邵逸夫醫(yī)院、浙大一院等 15 家醫(yī)院聯(lián)合杰毅生物發(fā)表定量宏基因組檢測(cè)(Q-mNGS)重大研究成果
近日,浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院、浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第一醫(yī)院等 15 家醫(yī)院聯(lián)合杰毅生物開展的,針對(duì)肺部感染患者的定量宏基因組檢測(cè)多中心研究取得重要進(jìn)展,研究成果正式發(fā)表于 《Journal of Infection》(2020 年影響因子 6.072)。論文第一作者為浙江大學(xué)附屬第一醫(yī)院呼吸內(nèi)科周華主任和杰毅生物研發(fā)部歐陽(yáng)川博士,通訊作者為浙江大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬邵逸夫醫(yī)院副院長(zhǎng)、感染科主任俞云松教授和杰毅生物醫(yī)學(xué)部負(fù)責(zé)人劉超博士。
研究背景
病原宏基因組檢測(cè)(mNGS)是基于下一代測(cè)序技術(shù)(NGS)對(duì)標(biāo)本中的核酸進(jìn)行無差別的高通量測(cè)序,再與微生物基因序列數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)分析,實(shí)現(xiàn)了非靶向的泛病原體檢測(cè),具有靈敏度高、檢測(cè)周期短、不依賴培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但由于其無偏倚測(cè)序的特性,mNGS 獲得的信息中包括標(biāo)本中的病原體和大量的人源宿主,進(jìn)而影響了病原體的檢測(cè)敏感性。盡管去人源/去宿主技術(shù)可在一定程度上提高 mNGS 的敏感性,但同樣存在非特異性損失病原體的風(fēng)險(xiǎn)。
圖 1. 微生物序列數(shù)(PCR 建庫(kù)、PCR-free 建庫(kù))與標(biāo)本人源細(xì)胞數(shù)量成反比
本研究收集了浙江省 15 家醫(yī)院 205 名疑似肺炎且排除 RNA 病毒感染的患者入組,每位患者取肺泡灌洗液后分成兩份進(jìn)行檢測(cè)(一份去人源,一份不去人源)。
肺炎患者 Q-mNGS 檢測(cè)
研究者設(shè)計(jì)并測(cè)試了 5 種不同長(zhǎng)度和核苷酸序列(與任何已知生物的基因組無顯著同源性)作為內(nèi)標(biāo)分子(spike-in internal control,簡(jiǎn)稱 spike),用來監(jiān)測(cè)標(biāo)本中人源與微生物核酸的載量。模擬實(shí)驗(yàn)顯示,spike 序列數(shù)與投入量呈正相關(guān),但與人源細(xì)胞數(shù)呈負(fù)相關(guān)。
圖 2. spike RPM 隨標(biāo)本人源細(xì)胞數(shù)量的增加而降低
研究者在每個(gè) BALF 標(biāo)本中加入等量的 spike 1,繼而進(jìn)行 mNGS 測(cè)序,并同時(shí)采用 AO/PI 雙熒光染色法進(jìn)行有核細(xì)胞計(jì)數(shù),以評(píng)估 spike 序列數(shù)與有核細(xì)胞計(jì)數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。結(jié)果顯示, spike 序列數(shù)與細(xì)胞計(jì)數(shù)呈負(fù)相關(guān),人源指數(shù)(H index)與細(xì)胞計(jì)數(shù)呈正相關(guān),人源指數(shù)(H index)可以有效反應(yīng)標(biāo)本中人源核酸的含量。
圖 3. Spike 序列數(shù),人源指數(shù)(H?index)與有核細(xì)胞計(jì)數(shù)的相關(guān)性分析
考慮到人源含量影響 mNGS 檢測(cè)敏感性,研究者對(duì)常規(guī) mNGS(不去人源)和去人源后 mNGS 檢測(cè)(差異化裂解)進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示,差異化裂解去人源會(huì)同時(shí)造成某些微生物序列數(shù)上升,某些微生物序列數(shù)下降,對(duì)細(xì)菌和分枝桿菌的富集作用較病毒和真菌更明顯。94.79% 的標(biāo)本去人源前后的結(jié)果一致,但 8 例(8/205, 3.90%)標(biāo)本在常規(guī) mNGS 檢測(cè)時(shí)結(jié)果為陰性,而在去人源后 mNGS 檢測(cè)結(jié)果為陽(yáng)性,其中包括 4 例結(jié)核分枝桿菌、2 例煙曲霉和 2 例白色念珠菌。去人源后造成損失的病原體主要為耶氏肺孢子菌(2 例,RPM 分別下降 7695.87 和 8397.47)。
圖 4. 入組標(biāo)本的人源指數(shù)以及去人源對(duì)微生物序列數(shù)的影響
研究者對(duì) mNGS 用于感染/非感染性疾病的診斷性能進(jìn)行了分析,205 例患者中有 15 例(7.32%)為非感染性疾病,190 例為感染性疾病,其中 115 例(60.53%)發(fā)現(xiàn)了明確病原學(xué)依據(jù)。在 115 例患者中,mNGS 的陽(yáng)性率為 93.04%(107/115),顯著高于臨床常規(guī)檢測(cè)(細(xì)菌、真菌培養(yǎng),G/GM/GXM 試驗(yàn),抗酸染色,Xpert 等)的陽(yáng)性率 49.57%(57/115)。mNGS 共為 123 例患者做出(60.00%)明確診斷,其中 64 例患者,mNGS 結(jié)果為唯一診斷依據(jù),顯著多于常規(guī)檢測(cè)(8 例)。另外,研究發(fā)現(xiàn) mNGS 陰性結(jié)果也有助于臨床排除感染,本研究通過 mNGS 明確非感染診斷 14 例(93.3%),包括間質(zhì)性肺炎 6 例、肺癌 4 例、心臟衰竭 1 例、過敏性肺炎 1 例、慢阻肺(COPD)1 例和放射性肺炎 1 例。
圖 5. 入組患者檢測(cè)結(jié)果及臨床診斷結(jié)果
總結(jié)
mNGS 因其無偏倚、非靶向的特性,在鑒定疑難、危重、特殊感染方面相較常規(guī)病原學(xué)檢測(cè)方法具有顯著優(yōu)勢(shì),但標(biāo)本中人源含量會(huì)影響 mNGS 對(duì)于病原體的檢測(cè)敏感性,而差異化裂解技術(shù)在提升微生物檢測(cè)性能的同時(shí),也會(huì)造成一些微生物序列的減少、甚至丟失,因此需要仔細(xì)評(píng)估和謹(jǐn)慎執(zhí)行,不建議對(duì)所有標(biāo)本無差別使用。
Q-mNGS 原理解析
mNGS 對(duì)于病原體的檢測(cè)敏感性受標(biāo)本中人源核酸含量影響,在相同測(cè)序數(shù)據(jù)量下,標(biāo)本中人源核酸含量越高,mNGS 檢測(cè)到的人源序列就越多,即檢測(cè)到的病原體序列就越少,對(duì)于病原體的檢測(cè)敏感性就越差,甚至?xí)?dǎo)致漏檢或假陰性。
Q-mNGS 在對(duì)標(biāo)本進(jìn)行檢測(cè)前,在每份標(biāo)本中加入等量的 spike,并與標(biāo)本中其他核酸(人源核酸、病原體核酸)一起進(jìn)行檢測(cè),因此以 spike 序列信息作為參照,將人源和病原體核酸進(jìn)行相對(duì)定量,獲得標(biāo)本中真實(shí)的人源核酸和病原體核酸含量,以識(shí)別高人源下的假陰性和低人源下的真陰性,選擇性的對(duì)高人源標(biāo)本進(jìn)行去人源,提升檢測(cè)陽(yáng)性率,同時(shí)降低去人源造成的病原體損失,還可以協(xié)助臨床進(jìn)行病原體的載量監(jiān)控和病程管理。
圖 6. Q-mNGS 通過 spike 定量人源和病原體核酸