宏基因组和全基因组病原体鉴定

宏基因组和全基因组方法利用高通量测序在基因组层面表征病原体。宏基因组测序直接从临床样本中读取核酸，不针对特定生物体，而全基因组测序则读取培养分离株的完整基因组，支持高分辨率鉴定、分型和监测。

Definition

宏基因组测序是对临床样本中所有核酸进行非靶向测序，以检测存在的任何生物体；而全基因组测序是对单个生物体的完整基因组进行测序，通常来自培养分离株，用于详细表征。

Scope

本主题涵盖了用于无偏病原体检测的非培养依赖性宏基因组下一代测序，以及用于鉴定、分型和疫情调查的分离株全基因组测序。它还指出了这些方法带来的分析、解释和成本考量。本主题作为实验室和参考主题呈现，不提供治疗指导。

Core questions

• 当病因不明或培养失败时，样本中存在哪些生物体？
• 分离株的完整基因组揭示了其身份、分型和耐药性的哪些信息？
• 如何解释测序读段以区分真正的病原体与背景和污染？
• 基因组规模测序的益处何时能证明其成本和复杂性是合理的？

Key concepts

• 宏基因组下一代测序 (mNGS)
• 全基因组测序 (WGS)
• 非培养依赖性（非靶向）检测
• 基因组流行病学
• 读段解释、背景和污染
• 生物信息学流程和参考数据库
• 基因组规模方法的成本效益

Mechanisms

宏基因组测序直接从临床样本中提取并测序核酸，然后利用生物信息学流程将测序读段分配给生物体，原则上可以检测细菌、病毒、真菌和寄生虫，而无需事先假设——包括那些难以培养的病原体，例如从脑脊液中诊断神经钩端螺旋体病（Wilson et al., 2014）。由于样本中还包含宿主和环境核酸，因此解释时必须区分真正的病原体与背景和污染，这是临床应用中的一个核心挑战（Miller & Chiu, 2020）。全基因组测序则读取培养分离株的完整基因组，为鉴定、分型和耐药性表征提供最高分辨率，并支持疫情的基因组流行病学研究（Deng et al., 2016）。

Clinical relevance

基因组规模测序描述了实验室如何检测意想不到的或不可培养的病原体，并以高分辨率重建疫情，为疑难病例的诊断和感染预防监测提供信息。本主题解释了这些证据是如何产生的，并非个体诊断或治疗决策的基础。

Epidemiology

全基因组测序已成为基因组流行病学的主要工具，能够对细菌病原体（包括食源性和医疗相关生物体）进行精细监测和疫情调查（Deng et al., 2016）。经济评估已研究了此类监测相对于传统方法是否具有成本效益（Price et al., 2023）。

Evidence & guidelines

这些方法的证据包括宏基因组测序的概念验证临床应用（Wilson et al., 2014）、对其临床作用的批判性评估（Miller & Chiu, 2020）、全基因组监测的综述（Deng et al., 2016）以及对其经济评估的系统综述（Price et al., 2023）。临床测序检测的验证和报告标准由专业和监管机构制定，此处不予赘述。

History

基因组规模微生物学随着高通量测序成本的下降而发展。分离株的全基因组测序被用于监测和疫情调查（Deng et al., 2016），非靶向宏基因组测序在从脑脊液中鉴定不可培养病原体等案例中展示了其诊断潜力（Wilson et al., 2014），引发了关于何时以及如何将其应用于临床的持续争论（Miller & Chiu, 2020）。

Debates

宏基因组测序是否应在临床实验室中常规使用？

宏基因组测序可以检测其他方法遗漏的病原体，但高成本、解释复杂性以及难以将真实信号与背景区分开来，使得其常规临床作用仍存在争议。

全基因组监测是否具有成本效益？

全基因组测序为监测提供了卓越的分辨率，但其相对于更便宜的传统方法的价值取决于环境和病原体，经济证据仍在收集整理中。

Seminal works

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

Frequently asked questions

宏基因组测序与全基因组测序有何不同？

宏基因组测序读取样本中所有核酸以检测存在的任何生物体，不针对特定目标；而全基因组测序读取单个生物体（通常是培养分离株）的完整基因组，用于详细表征。

为什么解释宏基因组结果具有挑战性？

临床样本中除了任何病原体外，还包含宿主、环境和污染物核酸，因此将真正的致病生物体与背景区分开来需要仔细的生物信息学和临床解释。