Metagenomische en Whole-Genome Pathogeenidentificatie

Metagenomische en whole-genome benaderingen gebruiken high-throughput sequencing om pathogenen op genoomniveau te karakteriseren. Metagenomische sequencing leest nucleïnezuren direct uit klinische monsters zonder een specifiek organisme te targeten, terwijl whole-genome sequencing het complete genoom van een gekweekte isolaat leest, wat ondersteuning biedt voor identificatie, typing en surveillance met hoge resolutie.

Definition

Metagenomische sequencing is de niet-gerichte sequencing van alle nucleïnezuren in een klinisch monster om elk aanwezig organisme te detecteren, terwijl whole-genome sequencing de sequencing is van het complete genoom van een enkel organisme, doorgaans van een gekweekte isolaat, voor gedetailleerde karakterisering.

Scope

Het onderwerp omvat cultuur-onafhankelijke metagenomische next-generation sequencing voor onbevooroordeelde pathogeen detectie en whole-genome sequencing van isolaten voor identificatie, typing en uitbraakonderzoek. Het merkt ook de analytische, interpretatieve en kosteneffectoverwegingen op die deze methoden met zich meebrengen. Het wordt gepresenteerd als een laboratorium- en referentietopic zonder behandelingsrichtlijnen.

Core questions

• Welke organismen zijn aanwezig in een monster wanneer de oorzaak onbekend is of cultuur is mislukt?
• Wat onthult het complete genoom van een isolaat over zijn identiteit, typing en resistentie?
• Hoe worden sequencing reads geïnterpreteerd om ware pathogenen te scheiden van achtergrond en contaminatie?
• Wanneer rechtvaardigen de voordelen van genome-schaal sequencing de kosten en complexiteit ervan?

Key concepts

• Metagenomische next-generation sequencing (mNGS)
• Whole-genome sequencing (WGS)
• Cultuur-onafhankelijke (niet-gerichte) detectie
• Genomische epidemiologie
• Read-interpretatie, achtergrond en contaminatie
• Bio-informatische pipelines en referentiedatabases
• Kosteneffectiviteit van genome-schaal methoden

Mechanisms

Metagenomische sequencing extraheert en sequentieert nucleïnezuren direct uit een klinisch monster, en gebruikt vervolgens bio-informatische pipelines om reads aan organismen toe te wijzen, in principe bacteriën, virussen, schimmels en parasieten detecterend zonder voorafgaande hypothese — inclusief agentia die slecht cultiveren, zoals bij de diagnose van neuroleptospirose uit cerebrospinale vloeistof (Wilson et al., 2014). Omdat monsters ook gastheer- en omgevingsnucleïnezuren bevatten, moet de interpretatie echte pathogenen onderscheiden van achtergrond en contaminatie, een centrale uitdaging in klinisch gebruik (Miller & Chiu, 2020). Whole-genome sequencing leest daarentegen het volledige genoom van een gekweekte isolaat, wat de hoogste resolutie biedt voor identificatie, typing en resistentiekarakterisering en de genomische epidemiologie van uitbraken onderbouwt (Deng et al., 2016).

Clinical relevance

Genome-schaal sequencing beschrijft hoe laboratoria onverwachte of oncultiveerbare pathogenen kunnen detecteren en uitbraken met hoge resolutie kunnen reconstrueren, wat de diagnose van moeilijke gevallen en infectiepreventiesurveillance informeert. Het onderwerp legt uit hoe dit bewijs wordt gegenereerd en is geen basis voor individuele diagnostische of behandelingsbeslissingen.

Epidemiology

Whole-genome sequencing is een primair instrument van genomische epidemiologie geworden, waardoor fijnmazige surveillance en uitbraakonderzoek van bacteriële pathogenen mogelijk is, waaronder voedselgerelateerde en zorggerelateerde organismen (Deng et al., 2016). Economische evaluaties hebben onderzocht of dergelijke surveillance kosteneffectief is ten opzichte van traditionele methoden (Price et al., 2023).

Evidence & guidelines

Bewijs voor deze methoden omvat proof-of-concept klinische toepassingen van metagenomische sequencing (Wilson et al., 2014), kritische beoordelingen van de klinische rol ervan (Miller & Chiu, 2020), overzichten van whole-genome surveillance (Deng et al., 2016), en systematische beoordeling van de economische evaluaties ervan (Price et al., 2023). Validatie- en rapportagestandaarden voor klinische sequencing assays worden vastgesteld door professionele en regelgevende instanties en worden hier niet gereproduceerd.

History

Genoom-schaal microbiologie volgde de dalende kosten van high-throughput sequencing. Whole-genome sequencing van isolaten werd aangenomen voor surveillance en uitbraakonderzoek (Deng et al., 2016), en niet-gerichte metagenomische sequencing toonde zijn diagnostische potentieel aan in gevallen zoals de identificatie van een oncultiveerbaar pathogeen uit cerebrospinale vloeistof (Wilson et al., 2014), wat leidde tot voortdurende discussie over hoe en wanneer het klinisch in te zetten (Miller & Chiu, 2020).

Debates

Moet metagenomische sequencing routinematig worden gebruikt in het klinisch laboratorium?

Metagenomische sequencing kan pathogenen detecteren die andere methoden missen, maar hoge kosten, interpretatieve complexiteit en de moeilijkheid om echt signaal te scheiden van achtergrond houden de routinematige klinische rol ervan betwist.

Is whole-genome surveillance kosteneffectief?

Whole-genome sequencing biedt superieure resolutie voor surveillance, maar de waarde ervan ten opzichte van goedkopere conventionele methoden hangt af van de setting en het pathogeen, en economisch bewijs wordt nog verzameld.

Seminal works

• wilson-2014
• deng-2016
• miller-2020

Frequently asked questions

Hoe verschilt metagenomische sequencing van whole-genome sequencing?

Metagenomische sequencing leest alle nucleïnezuren in een monster om elk aanwezig organisme te detecteren zonder er één te targeten, terwijl whole-genome sequencing het complete genoom van een enkel organisme leest, meestal een gekweekte isolaat, voor gedetailleerde karakterisering.

Waarom is het interpreteren van metagenomische resultaten uitdagend?

Klinische monsters bevatten naast eventuele pathogenen ook gastheer-, omgevings- en contaminatie-nucleïnezuren, dus het onderscheiden van een echt veroorzakend organisme van de achtergrond vereist zorgvuldige bio-informatische en klinische interpretatie.