Định danh mầm bệnh bằng phương pháp Metagenomic và Toàn bộ hệ gen

Các phương pháp metagenomic và toàn bộ hệ gen sử dụng giải trình tự thông lượng cao để mô tả đặc điểm mầm bệnh ở quy mô hệ gen. Giải trình tự metagenomic đọc trực tiếp axit nucleic từ các mẫu lâm sàng mà không nhắm mục tiêu vào một sinh vật cụ thể, trong khi giải trình tự toàn bộ hệ gen đọc toàn bộ hệ gen của một chủng phân lập đã nuôi cấy, hỗ trợ định danh, phân loại và giám sát với độ phân giải cao.

Definition

Giải trình tự metagenomic là giải trình tự không mục tiêu tất cả axit nucleic trong một mẫu lâm sàng để phát hiện bất kỳ sinh vật nào có mặt, trong khi giải trình tự toàn bộ hệ gen là giải trình tự toàn bộ hệ gen của một sinh vật duy nhất, thường từ một chủng phân lập đã nuôi cấy, để mô tả đặc điểm chi tiết.

Scope

Chủ đề này bao gồm giải trình tự thế hệ tiếp theo metagenomic không phụ thuộc nuôi cấy để phát hiện mầm bệnh không thiên vị và giải trình tự toàn bộ hệ gen của các chủng phân lập để định danh, phân loại và điều tra ổ dịch. Nó cũng đề cập đến các cân nhắc về phân tích, diễn giải và chi phí mà các phương pháp này đặt ra. Nó được trình bày như một chủ đề về phòng thí nghiệm và tham khảo mà không có hướng dẫn điều trị.

Core questions

• Những sinh vật nào có mặt trong một mẫu khi nguyên nhân chưa được biết hoặc nuôi cấy thất bại?
• Toàn bộ hệ gen của một chủng phân lập tiết lộ điều gì về danh tính, phân loại và khả năng kháng thuốc của nó?
• Các đoạn đọc giải trình tự được diễn giải như thế nào để phân biệt mầm bệnh thực sự với nền và sự nhiễm bẩn?
• Khi nào lợi ích của giải trình tự quy mô hệ gen biện minh cho chi phí và sự phức tạp của nó?

Key concepts

• Giải trình tự thế hệ tiếp theo metagenomic (mNGS)
• Giải trình tự toàn bộ hệ gen (WGS)
• Phát hiện không phụ thuộc nuôi cấy (không mục tiêu)
• Dịch tễ học hệ gen
• Diễn giải đoạn đọc, nền và sự nhiễm bẩn
• Các quy trình tin sinh học và cơ sở dữ liệu tham chiếu
• Hiệu quả chi phí của các phương pháp quy mô hệ gen

Mechanisms

Giải trình tự metagenomic chiết xuất và giải trình tự axit nucleic trực tiếp từ một mẫu lâm sàng, sau đó sử dụng các quy trình tin sinh học để gán các đoạn đọc cho các sinh vật, về nguyên tắc phát hiện vi khuẩn, vi rút, nấm và ký sinh trùng mà không có giả thuyết trước – bao gồm cả các tác nhân khó nuôi cấy, như trong chẩn đoán bệnh leptospirosis thần kinh từ dịch não tủy (Wilson et al., 2014). Vì các mẫu cũng chứa axit nucleic của vật chủ và môi trường, việc diễn giải phải phân biệt mầm bệnh thực sự với nền và sự nhiễm bẩn, một thách thức trung tâm trong sử dụng lâm sàng (Miller & Chiu, 2020). Giải trình tự toàn bộ hệ gen thay vào đó đọc toàn bộ hệ gen của một chủng phân lập đã nuôi cấy, cung cấp độ phân giải cao nhất để định danh, phân loại và mô tả đặc điểm kháng thuốc và làm nền tảng cho dịch tễ học hệ gen của các ổ dịch (Deng et al., 2016).

Clinical relevance

Giải trình tự quy mô hệ gen mô tả cách các phòng thí nghiệm có thể phát hiện các mầm bệnh không mong muốn hoặc không thể nuôi cấy và tái tạo các ổ dịch với độ phân giải cao, cung cấp thông tin cho chẩn đoán các trường hợp khó và giám sát phòng ngừa nhiễm trùng. Chủ đề này giải thích cách tạo ra bằng chứng này và không phải là cơ sở cho các quyết định chẩn đoán hoặc điều trị cá nhân.

Epidemiology

Giải trình tự toàn bộ hệ gen đã trở thành một công cụ chính của dịch tễ học hệ gen, cho phép giám sát chi tiết và điều tra ổ dịch các mầm bệnh vi khuẩn, bao gồm các sinh vật lây truyền qua thực phẩm và liên quan đến chăm sóc sức khỏe (Deng et al., 2016). Các đánh giá kinh tế đã xem xét liệu việc giám sát như vậy có hiệu quả về chi phí so với các phương pháp truyền thống hay không (Price et al., 2023).

Evidence & guidelines

Bằng chứng về các phương pháp này bao gồm các ứng dụng lâm sàng chứng minh khái niệm của giải trình tự metagenomic (Wilson et al., 2014), các đánh giá phê bình về vai trò lâm sàng của nó (Miller & Chiu, 2020), các đánh giá về giám sát toàn bộ hệ gen (Deng et al., 2016), và đánh giá hệ thống các đánh giá kinh tế của nó (Price et al., 2023). Các tiêu chuẩn xác nhận và báo cáo cho các xét nghiệm giải trình tự lâm sàng được thiết lập bởi các cơ quan chuyên môn và quản lý và không được tái tạo ở đây.

History

Vi sinh vật học quy mô hệ gen theo sau sự giảm chi phí của giải trình tự thông lượng cao. Giải trình tự toàn bộ hệ gen của các chủng phân lập đã được áp dụng để giám sát và điều tra ổ dịch (Deng et al., 2016), và giải trình tự metagenomic không mục tiêu đã chứng minh tiềm năng chẩn đoán của nó trong các trường hợp như định danh một mầm bệnh không thể nuôi cấy từ dịch não tủy (Wilson et al., 2014), thúc đẩy cuộc tranh luận đang diễn ra về cách thức và thời điểm triển khai nó trong lâm sàng (Miller & Chiu, 2020).

Debates

Giải trình tự metagenomic có nên được sử dụng thường quy trong phòng thí nghiệm lâm sàng không?

Giải trình tự metagenomic có thể phát hiện các mầm bệnh mà các phương pháp khác bỏ sót, nhưng chi phí cao, sự phức tạp trong diễn giải và khó khăn trong việc tách tín hiệu thực sự khỏi nền khiến vai trò lâm sàng thường quy của nó vẫn còn gây tranh cãi.

Giám sát toàn bộ hệ gen có hiệu quả về chi phí không?

Giải trình tự toàn bộ hệ gen mang lại độ phân giải vượt trội cho việc giám sát, nhưng giá trị của nó so với các phương pháp thông thường rẻ hơn phụ thuộc vào bối cảnh và mầm bệnh, và bằng chứng kinh tế vẫn đang được thu thập.

Seminal works

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

Frequently asked questions

Giải trình tự metagenomic khác với giải trình tự toàn bộ hệ gen như thế nào?

Giải trình tự metagenomic đọc tất cả axit nucleic trong một mẫu để phát hiện bất kỳ sinh vật nào có mặt mà không nhắm mục tiêu vào một sinh vật cụ thể, trong khi giải trình tự toàn bộ hệ gen đọc toàn bộ hệ gen của một sinh vật duy nhất, thường là một chủng phân lập đã nuôi cấy, để mô tả đặc điểm chi tiết.

Tại sao việc diễn giải kết quả metagenomic lại khó khăn?

Các mẫu lâm sàng chứa axit nucleic của vật chủ, môi trường và chất gây ô nhiễm cùng với bất kỳ mầm bệnh nào, vì vậy việc phân biệt một sinh vật gây bệnh thực sự với nền đòi hỏi sự diễn giải tin sinh học và lâm sàng cẩn thận.