Метагеномная и полногеномная идентификация патогенов

Метагеномные и полногеномные подходы используют высокопроизводительное секвенирование для характеристики патогенов на геномном уровне. Метагеномное секвенирование считывает нуклеиновые кислоты непосредственно из клинических образцов без нацеливания на конкретный организм, в то время как полногеномное секвенирование считывает полный геном культивированного изолята, обеспечивая идентификацию, типирование и эпиднадзор с высоким разрешением.

Definition

Метагеномное секвенирование — это нецелевое секвенирование всех нуклеиновых кислот в клиническом образце для обнаружения любого присутствующего организма, тогда как полногеномное секвенирование — это секвенирование полного генома одного организма, обычно из культивированного изолята, для детальной характеристики.

Scope

Тема охватывает культурально-независимое метагеномное секвенирование нового поколения для непредвзятого обнаружения патогенов и полногеномное секвенирование изолятов для идентификации, типирования и расследования вспышек. В ней также отмечаются аналитические, интерпретационные и стоимостные аспекты, которые поднимают эти методы. Представлена как лабораторная и справочная тема без рекомендаций по лечению.

Core questions

• Какие организмы присутствуют в образце, когда причина неизвестна или культивирование не удалось?
• Что полный геном изолята раскрывает о его идентичности, типировании и резистентности?
• Как интерпретируются прочтения секвенирования для отделения истинных патогенов от фоновых и контаминационных?
• Когда преимущества геномного секвенирования оправдывают его стоимость и сложность?

Key concepts

• Метагеномное секвенирование нового поколения (mNGS)
• Полногеномное секвенирование (WGS)
• Культурально-независимое (нецелевое) обнаружение
• Геномная эпидемиология
• Интерпретация прочтений, фон и контаминация
• Биоинформатические конвейеры и референсные базы данных
• Экономическая эффективность геномных методов

Mechanisms

Метагеномное секвенирование извлекает и секвенирует нуклеиновые кислоты непосредственно из клинического образца, затем использует биоинформатические конвейеры для присвоения прочтений организмам, в принципе обнаруживая бактерии, вирусы, грибы и паразиты без предварительной гипотезы — включая плохо культивируемые агенты, как, например, при диагностике нейролептоспироза из спинномозговой жидкости (Wilson et al., 2014). Поскольку образцы также содержат нуклеиновые кислоты хозяина и окружающей среды, интерпретация должна отличать подлинные патогены от фоновых и контаминационных, что является центральной проблемой в клиническом использовании (Miller & Chiu, 2020). Полногеномное секвенирование, напротив, считывает полный геном культивированного изолята, обеспечивая высочайшее разрешение для идентификации, типирования и характеристики резистентности, а также лежит в основе геномной эпидемиологии вспышек (Deng et al., 2016).

Clinical relevance

Геномное секвенирование описывает, как лаборатории могут обнаруживать неожиданные или некультивируемые патогены и реконструировать вспышки с высоким разрешением, что способствует диагностике сложных случаев и эпиднадзору за профилактикой инфекций. Тема объясняет, как генерируются эти данные, и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.

Epidemiology

Полногеномное секвенирование стало основным инструментом геномной эпидемиологии, позволяя осуществлять детальный эпиднадзор и расследование вспышек бактериальных патогенов, включая пищевые и связанные с здравоохранением организмы (Deng et al., 2016). Экономические оценки изучали, является ли такой эпиднадзор экономически эффективным по сравнению с традиционными методами (Price et al., 2023).

Evidence & guidelines

Данные по этим методам включают доказательства концепции клинического применения метагеномного секвенирования (Wilson et al., 2014), критические оценки его клинической роли (Miller & Chiu, 2020), обзоры полногеномного эпиднадзора (Deng et al., 2016) и систематический обзор его экономических оценок (Price et al., 2023). Стандарты валидации и отчетности для клинических анализов секвенирования устанавливаются профессиональными и регулирующими органами и здесь не воспроизводятся.

History

Микробиология геномного масштаба последовала за снижением стоимости высокопроизводительного секвенирования. Полногеномное секвенирование изолятов было принято для эпиднадзора и расследования вспышек (Deng et al., 2016), а нецелевое метагеномное секвенирование продемонстрировало свой диагностический потенциал в таких случаях, как идентификация некультивируемого патогена из спинномозговой жидкости (Wilson et al., 2014), что вызвало продолжающиеся дебаты о том, как и когда его применять в клинике (Miller & Chiu, 2020).

Debates

Следует ли рутинно использовать метагеномное секвенирование в клинической лаборатории?

Метагеномное секвенирование может обнаруживать патогены, которые другие методы пропускают, но высокая стоимость, сложность интерпретации и трудность отделения истинного сигнала от фонового сохраняют его рутинную клиническую роль спорной.

Является ли полногеномный эпиднадзор экономически эффективным?

Полногеномное секвенирование обеспечивает превосходное разрешение для эпиднадзора, но его ценность по сравнению с более дешевыми традиционными методами зависит от условий и патогена, и экономические данные все еще собираются.

Seminal works

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

Frequently asked questions

Чем метагеномное секвенирование отличается от полногеномного секвенирования?

Метагеномное секвенирование считывает все нуклеиновые кислоты в образце для обнаружения любого присутствующего организма без нацеливания на один, в то время как полногеномное секвенирование считывает полный геном одного организма, обычно культивированного изолята, для детальной характеристики.

Почему интерпретация метагеномных результатов является сложной задачей?

Клинические образцы содержат нуклеиновые кислоты хозяина, окружающей среды и загрязняющих веществ наряду с любым патогеном, поэтому для отличия истинного причинного организма от фонового требуется тщательная биоинформатическая и клиническая интерпретация.