การระบุเชื้อโรคด้วยเมทาจีโนมิกส์และจีโนมทั้งหมด

แนวทางเมทาจีโนมิกส์และจีโนมทั้งหมดใช้การจัดลำดับสารพันธุกรรมปริมาณมาก (high-throughput sequencing) เพื่อจำแนกลักษณะเชื้อโรคในระดับจีโนม การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์จะอ่านกรดนิวคลีอิกโดยตรงจากตัวอย่างทางคลินิกโดยไม่กำหนดเป้าหมายสิ่งมีชีวิตที่เฉพาะเจาะจง ในขณะที่การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดจะอ่านจีโนมที่สมบูรณ์ของเชื้อที่แยกได้จากการเพาะเลี้ยง ซึ่งสนับสนุนการระบุ การจำแนกชนิด และการเฝ้าระวังด้วยความละเอียดสูง

Definition

การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์คือการจัดลำดับกรดนิวคลีอิกทั้งหมดในตัวอย่างทางคลินิกโดยไม่กำหนดเป้าหมาย เพื่อตรวจหาสิ่งมีชีวิตใดๆ ที่มีอยู่ ในขณะที่การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดคือการจัดลำดับจีโนมที่สมบูรณ์ของสิ่งมีชีวิตเดี่ยว ซึ่งโดยทั่วไปมาจากเชื้อที่แยกได้จากการเพาะเลี้ยง เพื่อการจำแนกลักษณะโดยละเอียด

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงการจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์ยุคใหม่ที่ไม่ต้องอาศัยการเพาะเลี้ยง (culture-independent metagenomic next-generation sequencing) สำหรับการตรวจหาเชื้อโรคโดยไม่ลำเอียง และการจัดลำดับจีโนมทั้งหมดของเชื้อที่แยกได้เพื่อการระบุ การจำแนกชนิด และการสอบสวนการระบาด นอกจากนี้ยังกล่าวถึงข้อควรพิจารณาด้านการวิเคราะห์ การตีความ และต้นทุนที่วิธีการเหล่านี้ก่อให้เกิด โดยนำเสนอในฐานะหัวข้อทางห้องปฏิบัติการและอ้างอิงโดยไม่มีคำแนะนำในการรักษา

Core questions

• มีสิ่งมีชีวิตใดบ้างในตัวอย่างเมื่อไม่ทราบสาเหตุหรือการเพาะเลี้ยงล้มเหลว?
• จีโนมที่สมบูรณ์ของเชื้อที่แยกได้เผยให้เห็นอะไรบ้างเกี่ยวกับเอกลักษณ์ การจำแนกชนิด และการดื้อยา?
• จะตีความลำดับที่อ่านได้จากการจัดลำดับเพื่อแยกเชื้อโรคที่แท้จริงออกจากพื้นหลังและการปนเปื้อนได้อย่างไร?
• เมื่อใดที่ประโยชน์ของการจัดลำดับระดับจีโนมจะคุ้มค่ากับต้นทุนและความซับซ้อน?

Key concepts

• การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์ยุคใหม่ (mNGS)
• การจัดลำดับจีโนมทั้งหมด (WGS)
• การตรวจหาโดยไม่ขึ้นกับการเพาะเลี้ยง (ไม่กำหนดเป้าหมาย)
• ระบาดวิทยาจีโนม
• การตีความลำดับที่อ่านได้ พื้นหลัง และการปนเปื้อน
• กระบวนการทางชีวสารสนเทศและฐานข้อมูลอ้างอิง
• ความคุ้มค่าของวิธีการระดับจีโนม

Mechanisms

การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์จะสกัดและจัดลำดับกรดนิวคลีอิกโดยตรงจากตัวอย่างทางคลินิก จากนั้นใช้กระบวนการทางชีวสารสนเทศ (bioinformatic pipelines) เพื่อกำหนดลำดับที่อ่านได้ให้กับสิ่งมีชีวิตต่างๆ โดยหลักการแล้วสามารถตรวจจับแบคทีเรีย ไวรัส เชื้อรา และปรสิตได้โดยไม่ต้องมีสมมติฐานล่วงหน้า รวมถึงเชื้อที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้ดี เช่น ในการวินิจฉัยโรค neuroleptospirosis จากน้ำไขสันหลัง (Wilson et al., 2014) เนื่องจากตัวอย่างยังประกอบด้วยกรดนิวคลีอิกของโฮสต์และสิ่งแวดล้อม การตีความจึงต้องแยกแยะเชื้อโรคที่แท้จริงออกจากพื้นหลังและการปนเปื้อน ซึ่งเป็นความท้าทายหลักในการใช้งานทางคลินิก (Miller & Chiu, 2020) ในทางกลับกัน การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดจะอ่านจีโนมที่สมบูรณ์ของเชื้อที่แยกได้จากการเพาะเลี้ยง ซึ่งให้ความละเอียดสูงสุดสำหรับการระบุ การจำแนกชนิด และการจำแนกลักษณะการดื้อยา และเป็นพื้นฐานของระบาดวิทยาจีโนมของการระบาด (Deng et al., 2016)

Clinical relevance

การจัดลำดับระดับจีโนมแสดงให้เห็นว่าห้องปฏิบัติการสามารถตรวจจับเชื้อโรคที่ไม่คาดคิดหรือไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้ และสร้างการระบาดขึ้นใหม่ด้วยความละเอียดสูง ซึ่งเป็นข้อมูลสำหรับการวินิจฉัยกรณีที่ยากลำบากและการเฝ้าระวังการป้องกันการติดเชื้อ หัวข้อนี้อธิบายว่าหลักฐานนี้สร้างขึ้นได้อย่างไร และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการตัดสินใจในการวินิจฉัยหรือการรักษาเฉพาะบุคคล

Epidemiology

การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดได้กลายเป็นเครื่องมือหลักของระบาดวิทยาจีโนม ทำให้สามารถเฝ้าระวังและสอบสวนการระบาดของเชื้อโรคแบคทีเรียได้อย่างละเอียด รวมถึงเชื้อที่เกิดจากอาหารและเชื้อที่เกี่ยวข้องกับการดูแลสุขภาพ (Deng et al., 2016) การประเมินทางเศรษฐศาสตร์ได้ตรวจสอบว่าการเฝ้าระวังดังกล่าวคุ้มค่าเมื่อเทียบกับวิธีการแบบดั้งเดิมหรือไม่ (Price et al., 2023)

Evidence & guidelines

หลักฐานเกี่ยวกับวิธีการเหล่านี้รวมถึงการประยุกต์ใช้ทางคลินิกของเมทาจีโนมิกส์ที่พิสูจน์แนวคิด (Wilson et al., 2014) การประเมินเชิงวิพากษ์บทบาททางคลินิก (Miller & Chiu, 2020) การทบทวนการเฝ้าระวังจีโนมทั้งหมด (Deng et al., 2016) และการทบทวนอย่างเป็นระบบของการประเมินทางเศรษฐศาสตร์ (Price et al., 2023) มาตรฐานการตรวจสอบความถูกต้องและการรายงานสำหรับการทดสอบการจัดลำดับทางคลินิกกำหนดโดยองค์กรวิชาชีพและหน่วยงานกำกับดูแล และไม่ได้นำมากล่าวซ้ำในที่นี้

History

จุลชีววิทยาในระดับจีโนมเกิดขึ้นตามมาด้วยต้นทุนการจัดลำดับสารพันธุกรรมปริมาณมากที่ลดลง การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดของเชื้อที่แยกได้ถูกนำมาใช้สำหรับการเฝ้าระวังและการสอบสวนการระบาด (Deng et al., 2016) และการจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์ที่ไม่กำหนดเป้าหมายได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการวินิจฉัยในกรณีต่างๆ เช่น การระบุเชื้อโรคที่ไม่สามารถเพาะเลี้ยงได้จากน้ำไขสันหลัง (Wilson et al., 2014) ซึ่งกระตุ้นให้เกิดการถกเถียงอย่างต่อเนื่องเกี่ยวกับวิธีการและเวลาที่จะนำไปใช้ทางคลินิก (Miller & Chiu, 2020)

Debates

ควรใช้การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์เป็นประจำในห้องปฏิบัติการทางคลินิกหรือไม่?

การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์สามารถตรวจจับเชื้อโรคที่วิธีการอื่นพลาดไปได้ แต่ต้นทุนที่สูง ความซับซ้อนในการตีความ และความยากลำบากในการแยกสัญญาณที่แท้จริงออกจากพื้นหลัง ทำให้บทบาททางคลินิกประจำของมันยังคงเป็นที่ถกเถียง

การเฝ้าระวังด้วยจีโนมทั้งหมดคุ้มค่าหรือไม่?

การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดให้ความละเอียดที่เหนือกว่าสำหรับการเฝ้าระวัง แต่คุณค่าของมันเมื่อเทียบกับวิธีการทั่วไปที่ถูกกว่าขึ้นอยู่กับการตั้งค่าและเชื้อโรค และหลักฐานทางเศรษฐศาสตร์ยังคงอยู่ระหว่างการรวบรวม

Seminal works

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

Frequently asked questions

การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์แตกต่างจากการจัดลำดับจีโนมทั้งหมดอย่างไร?

การจัดลำดับเมทาจีโนมิกส์จะอ่านกรดนิวคลีอิกทั้งหมดในตัวอย่างเพื่อตรวจหาสิ่งมีชีวิตใดๆ ที่มีอยู่โดยไม่กำหนดเป้าหมาย ในขณะที่การจัดลำดับจีโนมทั้งหมดจะอ่านจีโนมที่สมบูรณ์ของสิ่งมีชีวิตเดี่ยว ซึ่งโดยปกติแล้วจะเป็นเชื้อที่แยกได้จากการเพาะเลี้ยง เพื่อการจำแนกลักษณะโดยละเอียด

เหตุใดการตีความผลลัพธ์เมทาจีโนมิกส์จึงเป็นเรื่องท้าทาย?

ตัวอย่างทางคลินิกประกอบด้วยกรดนิวคลีอิกของโฮสต์ สิ่งแวดล้อม และสารปนเปื้อน ควบคู่ไปกับเชื้อโรคใดๆ ดังนั้นการแยกแยะสิ่งมีชีวิตที่เป็นสาเหตุที่แท้จริงออกจากพื้นหลังจึงต้องอาศัยการตีความทางชีวสารสนเทศและทางคลินิกอย่างรอบคอบ