS临床应用展望
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应用规范,实现诊疗分级

mNGS和tNGS都需要进一步明确临床使用场景,tNGS针对临床初筛需求设计panel,覆盖常见病原体,同时通过靶向扩增针对性提升病原体的检出可信度,有望填补传统分子检测和mNGS之间的需求空白。未来基于传统检测、tNGS和mNGS的小、中、大覆盖范围的病原检测方法将更有效、更精准的服务于临床的精准诊疗。



技术优化,解决更多问题

在技术层面,自动化流程以及准确且更快速的测序仪可能是mNGS和tNGS技术转化的两大发力点;另外根据临床应用场景明确检测样本类型、目标病原范围、阳性判断值、以及产品配套使用的数据库也很亟需。


04
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吉因加国产NGS平台助力病原检测
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吉因加作为国产化NGS平台临床应用的引领者,经过潜心研发和技术沉淀,在今年7月重磅发布病原系列产品,正式发力感染性疾病病原检测赛道。公司病原检测业务融合“技术+平台+服务”,三维一体助力病原检测院内真落地。



两种检测技术全面布局

吉因加全面布局mNGS和tNGS两种检测技术,满足不同临床场景下的病原检测需求。mNGS实现多类样本、23000余种病原全面覆盖;三重破壁技术,确保厚壁菌、胞内菌等难检菌的检出;高性能自研算法,两重序列比对分析,实现目标病原精准鉴别。对于低丰度病原、耐药基因、毒力基因等的检测,tNGS针对特定目标病原靶向检测,实现耐药marker精准报出。



国产化平台全流程覆盖

通过全面布局NGS全流程设备,以“国产化、自动化、规范化”,助力病原检测院内真落地。其中,国产化设备可离线运行,保证生物数据信息安全; 自动化流程可实现16h完成报告出具,满足临床高时效要求; 规范化操作及各环节质控,确保检测结果精准。



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