㊃论 著㊃
宏基因二代测序技术对感染性疾病患者的
诊断价值及其临床应用
谢栓栓1 李譞1 李萍1 彭爱梅1 李晓峰2 李微3 王昌惠1
1
同济大学附属第十人民医院呼吸与危重症医学科,上海200072;2同济大学附属第十人民医院急诊科,上海200072;3同济大学附属第十人民医院老年科,上海
200072
通信作者:王昌惠,E m a i l  w a n g -c h a n g
-h u i @h o t m a i l  c o m  ʌ摘要ɔ 目的 利用宏基因二代测序(m N G S )技术,检测其和传统培养法的区别,探讨病原微生物及检出序列数与感染患者病情程度和预后的相关性㊂方法 选取2018年5月至2019
年9月在上海市第十人民医院就诊的94例患者样本㊂分别进行传统培养和m N G S 检测,对2种技术的诊
断效果㊁假阳性率㊁假阴性率进行了分析㊂然后收集感染组75例患者的血液标本和临床信息,根据m N G S 是否检出病原体将患者分为检出组(51例)和未检出组(24例)㊂测定外周血白细胞㊁C 反应蛋白㊁降钙素原和中性粒细胞计数,用酶联免疫吸附试验法测定血清中细胞因子的浓度㊂分析患者病原体检出率与病情严重程度㊁住院时间等相关性分析㊂结果 纳入
的94例样本中,感染组75例(79 79%),非感染组16例(17 02%),未知组3例(3 19%)㊂样本类型中血液占比最多(34/94),其次为肺泡灌洗液(28/94)㊁组织㊁痰液㊁胸水㊁脓液等㊂下呼吸道感染所占比例最高(60/94),其次是血流感染㊁胸水㊁中枢系统感染㊁心血管系统感染等㊂m N G S 的敏感度显著高于培养法(χ2=-223 107,P <0 05)㊂m N G S 的特异度与培养法差异无统计学意义(χ2=3 840,P =0
05)㊂感染未检出组患者住院时间也明显高于检出组(t =4 724,P <0 05)㊂单因素分析发现检出组患者外周血白细胞计数㊁中性粒细胞计数㊁C 反应蛋白㊁降钙素原显著高于未检出组(t 值分别为-8 848㊁-4 724㊁-4 335㊁-4 335,P 值均<0 05);检出组中肿瘤坏死因子α㊁白细胞介素2R ㊁白细胞介素8水平均高于未检出组(t
值分别为-5 585㊁-7 258㊁-4 678,P 值均<0 05)㊂l o g i s t i c 多因素回归分析去除混杂因素后,显示性别㊁年龄㊁白细胞介素2R 与病原体检出阳性有关㊂结论 m N G S 在结核㊁真菌㊁病毒和厌氧菌诊断方面优势更明显,其阳性率高于传统方法3倍以上㊂感染患者的病原体检出率较高,其检出病原体核酸序列是患者预后不良的高危因素,有显著的临床价值㊂
ʌ关键词ɔ 二代基因测序;感染;敏感性;诊断基金项目:国家自然科学基金(81802262
)D O I  10 3760 c m a  j
c n 131368-20191003-01366D i a g n o s t i cv a l u ea n dc l i n i c a la p p l i c a t i o no f m e t a g e n o m i cn e x t -g e n e r a t i o ns e q u e n c i n g t e c h n o l o g y i n i n f e c t e
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X i eS h u a n s h u a n 1 L iX u a n 1 L iP i n g 1 P e n g A i m e i 1 L iX i a o f e n g 2 L iW e i 3 W a n g C h a n g h u i 11
D e p a r t m e n t o f R e s p i r a t o r y a n dC r i t i c a lC a r e M e d i c i n e  S h a n g h a iT e n t hP e o p l e 's H o s p i t a l o f
T o n g j i U n i v e r s i t y  S h a n g h a i 200072 C h i n a  2D e p a r t m e n t o f E m e r g e n c y  S h a n g h a i T e n t h P e o p l e 's H o s p i t a lo f T o n g j iU n i v e r s i t y  S h a n g h a i200072 C h i n a  3D e p a r t m e n to f G
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reactive阳性是什么
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018t o ㊃
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020,V o l .40,N o .9Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
S e p t e m b e r2019w e r ee n r o l l e d T h ed i a g n o s t i cr e s u l t s f a l s e p o s i t i v er a t e f a l s en e g a t i v er a t eo f t r a d i t i o n a l c u l t u r e a n dm N G S t e s t sw e r e a n a l y z e d T h e n t h eb l o o d s a m p l e s a n dc l i n i c a l i n f o r m a t i o n o f75p a t i e n t si n t h ei n f e c t e d g r o u p w e r e c o l l e c t e d A c c o r d i n g t o w h e t h e r m N G S d e t e c t e d p a t h o g e n s t h e p a t i e n t s w e r ed i v i d e di n t od e t e c t i o n g r o u p 51c a s e s a n du n d e t e c t e d g r o u p 24 c a s e s P e r i p h e r a lw h i t eb l o o dc e l l s C-r e a c t i v e p r o t e i n p r o c a l c i t o n i na n dn e u t r o p h i lc o u n t s w e r e m e a s u r e d a n dt h ec o n c e n t r a t i o n o fc y t o k i n e si nt h es e r u m w a s d e t e r m i n e d b y e n z y m el i n k e d i mm u n o s o r b e n t a s s a y T h e c
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r e s i g n i f i c a n t l y h i g h e r t h a n t h o s e i n t h eu n d e t e c t e d g r o u p t= -5585-7258-4678a l l P<005T h e m u l t i v a r i a t e l o g i s t i ca n a l y s i ss h o w e dt h a t g e n d e r a g e i n t e r l e u k i n-2R w e r e r e l a t e dw i t h p o s i t i v e d e t e c t i o no f p a t h o g e n s C o n c l u s i o n s m N G Sh a sm o r e o b v i o u s a d v a n t a g e s i nt h ed i a g n o s i so ft u b e r c u l o s i s f u n g i v i r u s e sa n da n a e r o b i cb a c t e r i a a n di t s p o s i t i v e r a t e i s m o r et h a nt h r e et i m e sh i g h e rt h a nt h et r a d i t i o n a lm e t h o d T h ed e t e c t i o nr a t eo f p a t h o g e n s i n i n f e c t e d p a t i e n t s i s h i g h a n d t h e d e t e c t i o n o f p a t h o g e nn u c l e i c a c i d s e q u e n c e s i s a h i g h-r i s k f a c t o r f o r p o o r p r o g n o s i s o f p a t i e n t s a n dh a s s i g n i f i c a n t c l i n i c a l v a l u e
ʌK e y w o r d sɔ N e x t-g e n e r a t i o n s e q u e n c i n g I n f e c t i o n S e n s i t i v i t y D i a g n o s t i c
F u n d p r o g r a m N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a81802262
D O I103760c m a j c n131368-20191003-01366
众所周知,感染性疾病的发病率和病死率居高不下[1]㊂一旦出现感染性疾病,将会以较快的速度进行传染,影响人们的身体健康[2]㊂
微生物实验室作为病原体检测的一线科室,通过显微镜检查药敏等方法,在感染性疾病的控制中发挥着重要作用[3]㊂而传统分子诊断和基因分型方法提供的信息有限,仍有高达60%的病例未检测到病原体[4-6]㊂无法获得明确病原体和及时诊断可能会延迟抗菌的精确,从而导致不必要地使用广谱抗生素,诱导病原体抗药性并增加医疗费用[7]㊂21世纪初人类基因组计划完成,测序技术发展迅猛,高通量㊁低成本的二代测序技术即高通量测序(n e x t-g e n e r a t i o ns e q u e n c i n g,N G S)技术应运而生,该技术运用于全基因组测序㊁全外显子组测序㊁宏基因测序等㊂其中宏基因组二代测序(m e t a g e n o m i c n e x t-g e n e r a t i o n s e q u e n c i n g,m N G S)技术的研究最为广泛㊂其优势在于单次运行获取微生物核酸片段的序列信息,经过生物信息分析与比对,检测出所有微生物的种类及序列数量的方法[8]㊂m N G S不依赖培养,可检出无法培养或难以培养的病原体,无偏向性地检索所有D N A,可
用于所有病原体的鉴定和分型[9]㊂因此,该技术可在医学微生物实验室和感染预防措施中发挥巨大作用[2]㊂
本研究基于微生物组测序技术,对比m N G S 方法与传统培养法检测病原体的敏感度和特异度,并探讨m N G S检出对感染患者病情程度和预后的影响㊂
1对象与方法
11研究对象收集2018年5月至2019年9月于同济大学附属第十人民医院呼吸与危重症医学科㊁老年科㊁
急诊I C U和急诊科住院的94例患者
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的标本和临床资料,同时收集所有入组患者血常规㊁C反应蛋白㊁降钙素原㊁中性粒细胞计数㊁细胞因子等检查的资料㊂根据m N G S结果将所有患者分为检出组(病原体检出序列数ȡ1)和未检出组㊂本研究的排除标准为:孕妇㊁精神病患者;未满18周岁的患者㊂此研究已获得同济大学附属第十人民医院医院伦理委员会批准(S H S Y-I E C-41/20-21/01)㊂
12病原微生物组二代基因测序本实验采用基于国产B G I S E Q-50平台进行检测㊂取样本后,提取核酸,建库及测序,最后利用微生物组学数据库进行数据分析㊂
121样本采集及采集原则对于感染患者或有不明原因发热患者,采集感染部位样本进行m N G S检测㊂样本处理:由于采集到的样本本身大多含有致病性病原菌,在核酸提取前往往需要对样本进行灭活处理㊂除此之外,痰液样本在灭活后需要进行去黏度处理,血液样本根据实际情况决定是否需要离心进行血浆㊁白细胞分离㊂提取核酸:核酸质量是m N G S检测成功的关键因素㊂文库制备及上机测序㊂3'末端多聚A尾(p o l y-A)及对照品:每次实验都应包括p o l y-A内参㊁阴性和阳性对照㊂p o l y-A可以帮助识别分析失败或异常的样本,达到质控作用㊂
122质量控制有效测序数据量不低于20M: (1)需去人源序列(90%以上)㊂(2)微生物序列同源性较高,所以对于检出序列数读长要求50b p 以上,考虑到人源基因组的干扰及检测的敏感度,在没有进行去除人源化基因组成分的前提下,建议有效测序数据量不低于20M㊂
123数据过滤质控合格的数据,需要通过生物信息学分析方法进一步过滤,去除低质量的序列,以获得高质量的序列数据㊂高质量的序列再进行人源宿主序列去除,目前普遍参考的宿主序列库主要为人类基因组参考序列㊂不同的比对方法根据不同的比对策略设计了不同的算法,实验室应当选取合适的比对软件建立完善的实验室比对流程㊂124序列比对经过上述过滤后的序列与病原数据库中的参考序列进行比对,病原数据库涵盖细菌㊁真菌㊁病毒㊁原虫等多种病原微生物㊂比对成功的序列需要进一步去除高覆盖重复序列㊁低质量比对序列,并尽可能排除多比对等情况,得到最终病原比对结果㊂针对最终病原比对结果,计算所有检出病原的参数,包括比对序列数㊁相对丰度㊁基因组覆盖度和深度等㊂125报告生成报告生成过程中会参考疑似背景微生物库及阴性对照检测结果,并结合所提供的临床信息,最终给出检测报告㊂
13细胞因子的检测方法细胞因子的测定:采用I MMU L I T E/I MMU L I E1000分析仪,采用固相㊁夹心以及化学发光法对血清中细胞因子(肿瘤坏死因子α㊁I L-2R㊁I L-6㊁I L-8㊁I L-10)进行检测㊂化学发光法试剂盒来自德国S I E M E N S公司㊂按照厂家说明书的操作流程将处理后的标本送入分析仪进行检测,并记录相应的细胞因子浓度㊂14统计学分析采用S P S S250和G r a p h p a d p r i s m7统计软件进
行数据处理和分析㊂正态分布的数据以x-ʃs表示,率的比较采用χ2检验;呈非正态分布的数据则以四分位数或中位数进行表示,并进行秩和检验㊂l o g i s t i c回归分析探讨与病原体检测阳性相关的危险因素㊂P<005为差异有统计学意义㊂
2结果
21样本的收集纳入的94例的样本类型中血液最多(34/94),其次为肺泡灌洗液(28/94),组织(12/94),脑脊液(3/94),痰液(6/94),胸水(7/94),脓液(1/94),骨髓(1/94)等㊂下呼吸道感染所占比例最高(60/94),其次是血流感染(10/94),胸水(6/94),中枢系统感染(5/94),心血管系统感染(2/94),眼睛㊁口腔㊁咽喉等感染(2/94),皮肤黏膜感染(1/94)等㊂
22 m N G S检测和培养方法的诊断性比较为了比较培养方法和m N G S的诊断阳性率,本研究纳入94例样本,分为感染组(75例,7979%)㊁非感染组(16例,1702%)和未知组(3例, 319%)㊂结果显示:m N G S诊断组病原体的阴性预测值和阳性预测值分别为3056%和9123%,培养组诊断病原体的阴性预测值和阳性预测值分别为1884%和8750%㊂此外,m N G S的敏感度为6753%,显著高于培养法(2723%)(χ2= -223107,P<005)㊂m N G S的特异度为6875%,低于培养法(8125%),但差异无统计学意义(χ2=3840,P=005)㊂见表1㊂
表1 m N G S检测和培养方法的诊断性比较组别例数
阴性预测
值(%)
阳性预测
值(%)
敏感度
(%)特异度
(%) m N G S组943056912367536875培养组941884875027238125χ2值38400773-2231073840 P值0013603790001005
注:m N G S为宏基因组二代测序
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2 3 入组患者的一般资料 研究共入组75例感染患者,男63例,女12例,平均年龄56 2岁㊂75例患者(79 79%)检出病原体,检出病原体的为序列数为5295 62ʃ2507 26,真菌检出率为
9 62%,细菌检出率为59 49%,厌氧菌检出率为9 10%,支原体检出率为3 64%,结核检出率为5 45%,病毒检出率为12 70%㊂2组性别㊁年龄和14d 病死率差异均无统计学意义(P 值均>0 05)㊂但未检出组患者住院时间明显高于检出组(t =4 724,P <0 05)㊂见表2㊂表2 未检出组和检出组患者的一般资料比较
组别例数性别(例)男女年龄(岁,x -ʃs )
住院时间
(d ,x -ʃs )
14d 病死率
(%)
序列数(x -ʃs )
未检出组24204
60 50ʃ3 06150 96ʃ103 140 016 67ʃ4 79
检出组51
43
8
59 70ʃ2 16176 63ʃ17 704 5
5295 62ʃ2507 26
统计值
χ2=2 019t =0
813t =4
724χ2
=1 534t =5
585P 值
0 390
0 840
0 047
0 278
0 039
表3 未检出组和检出组患者细胞计数及炎症相关指标的比较(x -ʃs )
组别例数白细胞计数(ˑ109/L )
中性粒细胞计数(ˑ109/L )
降钙素原(g /L )C 反应蛋白(m g /L )未检出组2410 457ʃ0 15810 673ʃ0 9511 790ʃ0 33990 23ʃ1 075
检出组
51
15 957ʃ0 86515 734ʃ1 1794 175ʃ0 700125 88ʃ7 233t 值
-8 848-4 724-4 335
-4 335P 值
0 013
0 042
0 049
0 02表4 未检出组和检出组患者细胞因子的比较(n g
/L ,x -ʃs )组别例数I L -6肿瘤坏死因子αI L -2R
I L -8
I L -10
未检出组2480 89ʃ14 2812 33ʃ1 87873 82ʃ37 03
41 94ʃ12 6414 15ʃ3 11检出组
51
73 98ʃ7 099
20 42ʃ0 831603 00ʃ137 18
92 81ʃ8 75
13 95ʃ2 99
t 值
0 613-5 585-7 258-4 6781 534P 值
0 602
0 031
0 018
0 043
0 265
2 4 m N G S 和培养检测方法病原体和样本水平上的比较 m N G S 组肺泡灌洗液标本病原体检测阳性率高于全血标本阳性率㊂同样,培养方法中肺泡灌洗液标本病原体检测阳性率也高于全血标本的阳性率㊂在75例感染组患者中,克雷伯杆菌(7/75
)是最常见的病原体,其次是厌氧菌(6/75),假单胞菌(6/75),曲菌(6/75)和结核分枝杆菌
(3/75),非结核分枝杆菌(3/75),大肠埃希菌(3/75)和肠球菌属(3/75),厌氧菌(6/75)(
仅限m N G S
)等㊂2 5 检出组与未检出组细胞计数及炎症相关指标
的比较 结果显示:检出组的外周血白细胞计数㊁中性粒细胞计数㊁C 反应蛋白㊁降钙素原均高于未检出组(t 值分别为-8 848㊁-4 724㊁-4 335㊁
-
4 335,P 值均<0 05
)㊂见表3㊂2 6 检出组与未检出组细胞因子浓度的比较 结
果显示:检出组患者的外周血肿瘤坏死因子α
㊁I L -2R ㊁I L -8的浓度明显高于未检出组(t 值分别
为-5 585㊁-7 258㊁-4 678,P 值均<0 05)㊂见表4㊂
2 7 病原体检测阳性的相关因素分析 去除混杂
因素后结果显示,对检出有意义的变量分别为:性别(男)㊁年龄㊁I L -2R ㊁I L -10㊁住院时间及中性粒细胞计数㊂其中I L -10以及中性粒细胞计数对病原体的检出起到抑制作用,性别(男)㊁年龄㊁I L -2R 对病原体的检出起到促进作用㊂3 讨论
本研究系统性地比较了m N G S 和传统培养法,发现m N G S 在多个方面都具有优势㊂首先,
m N G S 在检测克雷伯杆菌(7/75)㊁厌氧菌(6/75)㊁假单胞菌(6/75)㊁曲菌(6/75)和结核
分枝杆菌(3/75)有明确优势㊂感染检出组患者住院时间明显缩短㊂感染患者病情严重程度与病原体检出
率呈正相关㊂单因素分析发现检出组患者外周血白细胞㊁中性粒细胞㊁C 反应蛋白㊁降钙素原均高于未检出组,检出组中促炎因子(肿瘤坏死因子α㊁I L -2R ㊁I L -8)水平均高于未检出组㊂
l o g
i s t i c 多因素回归分析去除混杂因素后,性别(男)㊁年龄㊁I L -2R 与病原体检出阳性有关㊂其次,由于病原体D N A 在血浆中的存活时间
446㊃国际呼吸杂志2020年5月第40卷第9期 I n t JR e s p i r ,M a y 2
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长,抗生素的使用对m N G S结果影响较小,而传统培养物受抗生素使用的影响大,检测困难㊂m N G S早期快速报告结果,可以给临床提供下一步诊断和的线索,尤其是病毒感染时,避免了抗生素的过度使用[10-11],其结果和笔者课题结果类似㊂最后,M i a o等[7]研究结果显示N G S诊断感染性疾病的敏感度和特异度分别为507%和857%,敏感度高于传统培养(352%),尤其是针对结核分枝杆菌㊁病毒㊁厌氧菌㊁诺卡菌和真菌优势明显㊂其结果和笔者课题结果类似,本研究结果显示m N G S的敏感度为6753%,显著高于培养法敏感度(2723%)㊂
m N G S检测感染病原体不需要详细的临床信息,但报告结果快速准确,极大缩短了感染病原诊断时间㊂研究显示m N G S不仅可以用于病原体鉴定,还可进一步用于耐药基因和毒力因子检测㊂m N G S报告结果快速,能够推动临床及时调整㊂但是,由于目前m N G S检测的可及性还较为局限,主要适用于疑难感染诊断[12]㊂m N G S目前仍存在一定局限性,比如人源背景㊁背景菌污染㊁无法区分感染和定植㊁生信分析流程标准化㊁报告解读问题等,需要临床充分了解其优势和局限性,以便更好地使用m N G S技术㊂如背景微生物的污染是m N G S技术面临的常见问题,可以通过阴性质控进行部分排除,但需要临床熟悉常见背景菌同时结合临床实践更好地解读结果[13]㊂
m N G S已经从科研运用进入临床实践,正在改变疾病诊断和方式㊂G u a n等[14]对4例疑似病毒性脑膜脑炎患者的脑脊液进行m N G S检测,检出2例单纯疱疹病毒1型㊁1例单纯疱疹病毒2型和1例水痘-带状疱疹病毒,4例患者的临床表现和结果均与m N G S诊断结果一致㊂Y a o 等[12]第一次应用脑脊液m N G S辅助诊断中枢神经系统单核细胞增生李斯特菌感染,脑脊液培养结果阴性㊂除此之外,m N G S在一些罕见传染病原体也有应用㊂福氏耐格里阿米巴在中国虽然少见, G u o等[15]在脑脊液m N G S检出福氏耐格里阿米巴65658条序列,询问病史发现患者1周前参加泼水节在接触了泼溅的湖水后开始发病,明确诊断后,临床快速调整方案为两性霉素B和抗阿米巴药物㊂F a n等[13]的研究中4例怀疑布鲁菌病的患者来自疫区,但无明确的布氏杆菌流行病学接触史,临床症状表现不一,脑脊液m N G S均快速检出布氏杆菌㊂再比如,好多病原体培养如脑囊虫病需要长达数年,延误患者病情,F a n等[16]使用
m N G S对4例患者的脑脊液标本进行检测,均检测到猪带绦虫㊂31岁的人类免疫缺陷病毒感染患者因 发热㊁头疼20d,意识混乱7d 入院,H u 等[17]在传统病原学检测结果均为阴性情况下,脑脊液m N G S检出刚地弓形虫序列65357条,基因组覆盖度为029%㊂肝结核是一种少见的肺外结核,在全球范围内鲜有报道㊂目前肝结核诊断线索较为缺乏,临床难以做出肝结核的诊断,m N G S 可以助力罕见肝结核诊断:患者45岁,因持续发热3周和发现肝脏肿块入院,m N G S结果回报肝组织检出结核分枝杆菌复合特异性序列数8229条,血液样本检测结果为阴性,抗结核恢复明显,体温下降未再复发[18]㊂此外,m N G S还可以协助明确诊断儿童裂头蚴病[19]㊂m N G S也可协助诊断非结核分枝杆菌㊁病毒㊁非人类免疫缺陷病毒患者马尔尼菲篮状菌感染和免疫缺陷患者卡氏肺孢子虫肺炎感染等[20-25]㊂
综上所述,目前m N G S的潜在临床运用包括病原体诊断㊁微生态分析㊁转录组分析和肿瘤诊断,在病原体诊断方面取得的进展最为显著㊂目前m N G S的临床运用还面临着提高结果可信度㊁操作标准化和实用化等挑战㊂
利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突
参考文献
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