Ідентифікація патогенів за допомогою метагеноміки та повного геному

Метагеномні та повногеномні підходи використовують високопродуктивне секвенування для характеристики патогенів у геномному масштабі. Метагеномне секвенування читає нуклеїнові кислоти безпосередньо з клінічних зразків, не націлюючись на конкретний організм, тоді як повногеномне секвенування читає повний геном культивованого ізоляту, підтримуючи високороздільну ідентифікацію, типізацію та моніторинг.

Definition

Метагеномне секвенування — це ненацілене секвенування всіх нуклеїнових кислот у клінічному зразку для виявлення будь-якого присутнього організму, тоді як повногеномне секвенування — це секвенування повного геному одного організму, зазвичай культивованого ізоляту, для детальної характеристики.

Scope

Тема охоплює незалежне від культури метагеномне секвенування наступного покоління для неупередженого виявлення патогенів та повногеномне секвенування ізолятів для ідентифікації, типізації та розслідування спалахів. Вона також зазначає аналітичні, інтерпретаційні та вартісні міркування, які виникають у цих методів. Вона представлена як лабораторна та довідкова тема без рекомендацій щодо лікування.

Core questions

• Які організми присутні у зразку, коли причина невідома або культура не вдалася?
• Що повний геном ізоляту розкриває про його ідентичність, типізацію та резистентність?
• Як секвенувальні читання інтерпретуються для відділення справжніх патогенів від фону та контамінації?
• Коли переваги геномного секвенування виправдовують його вартість та складність?

Key concepts

• Метагеномне секвенування наступного покоління (mNGS)
• Повногеномне секвенування (WGS)
• Незалежне від культури (ненацілене) виявлення
• Геномна епідеміологія
• Інтерпретація читань, фон та контамінація
• Біоінформатичні конвеєри та референтні бази даних
• Економічна ефективність геномних методів

Mechanisms

Метагеномне секвенування витягує та секвенує нуклеїнові кислоти безпосередньо з клінічного зразка, а потім використовує біоінформатичні конвеєри для присвоєння читань організмам, в принципі виявляючи бактерії, віруси, гриби та паразитів без попередньої гіпотези — включаючи агенти, які погано культивуються, як при діагностиці нейролептоспірозу з цереброспінальної рідини (Wilson et al., 2014). Оскільки зразки також містять нуклеїнові кислоти господаря та навколишнього середовища, інтерпретація повинна відрізняти справжні патогени від фону та контамінації, що є центральним викликом у клінічному застосуванні (Miller & Chiu, 2020). Натомість повногеномне секвенування читає повний геном культивованого ізоляту, забезпечуючи найвищу роздільну здатність для ідентифікації, типізації та характеристики резистентності та підтримуючи геномну епідеміологію спалахів (Deng et al., 2016).

Clinical relevance

Геномне секвенування описує, як лабораторії можуть виявляти несподівані або некультивовані патогени та реконструювати спалахи з високою роздільною здатністю, інформуючи діагностику складних випадків та моніторинг інфекцій. Тема пояснює, як генеруються ці докази, і не є основою для індивідуальних діагностичних або лікувальних рішень.

Epidemiology

Повногеномне секвенування стало основним інструментом геномної епідеміології, що дозволяє проводити детальний моніторинг та розслідування спалахів бактеріальних патогенів, включаючи харчові та пов'язані з охороною здоров'я організми (Deng et al., 2016). Економічні оцінки вивчали, чи є такий моніторинг економічно ефективним порівняно з традиційними методами (Price et al., 2023).

Evidence & guidelines

Докази щодо цих методів включають клінічні застосування метагеномного секвенування, що доводять концепцію (Wilson et al., 2014), критичні оцінки його клінічної ролі (Miller & Chiu, 2020), огляди повногеномного моніторингу (Deng et al., 2016) та систематичний огляд його економічних оцінок (Price et al., 2023). Стандарти валідації та звітності для клінічних секвенувальних аналізів встановлюються професійними та регуляторними органами і тут не відтворюються.

History

Геномна мікробіологія слідувала за зниженням вартості високопродуктивного секвенування. Повногеномне секвенування ізолятів було прийнято для моніторингу та розслідування спалахів (Deng et al., 2016), а ненацілене метагеномне секвенування продемонструвало свій діагностичний потенціал у таких випадках, як ідентифікація некультивованого патогену з цереброспінальної рідини (Wilson et al., 2014), що викликало тривалі дебати щодо того, як і коли його застосовувати клінічно (Miller & Chiu, 2020).

Debates

Чи слід рутинно використовувати метагеномне секвенування в клінічній лабораторії?

Метагеномне секвенування може виявляти патогени, які пропускають інші методи, але висока вартість, складність інтерпретації та труднощі відділення справжнього сигналу від фону роблять його рутинну клінічну роль спірною.

Чи є повногеномний моніторинг економічно ефективним?

Повногеномне секвенування пропонує вищу роздільну здатність для моніторингу, але його цінність порівняно з дешевшими традиційними методами залежить від обстановки та патогену, і економічні докази ще збираються.

Seminal works

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

Frequently asked questions

Чим метагеномне секвенування відрізняється від повногеномного секвенування?

Метагеномне секвенування читає всі нуклеїнові кислоти у зразку для виявлення будь-якого присутнього організму без націлювання на один, тоді як повногеномне секвенування читає повний геном одного організму, зазвичай культивованого ізоляту, для детальної характеристики.

Чому інтерпретація метагеномних результатів є складною?

Клінічні зразки містять нуклеїнові кислоти господаря, навколишнього середовища та контамінанти поряд з будь-яким патогеном, тому відділення справжнього збудника від фону вимагає ретельної біоінформатичної та клінічної інтерпретації.