王莉莉,吳文娟(同濟(jì)大學(xué)附屬東方醫(yī)院南院檢驗(yàn)科,上海 200123)
感染性疾病是臨床常見(jiàn)病之一,若不及時(shí)診斷治療,極有可能進(jìn)展為膿毒癥,造成患者多器官功能衰竭,甚至死亡。對(duì)引起感染的微生物進(jìn)行鑒定是患者成功治療、康復(fù)和安全的關(guān)鍵。目前,傳統(tǒng)的病原學(xué)診斷方法主要是鑒定標(biāo)本中的活微生物,其培養(yǎng)時(shí)間長(zhǎng)且難以檢測(cè)苛養(yǎng)菌、胞內(nèi)菌、病毒等病原體。常見(jiàn)的分子診斷技術(shù)包括基于核酸的診斷(如普通PCR 檢測(cè)和多重PCR 檢測(cè))[1-2]、微陣列芯片[3]、液滴數(shù)字PCR 技術(shù)(digital droplet PCR,ddPCR)[4]等,但這些診斷技術(shù)不適用于復(fù)雜或包含多種微生物的臨床標(biāo)本。宏基因組下一代測(cè)序(metagenomic next-generation sequencing,mNGS)一次運(yùn)行可同時(shí)得到幾百萬(wàn)到幾千萬(wàn)條核酸分子的序列,從而對(duì)標(biāo)本中所有病原體,尤其是復(fù)雜感染性疾病中少見(jiàn)、新發(fā)或不典型的病原體進(jìn)行鑒定和分型,具有敏感性高、精確性強(qiáng)、檢測(cè)時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各種臨床標(biāo)本,如血漿、腦脊液、淚液及支氣管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)等。結(jié)合血漿標(biāo)本的無(wú)創(chuàng)性、易獲得性和mNGS的高靈敏、高通量,血漿微生物游離DNA(microbial cell-free DNA,mcfDNA)mNGS在改善感染性疾病的診斷和治療方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景。
1948年,Mandel和Metais 首次報(bào)道了來(lái)自患者或健康人體細(xì)胞釋放到體液中的游離DNA(cell-free DNA,cfDNA)[5]。在健康個(gè)體中檢測(cè)到的血漿cfDNA 濃度差異很大,通常為0~100 ng/mL,有時(shí)甚至超過(guò)1 500 ng/mL。在某些疾病狀態(tài)下,尤其是炎癥性疾病(如系統(tǒng)性紅斑狼瘡、癌癥)和感染性疾?。ㄈ缒摱景Y),cfDNA 的濃度有所增加[6]。cfDNA以多種形式存在于循環(huán)中,包括核基因組、線粒體基因組和微生物基因組的片段[7]。其中,人源DNA 占絕大多數(shù)(>90%,甚至>99%),而外源的mcfDNA只占小部分,0.08%~4.85%來(lái)自細(xì)菌,0.00%~0.01%來(lái)自真菌,0.00%~0.16%來(lái)自病毒或噬菌體。通過(guò)對(duì)1 例血培養(yǎng)陽(yáng)性患者的血漿標(biāo)本進(jìn)行雙端測(cè)序,發(fā)現(xiàn)鮑曼不動(dòng)桿菌cfDNA片段在150~200 bp 處存在主峰;相較于核基因組片段(正態(tài)分布),mcfDNA呈偏態(tài)分布[8]。
血漿mcfDNA的兩大來(lái)源包括微生物菌體入血和核酸片段入血。微生物菌體入血可能由于全身性血流感染致循環(huán)系統(tǒng)中存在微生物,或局灶感染時(shí)微生物短暫地侵入血液循環(huán)系統(tǒng),造成一過(guò)性的菌血癥。這些入侵的微生物可被抗感染藥物和宿主免疫系統(tǒng)殺滅[9],導(dǎo)致微生物DNA 釋放進(jìn)入循環(huán),在核酸外切酶的作用下形成小的DNA片段,即mcfDNA。核酸片段入血是由于血供豐富的器官發(fā)生局灶感染(如肺部),在巨噬細(xì)胞的免疫作用下,吞噬病原體后凋亡,向血液循環(huán)系統(tǒng)釋放出微生物核酸片段,或病原體感染人體細(xì)胞,造成人體細(xì)胞凋亡,向血液循環(huán)系統(tǒng)釋放出微生物核酸片段。研究表明,mcfDNA 的半衰期僅幾分鐘,短于核基因組片段(10~15 min),且主要通過(guò)肝臟清除[10]。
作為非侵入性診斷技術(shù),血漿mcfDNA mNGS通過(guò)捕獲和識(shí)別血液循環(huán)中高度片段化的mcfDNA 來(lái)診斷常見(jiàn)甚至罕見(jiàn)的感染。在微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中,mNGS 分析涉及濕試驗(yàn)、干試驗(yàn)兩部分(圖1)。
圖1 血漿微生物游離DNA宏基因組下一代測(cè)序的技術(shù)原理
2.1 濕試驗(yàn) 濕試驗(yàn)包括血漿標(biāo)本處理、游離核酸提取、文庫(kù)制備和上機(jī)測(cè)序。
不同于其他臨床標(biāo)本,血漿中人源和病原體核酸均以短片段游離形式存在,標(biāo)本前處理無(wú)需破壁。血漿標(biāo)本的宿主DNA含量高達(dá)90%~99%且存在異質(zhì)性,易干擾病原體檢出序列數(shù)。可向血漿標(biāo)本中加入已知濃度的內(nèi)標(biāo)(非人源和病原核酸序列)以去除人源背景的影響,對(duì)病原的真實(shí)載量進(jìn)行評(píng)估[11]。
常用的血漿游離核酸提取方法包括磁珠法和提取柱法[12](表1),核酸提取后可直接用于建庫(kù)。文庫(kù)構(gòu)建是對(duì)片段化核酸進(jìn)行末端修復(fù)后,在兩端加上已知序列信息的寡核苷酸接頭以便于區(qū)分每個(gè)文庫(kù)。單個(gè)文庫(kù)構(gòu)建完成后,可經(jīng)過(guò)PCR擴(kuò)增再將文庫(kù)等量混合后上機(jī)測(cè)序[13]。主流深度測(cè)序方法包括DNA 納米球測(cè)序、邊合成邊測(cè)序和半導(dǎo)體測(cè)序。測(cè)序平臺(tái)的測(cè)序長(zhǎng)度一般為50~200 bp,少數(shù)儀器可達(dá)300~400 bp;測(cè)序數(shù)據(jù)量至少為10 兆條核酸序列數(shù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求可適當(dāng)增加測(cè)序數(shù)據(jù)量以提高檢測(cè)靈敏度[14]。PCR可同比放大微生物和人源核酸,而NGS按比例抽樣,如HiSeq2500測(cè)序運(yùn)行時(shí)只檢測(cè)原始數(shù)據(jù)量的0.02%,因此,也可選擇PCR-free的文庫(kù)構(gòu)建方法[15]。
表1 血漿游離DNA提取試劑盒
最近,Wang等[16]開(kāi)發(fā)了自動(dòng)化設(shè)備NGSmaster以實(shí)現(xiàn)濕試驗(yàn)自動(dòng)化,包括核酸提取、PCR-free文庫(kù)的制備和純化,將從標(biāo)本處理到結(jié)果報(bào)告的時(shí)間由24~28 h縮短至16 h,降低人工操作且減少微生物污染。
2.2 干試驗(yàn) 干試驗(yàn)是mNGS 的重要環(huán)節(jié),是對(duì)測(cè)序產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析,包括生物信息學(xué)分析及實(shí)驗(yàn)室對(duì)數(shù)據(jù)的解釋。生物信息學(xué)分析包括數(shù)據(jù)質(zhì)控、人源序列比對(duì)過(guò)濾、微生物物種檢測(cè)等流程,由數(shù)據(jù)質(zhì)控軟件(如FastQC)、比對(duì)軟件(如BWA)、物種分析軟件(如Taxonomer[17])共同完成。解讀報(bào)告時(shí),作為無(wú)菌標(biāo)本,血漿應(yīng)與正常有菌部位,如呼吸道、開(kāi)放性傷口等進(jìn)行區(qū)分。但也需排除臨床采樣污染、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境背景微生物等對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。
近30年來(lái),血漿cfDNA逐漸成為臨床檢測(cè)中不可缺少的生物標(biāo)志物,常用于產(chǎn)前篩查、移植和腫瘤個(gè)體化治療等。隨著對(duì)mcfDNA的認(rèn)識(shí)加深,血漿mcfDNA mNGS 在感染性疾病檢測(cè)中取得快速進(jìn)展,臨床主要應(yīng)用于血流感染、常見(jiàn)呼吸系統(tǒng)細(xì)菌性感染以及侵襲性真菌感染等。
3.1 血流感染 血流感染易導(dǎo)致膿毒癥甚至感染性休克。2016年,Grumaz等[18]報(bào)告了一個(gè)完整的mNGS 診斷流程,從采樣到結(jié)果報(bào)告的30 h內(nèi),從血漿標(biāo)本中識(shí)別出導(dǎo)致膿毒癥的病原體。該研究還顯示,膿毒癥患者與健康志愿者相比,血漿mcfDNA濃度顯著升高(9.82% vs 3.50%)。本實(shí)驗(yàn)室及其他團(tuán)隊(duì)研究表明,與傳統(tǒng)培養(yǎng)方法相比,mcfDNA mNGS顯著提高了膿毒癥標(biāo)本的病原體檢出率(約提高20%~30%)(表2),為制定合理的抗生素治療方案和揭示膿毒癥患者的病原體譜提供有用的信息[19-22]。2019 年,Blauwkamp等[11]提出了第一個(gè)商業(yè)化的定量血漿mNGS 試驗(yàn)(Karius試驗(yàn)),以每微升血漿中mcfDNA分子數(shù)作為檢測(cè)信號(hào)值,可準(zhǔn)確評(píng)估不同基因組大小的病原體豐度,從而識(shí)別和量化血漿中1 250個(gè)臨床相關(guān)細(xì)菌、DNA 病毒、真菌和寄生蟲(chóng)來(lái)源的mcfDNA。同時(shí),通過(guò)檢測(cè)350 例疑似膿毒癥患者的血漿標(biāo)本,發(fā)現(xiàn)mNGS診斷膿毒癥的敏感性為92.9%,特異性為62.7%;更有價(jià)值的是,對(duì)于2 周內(nèi)接受過(guò)抗菌治療的患者,mNGS 的病原體檢出率明顯優(yōu)于血培養(yǎng)(47.9%vs 19.6%)。文獻(xiàn)報(bào)道,在血流感染發(fā)生前3天,通過(guò)mNGS檢測(cè)血漿中mcfDNA來(lái)預(yù)測(cè)兒科癌癥患者血流感染發(fā)生的預(yù)測(cè)敏感性為75%(高于其預(yù)先定義的50%的有利值),特異性超過(guò)80%,顯示mNGS 或可更好地輔助臨床醫(yī)生對(duì)血流感染發(fā)病時(shí)間作出預(yù)測(cè)[23]。但該研究未能覆蓋到所有免疫低下人群,方法應(yīng)用價(jià)值需要進(jìn)一步探索。
表2 血漿微生物游離DNA宏基因組下一代測(cè)序與初始血培養(yǎng)的性能比較
3.2 呼吸系統(tǒng)細(xì)菌感染 為了鑒定呼吸道病原體,通常進(jìn)行細(xì)菌培養(yǎng)、PCR和抗原檢測(cè),但只能鑒定某一類目標(biāo)微生物。Farnaes等[24]利用血漿mcfDNA 診斷社區(qū)獲得性肺炎的敏感性達(dá)到86%(13/15),且47%(7/15)的兒童在抗生素管理方面發(fā)生了變化,而使用標(biāo)準(zhǔn)培養(yǎng)和PCR 方法識(shí)別出病原體的比例為47%。對(duì)于疑似肺部感染患者,Chen等[25]建議同時(shí)送檢BALF和血液標(biāo)本,mNGS 檢測(cè)發(fā)現(xiàn)BALF 與早期血漿中的病原體高度一致,提示重癥肺炎患者的病原體可能從肺部播散到血流,即血液中的病原體可能部分預(yù)測(cè)了肺部存在感染。與血漿相比,BALF 標(biāo)本人源背景較高,導(dǎo)致微生物讀數(shù)減少,從而降低了mNGS 的靈敏度[13]。為了對(duì)結(jié)核病進(jìn)行早期診斷,可通過(guò)檢測(cè)血液中的mcfDNA來(lái)確定感染的存在[26]。即使沒(méi)有分枝桿菌血癥,痰涂片陽(yáng)性結(jié)核病患者的血漿中也可以檢測(cè)到結(jié)核分枝桿菌復(fù)合群DNA[27]。Nomura等[28]發(fā)現(xiàn)對(duì)有心臟病手術(shù)史且存在分枝桿菌感染的患者進(jìn)行血漿mNGS,可在標(biāo)本采集后的第4天(中位數(shù))檢測(cè)到分枝桿菌,比標(biāo)準(zhǔn)的抗酸桿菌培養(yǎng)快1 個(gè)多月;并且發(fā)現(xiàn)即使患者存在抗生素暴露,也可以從血漿中檢測(cè)到病原體cfDNA,表明mcfDNA可能是結(jié)核病檢測(cè)和治療監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)有價(jià)值的生物標(biāo)志物。
3.3 侵襲性真菌感染(invasive fungal infection,IFI) 2018年,Hong等[29]首次報(bào)道使用血漿mNGS 檢測(cè)到IFI 患者感染的病原體核酸,其確診依據(jù)為穿刺液或組織真菌培養(yǎng)或靶向測(cè)序。運(yùn)用血漿mNGS,還在一名患有播散性疾病的肺炎患者中發(fā)現(xiàn)了侵襲性真菌病原體——組織胞漿菌[30],并在一名62歲患有移植物抗宿主病的造血干細(xì)胞移植(hematopoietic stem cell transplantation,HSCT)受者中檢測(cè)到2種引起侵襲性疾病的真菌(小克銀漢霉和Aspergillus lentulus),即混合感染[31]。Zhang 等[32]研究表明,與涂片及β-D-葡聚糖試驗(yàn)等常規(guī)方法相比,mNGS對(duì)肺孢子菌肺炎的檢出率較好,并在血液、組織、BALF 和痰液中均檢出肺孢子菌,檢出病例中有3例為血漿mNGS 檢出的不耐受支氣管鏡檢查或拒絕侵入性手術(shù)的患者。本實(shí)驗(yàn)室對(duì)一名67歲重癥肺炎患者連續(xù)2次進(jìn)行血漿mNGS送檢,均檢出肺孢子菌,且隨著病情進(jìn)展,檢出序列數(shù)逐漸增多且血清G 試驗(yàn)陽(yáng)性。這與Zhang等[32]的報(bào)告一致,可能是由于患者免疫系統(tǒng)受損,導(dǎo)致肺孢子菌的核酸片段穿透局部感染部位而進(jìn)入外周血。2019年歐洲癌癥研究和治療組織/侵襲性真菌感染協(xié)作組(European Organization for Research and Treatment of Cancer/Mycoses Study Group,EORTC/MSG)侵襲性真菌感染指南更新中指出,在痰液、BALF 等真菌易定植部位的標(biāo)本中檢出肺孢子菌和隱球菌核酸不可作為確診指標(biāo)[33]。血液中抗原、抗體和游離核酸的檢測(cè)為不能體外培養(yǎng)的真菌感染的檢測(cè)提供有力的支持依據(jù)。Armstrong等[34]報(bào)道m(xù)NGS能成功檢測(cè)出兒科腫瘤、血液病和HSCT患者中的侵襲性真菌病原體,與從肺組織、胰腺假性囊腫液和頭皮傷口中培養(yǎng)分離出的真菌相關(guān),證明了血漿mNGS 能夠從各種部位感染中檢測(cè)出種水平的真菌病原體。
4.1 分析前 合格的血漿標(biāo)本是mcfDNA mNGS 成功的關(guān)鍵。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)制定合理的標(biāo)本接收和拒收標(biāo)準(zhǔn),若不滿足接收標(biāo)準(zhǔn)但又不能對(duì)患者重新采樣,可與臨床有效溝通后實(shí)施讓步mcfDNA mNGS。且mNGS 操作復(fù)雜,需要培養(yǎng)訓(xùn)練有素的實(shí)驗(yàn)室人員,在處理標(biāo)本時(shí)避免錯(cuò)誤和交叉污染。在Karius商品化試驗(yàn)中,標(biāo)本需要滿足以下標(biāo)準(zhǔn):(1)使用EDTA-K2抗凝;(2)血漿量不少于1.2 mL;(3)必須在采血后96 h內(nèi)分離血漿;(4)應(yīng)將新鮮(在抽血后4 d內(nèi))或冷凍的標(biāo)本送往實(shí)驗(yàn)室[11]。由于血漿標(biāo)本中mcfDNA的水平通常是微量的,人源DNA容易降低mcfDNA的檢測(cè)靈敏度(導(dǎo)致假陰性),而外源微生物DNA 污染將增加結(jié)果解釋的復(fù)雜性(導(dǎo)致假陽(yáng)性),因此,可通過(guò)一系列方法減少DNA污染。例如,在取樣和處理標(biāo)本過(guò)程中,醫(yī)務(wù)人員應(yīng)該穿上防護(hù)服和保護(hù)設(shè)備(實(shí)驗(yàn)室外套、口罩和一次性手套)覆蓋所有暴露的皮膚,以減少污染物進(jìn)入標(biāo)本[35]。實(shí)驗(yàn)流程如耗材和試劑的制備、血漿分離和分樣等,需盡可能在干凈、隔離的工作環(huán)境中完成。此外,陰性對(duì)照(如取樣空白對(duì)照)、試劑評(píng)估是監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室和標(biāo)本交叉污染的重要方法[15]。
4.2 分析中 提取試劑決定了回收cfDNA的質(zhì)量。一項(xiàng)商業(yè)化cfDNA提取試劑盒評(píng)估試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),提取柱法得到的游離核酸片段大小分布與原始添加的較為一致且總回收率更高,而磁珠法比提取柱法成本更低、流程更簡(jiǎn)單[36]。研究發(fā)現(xiàn),膿毒癥患者血漿中mcfDNA 在150~200 bp 處有一個(gè)主峰,且比人類cfDNA更碎片化[8]?;诖?,Burnham 等[7]開(kāi)發(fā)了用于cfDNA 測(cè)序的單鏈DNA(ssDNA)文庫(kù)制備方法,其被證明在回收血漿中細(xì)菌和病毒的短片段cfDNA方面比雙鏈DNA(dsDNA)文庫(kù)制備方法更靈敏。除了提取試劑盒,全流程中各種試劑的選擇都應(yīng)考慮生產(chǎn)過(guò)程中的工程菌和環(huán)境污染微生物的核酸殘留及其對(duì)檢測(cè)的影響。
濕實(shí)驗(yàn)部分操作時(shí)間長(zhǎng),存在重復(fù)的移液操作,為減輕工作人員壓力,可將工作流程分成多個(gè)獨(dú)立的步驟,通過(guò)人員輪換來(lái)執(zhí)行,有助于避免實(shí)驗(yàn)室錯(cuò)誤。為了確保mNGS分析的質(zhì)量和穩(wěn)定性,需要具有良好特性的參考標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)照樣本??梢蚤_(kāi)發(fā)由微生物核酸組成的混合物作為外部對(duì)照,以確定檢測(cè)限。常見(jiàn)的陰性對(duì)照為不含任何微生物核酸的標(biāo)本,可使用經(jīng)確認(rèn)的臨床陰性標(biāo)本、商品化的人源模擬標(biāo)本或核酸提取試劑的洗脫緩沖液等。自制的質(zhì)控品均應(yīng)有詳細(xì)的制備流程及驗(yàn)證記錄,可供查詢[37]。
4.3 分析后 針對(duì)血漿mcfDNA 進(jìn)行mNGS 檢測(cè)時(shí),檢出序列可能屬于致病微生物、標(biāo)本污染、死亡微生物裂解,或是定植菌群所致的一過(guò)性菌血癥,需要從臨床的角度綜合分析。目前,mNGS 發(fā)現(xiàn)的微生物的感染依據(jù)主要有[38]:(1)覆蓋率(物種水平)明顯大于任何其他微生物或陰性對(duì)照中的覆蓋率,或嚴(yán)格比對(duì)序列數(shù)位于微生物列表的前幾位;(2)與傳統(tǒng)檢測(cè)方法結(jié)果一致;(3)在治療過(guò)程中,測(cè)序讀數(shù)或病原體載量顯著減少;(4)經(jīng)靶向抗菌藥物治療后患者病情好轉(zhuǎn)。然而,對(duì)mNGS 結(jié)果的報(bào)告在臨床上仍未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和統(tǒng)一化。為了對(duì)測(cè)序結(jié)果進(jìn)行合理和準(zhǔn)確的解釋,可參考以下方法:(1)對(duì)健康人血漿進(jìn)行測(cè)序,以建立和維護(hù)一個(gè)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù),顯示陰性人群中微生物cfDNA 的類型和數(shù)量。(2)生信分析結(jié)果中疑似背景菌同樣會(huì)對(duì)病原診斷結(jié)果產(chǎn)生影響,應(yīng)該建立本實(shí)驗(yàn)室的背景微生物數(shù)據(jù)庫(kù)以控制假陽(yáng)性結(jié)果。(3)開(kāi)發(fā)統(tǒng)計(jì)模型,以提高自動(dòng)識(shí)別真實(shí)病原體的能力。Brenner 等[39]創(chuàng)建了膿毒癥指示量器(SIQ)評(píng)分,以區(qū)分信號(hào)讀數(shù)與膿毒癥患者血液標(biāo)本中的污染物或共生物種引起的干擾。(4)在向臨床報(bào)告最終陽(yáng)性結(jié)果之前,應(yīng)考慮其他方法(如培養(yǎng)、血清學(xué)檢測(cè)、組織病理學(xué)、ddPCR、Sanger測(cè)序等)來(lái)交叉驗(yàn)證病原體或感染的存在。有文獻(xiàn)認(rèn)為,現(xiàn)有的血漿cfDNA 測(cè)序技術(shù)仍需提高靈敏度,因此不能作為獨(dú)立或排除試驗(yàn)使用,需結(jié)合臨床證據(jù)及常規(guī)培養(yǎng)手段[40]。(5)有必要建立一個(gè)多學(xué)科的團(tuán)隊(duì)來(lái)評(píng)估檢測(cè)結(jié)果的臨床意義或?qū)?shí)驗(yàn)室人員進(jìn)行生物信息學(xué)和生物學(xué)方面的綜合培訓(xùn)[13]。此外,mcfDNA mNGS無(wú)法鑒定與人類感染相關(guān)的RNA病毒,包括丙型肝炎病毒、人類免疫缺陷病毒、鼻病毒、呼吸道合胞病毒、冠狀病毒、諾如病毒等。為了鑒定以上RNA病毒,常見(jiàn)的替代方法包括血清學(xué)測(cè)試、qPCR、RNA-seq以及非靶向的mNGS RNA檢測(cè)技術(shù)。
綜上所述,在一個(gè)新病原體不斷出現(xiàn)的時(shí)代,除了用改進(jìn)的技術(shù)提高檢測(cè)效率外,不應(yīng)盲目期待單一技術(shù)的完美結(jié)果。盡管血漿mcfDNA mNGS 在臨床檢測(cè)技術(shù)上仍有諸多挑戰(zhàn),但其在疾病的預(yù)測(cè)、診斷、預(yù)后等方面均取得了較好的結(jié)果,改變了既往感染性疾病的診斷模式。相信在不久的未來(lái),越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)室可以進(jìn)行本地化的血漿mcfDNA mNGS,有機(jī)結(jié)合流行病學(xué)、臨床表現(xiàn)、影像學(xué)和其他生物標(biāo)志物等參數(shù),改善患者診療、預(yù)后和抗菌藥物管理。