mNGS技术革新感染诊断
从病原检测到耐药机制解析的学术进展与临床转化
引言
宏基因组二代测序技术（Metagenomic next generation sequencing，mNGS）不依赖传统的微生物培养，直接对临床样本中的总核酸进行高通量测序，与数据库进行比对分析，根据比对到的序列信息来判断样本包含的病原。最终病原需要临床医生结合检验检查做出综合判断。mNGS可针对血液、痰液、肺泡灌洗液、脑脊液及腹水等进行检测。有研究证实，mNGS技术在呼吸道、泌尿系统、消化道感染中病原体检出率均高于常规检测。此外，mNGS还可检测少见及新型病原微生物，并对弓形虫、隐球菌等临床检出率低的病原微生物具有更高灵敏度，在交叉耐药突变的病原体检出上也可提供一定实验支撑。总之，mNGS已在临床广泛被应用，具有较好的研究前景。
1.mNGS技术的突破
随着2023年《高通量宏基因组测序技术检测病原微生物的临床应用规范化专家共识》的发布和2023版《血液病患者mNGS应用专家共识》的更新，mNGS技术已从科研工具发展为临床感染诊断的核心手段。中华医学会检验医学分会发布的最新共识明确了mNGS临床应用的基本要求：从适应症选择、标本采集规范到报告解读原则均形成系统规范。多项临床研究证实了mNGS在各类感染中的诊断价值。另外，mNGS技术通过整合全基因组溯源、表观遗传分析和多组学关联，正在构建从基因到生态的多层次病原防控体系。
2.mNGS的临床应用
诊断感染性疾病
mNGS通过对病原体基因组的识别与分析，已成为感染性疾病诊断的重要工具。例如，在神经系统感染诊断中，mNGS因其广泛的病原体谱覆盖和无菌脑脊液（CSF）样本的优势而率先应用。其诊断灵敏度为73%～92%，特异度达96%～99%。mNGS通过检测血液中的微生物细胞游离DNA，不仅能诊断血流感染，还能用于难以取样或深部感染（如心内膜炎、侵袭性真菌感染）的检测，显著扩展了其应用范围。
发现未知病原体
凭借广泛的病原体覆盖和未知病原发现能力，mNGS成为新发传染病的关键工具。例如，2019年12月武汉暴发不明原因肺炎后，mNGS测序仅需5日便完成了新型冠状病毒的基因组解析，远快于2003年SARS（耗时5个月）和2013年H7N9（耗时1个月）的鉴定速度。宏基因组Nanopore测序技术已成功应用于埃博拉、寨卡及新型冠状病毒等新发病原体的实时基因组分析，助力流行病学监测和变异追踪。
检测耐药基因
mNGS不仅能鉴定病原微生物种类，还可通过分析其基因组信息解析耐药基因。临床实践中，为快速从复杂样本中获取耐药信息，通常绕过从头组装步骤，而直接使用Bowtie2或BWA等工具将reads比对至耐药基因数据库，或将reads分解为k-mers后进行比对。mNGS检测耐药基因的性能受多重因素影响，如病原体种类、抗生素类型及测序类型（DNA/RNA）等。其预测下呼吸道感染患者耐药基因的准确度为78%～87%；值得注意的是，结合CRISPR/Cas9靶向富集策略，可使低丰度耐药基因的检测灵敏度提升高达2500倍。
3.分析宿主转录组
通过mNGS可以检测分析宿主或微生物有转录活性的mRNA，进而研究宿主针对不同的病原体或者在不同的感染状态下免疫响应具有何种特征。最新的mNGS研究结合微生物物种鉴定和宿主转录组信息建立机器分类模型，进一步提高了mNGS诊断感染性疾病的性能。充分挖掘单一mNGS检测获得的病原体、微生物组和宿主转录组信息以提高mNGS诊断感染性疾病的准确性是重要的发展方向。
参考文献：
Chen H, Zhan M, Liu S, Balloux F, Wang H. Unraveling the potential of metagenomic next-generation sequencing in infectious disease diagnosis: Challenges and prospects. Sci Bull (Beijing). 2024, 69(11): 1586-1589.
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火眼工程凭借全球领先的测序技术和超大规模生物信息数据库，隆重推出“全景式感染科研服务体系”，为您的临床研究提供从病原检测到机制解析的全方位一站式解决方案！我们支持外送检测模式和医疗机构本地化部署两种服务模式，涵盖多种前沿技术方案，并提供深度临床科研支持，助力您的研究高效推进。
方案一：外送服务模式
基于宏基因组学技术，提取感染标本中全部微生物的核酸经过不同的样本前处理，通用高通量测序平台进行测序，下机数据通过火眼智能微生物鉴定分析系统（MIE）的专用高质量临床数据库比对和智能化算法分析，获得疑似致病微生物的种属信息，无偏性的检测细菌、真菌、病毒、寄生虫等66,274种病原体及耐药和毒力基因，显著提高病原诊断阳性率，指导临床靶向使用抗生素，协助感染的精准诊疗。
产品特点：
超广谱覆盖：全面覆盖66,274种病原体以及代表性耐药和毒力基因检测；
高数据量：平均40M reads的高数据量，大大提升病原检测敏感度；
极速交付：湿实验24小时+生信分析30分钟（危急样本加急通道）。
分析报告为html网页格式展示，以及鉴定物种列表，包含物种reads条数和丰度，及物种分类占比。
方案二：本地化模式
得到通用高通量测序下机数据后序列，可通过本地化的火眼智能微生物鉴定分析系统（MIE），对操作者无生信分析基础要求，能对检测分析结果归集、存储、统计、分析、数据挖掘、组学分析、可视化展示。
火眼智能微生物鉴定分析系统是一款基于B/S架构实现基因测序、物种鉴定和分析的软件。采用专业数据分析技术、源数据的管理存储、分析过程实时监控的方式，实现对微生物下机数据进行微生物鉴定分析、基因组组装、耐药基因分析、毒力因子分析、进化分析以及肠道微生物分析。支持从原始数据到临床决策的全链条服务。包含物种鉴定66274种，耐药抗生素耐药生物ARO 2270类，毒力因子3659个。
操作流程：
系统首页概况：
病原微生物报告系统：
病原大数据归集系统：
基因组耐药毒力分析：
肠道微生物菌群分析：
方案三：临床科研深度服务
1. 病原基因组分析
火眼工程基于超广覆盖病原基因组数据库，通过毒力因子全景扫描解析免疫逃逸机制；运用AI驱动的变异追踪实时预测抗原表位漂移与耐药突变；结合贝叶斯系统发育分析重构进化路径，精准定位跨种传播关键突变；依托溯源技术与地理信息系统重建传播链；构建R值预警模型动态监测流行趋势，为疫苗设计、药物研发及公共卫生决策提供分子级情报支撑。
2.微生物组分析
基于高通量测序数据，开微生物差异分析、alpha/beta多样性分析、功能富集分析，揭示微生物代谢通路扰动机制。深度关联临床表型数据，构建菌群-宿主互作网络，为疾病分型、疗效评估及干预靶点发现提供数据引擎。
3. 标志物筛选与模型构建
基于机器学习驱动标志物筛选（随机森林/SVM/XGBoost），开展多模态模型构建（整合mNGS、代谢物、影像特征），进行独立队列验证。
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