DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1458316
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39619659
تاريخ النشر: 2024-11-15
المؤلف: Yu Zhao وآخرون
الموضوع الرئيسي: تحديد البكتيريا واختبار الحساسية
نظرة عامة
تسلسل الجيل التالي الميتاجينومي (mNGS) يحدث ثورة في تشخيص الأمراض المعدية من خلال تمكين الكشف غير المتحيز عن وتوصيف الجينومات الميكروبية مباشرة من العينات السريرية. تستعرض هذه المراجعة المبادئ الأساسية، وسير العمل في التسلسل، والمنصات المرتبطة بـ mNGS، مع التأكيد على منهجية التسلسل العشوائي التي تسمح بالتعرف المتزامن على البكتيريا والفيروسات والفطريات والطفيليات دون معرفة مسبقة بالعامل المسبب للعدوى. من الجدير بالذكر أن mNGS يتفوق في التعرف على مسببات الأمراض النادرة أو الجديدة أو التي لا يمكن زراعتها، مما يوفر فهماً أكثر شمولاً للمجتمعات الميكروبية مقارنةً بالطرق التقليدية المعتمدة على الزراعة.
على الرغم من مزاياها، تواجه mNGS تحديات مثل تحليل البيانات المعقد، والتكاليف العالية، وضرورة تحسين بروتوكولات إعداد العينات. تسلط المراجعة الضوء على الفائدة السريرية لـ mNGS في تشخيص مختلف العدوى الجهازية، بما في ذلك عدوى الجهاز التنفسي، وعدوى مجرى الدم، والعدوى في الجهاز العصبي المركزي، والعدوى المعوية. من خلال تسهيل التعرف السريع على مسببات الأمراض وتوصيف الجينوم، تعزز mNGS التدخلات العلاجية في الوقت المناسب وتحسن نتائج المرضى. مستقبل mNGS في تشخيص الأمراض المعدية واعد، مع التقدم المتوقع في المعلوماتية الحيوية وتقنيات التسلسل التي تهدف إلى تبسيط تحليل البيانات، وزيادة الحساسية والخصوصية، وتقليل أوقات الاستجابة. من المتوقع أن يعزز التكامل مع أنظمة دعم اتخاذ القرار السريري تطبيقها في الممارسة السريرية الروتينية، مما يرسخ mNGS كأداة حاسمة في الطب الحديث للكشف الدقيق والشامل عن مسببات الأمراض.
مقدمة
تشكل الأمراض المعدية، التي تسببها الكائنات الدقيقة المسببة للأمراض، تهديداً كبيراً للصحة العامة العالمية، مما يتطلب التعرف السريع والدقيق على مسببات الأمراض للتدخل السريري الفعال. غالباً ما تفشل الطرق التشخيصية التقليدية، خاصة في العدوى الشديدة حيث يكون الكشف في الوقت المناسب حاسماً لإدارة العلاج المضاد للميكروبات المناسب. تتعقد التحديات مثل صعوبة زراعة مسببات الأمراض الشائعة، والحاجة إلى خزعات غازية في العدوى العميقة، وتأثيرات استخدام المضادات الحيوية واسعة الطيف السابقة على التشخيص الدقيق. تشير الدراسات إلى أن عددًا كبيرًا من مسببات الأمراض غير المعروفة متورطة في العدوى الشديدة، مما يبرز قيود الاختبارات الميكروبيولوجية التقليدية (Smiley Evans et al., 2020; Singal et al., 2014; Li et al., 2018).
ظهر تسلسل الجيل التالي الميتاجينومي (mNGS) كحل واعد، قادر على الكشف عن مجموعة واسعة من مسببات الأمراض من العينات السريرية عندما تفشل الطرق التقليدية. تتيح هذه التقنية غير المستهدفة وواسعة الطيف التعرف المتزامن على جميع مسببات الأمراض المعروفة تقريبًا، مما يجعلها ذات قيمة خاصة لتشخيص العدوى التي تسببها مسببات الأمراض الحرجة أو النادرة أو الناشئة حديثًا. تهدف الورقة إلى توضيح المبادئ ومنصات التسلسل لـ mNGS، وتقييم مزاياها وقيودها، وتلخيص تطبيقاتها عبر مختلف عدوى أنظمة الأعضاء، مع التفكير أيضًا في التطورات المستقبلية في هذا المجال (Simner et al., 2018; Chiu and Miller, 2019).
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث المبادئ التقنية ومزايا تسلسل الجيل التالي الميتاجينومي (mNGS) في تشخيص الأمراض المعدية. تشمل عملية mNGS مكونات من المختبر الرطب والجاف، مما يسهل الكشف الشامل عن مسببات الأمراض دون فرض فرضيات مسبقة حول مسببات الأمراض المحتملة. تعتبر هذه الطريقة مفيدة بشكل خاص لتحديد العدوى النادرة أو غير النمطية، خاصة في المرضى الذين يعانون من ضعف المناعة، ويمكنها الكشف عن جينات مقاومة المضادات الحيوية، مما يوجه قرارات العلاج. من الجدير بالذكر أن mNGS تقدم تقليصًا كبيرًا في وقت الاستجابة مقارنةً بالطرق التقليدية للزراعة، حيث أفادت بعض الدراسات بالحصول على النتائج في غضون ست ساعات فقط.
كما يقارن القسم بين mNGS والتسلسل المستهدف للجيل التالي (tNGS)، مع تسليط الضوء على نقاط القوة والضعف لكل منهما. بينما يركز tNGS على جينات أو مسببات أمراض محددة، مما يعزز الحساسية والخصوصية، فإنه يفتقر إلى مرونة mNGS، التي يمكن أن تحدد مسببات الأمراض غير المعروفة وتحلل المجتمعات الميكروبية المعقدة. تؤكد المناقشة أن mNGS ليست بديلاً للاختبارات الميكروبيولوجية التقليدية، بل هي نهج تكميلي يعزز دقة التشخيص وفعالية العلاج في سيناريوهات العدوى المختلفة، بما في ذلك عدوى مجرى الدم والعدوى في الجهاز العصبي المركزي. بشكل عام، تمثل mNGS تقدمًا تحويليًا في مجال تشخيص الأمراض المعدية، حيث تقدم كشفًا سريعًا وشاملاً وغير متحيز لمسببات الأمراض.
القيود
تتعدد قيود تسلسل الجيل التالي الميتاجينومي (mNGS) في التطبيقات السريرية. أولاً، لا يمكن لـ mNGS التمييز بين مسببات الأمراض الحية والميتة، مما يعقد التعرف على الكائنات المستعمرة مقابل الكائنات المسببة للأمراض. تستمر هذه القيود حتى في عينات الدم، حيث تفشل في التمييز بين البكتيريا العابرة وقطع الحمض النووي الميكروبي من كريات الدم البيضاء. بينما قد يشير الكشف عن RNA إلى نشاط نسخي، فإن الحساسية المنخفضة لـ mNGS تمنع استخدامها كأداة تشخيصية خط أول. ثانيًا، توفر mNGS تقديرات تقريبية فقط للأنواع المسببة للأمراض ونسبها، مما قد يؤدي إلى نتائج سلبية كاذبة، خاصة عندما تكون مسببات الأمراض المستهدفة موجودة بكميات منخفضة بالنسبة للحمض النووي غير الميكروبي.
بالإضافة إلى ذلك، تواجه mNGS صعوبة في الكشف عن بعض البكتيريا والفطريات داخل الخلايا، والتي قد تتطلب طرق استخراج متخصصة بسبب جدرانها الخلوية السميكة. يزيد غياب بروتوكولات موحدة للتعامل مع العينات من خطر التلوث، مما يؤدي إلى نتائج غير متسقة عبر المختبرات. تعيق أطوال القراءة القصيرة نسبيًا لـ mNGS (حوالي 300 قاعدة) التوصيف الكامل لجينات مقاومة الأدوية، بينما قد توفر طرق التسلسل الأطول بيانات أكثر شمولاً. علاوة على ذلك، تظل تفسير نتائج mNGS تحديًا كبيرًا، مما يتطلب فرقًا متعددة التخصصات للتحليل الدقيق. أخيرًا، تحد التكاليف العالية المرتبطة بـ mNGS من إمكانية الوصول إليها للاستخدام السريري على نطاق واسع.
DOI: https://doi.org/10.3389/fcimb.2024.1458316
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39619659
Publication Date: 2024-11-15
Author(s): Yu Zhao et al.
Primary Topic: Bacterial Identification and Susceptibility Testing
Overview
Metagenomic next-generation sequencing (mNGS) is revolutionizing the diagnosis of infectious diseases by enabling the unbiased detection and characterization of microbial genomes directly from clinical samples. This review details the core principles, sequencing workflows, and platforms associated with mNGS, emphasizing its shotgun sequencing methodology that allows for the simultaneous identification of bacteria, viruses, fungi, and parasites without prior knowledge of the infectious agent. Notably, mNGS excels in identifying rare, novel, or unculturable pathogens, offering a more comprehensive understanding of microbial communities compared to traditional culture-based methods.
Despite its advantages, mNGS faces challenges such as complex data analysis, high costs, and the necessity for optimized sample preparation protocols. The review highlights the clinical utility of mNGS in diagnosing various systemic infections, including respiratory tract, bloodstream, central nervous system, and gastrointestinal infections. By facilitating rapid pathogen identification and genomic characterization, mNGS enhances timely therapeutic interventions and improves patient outcomes. The future of mNGS in infectious disease diagnostics is promising, with anticipated advancements in bioinformatics and sequencing technologies aimed at streamlining data analysis, increasing sensitivity and specificity, and reducing turnaround times. Integration with clinical decision support systems is expected to further enhance its application in routine clinical practice, solidifying mNGS as a crucial tool in modern medicine for precise and comprehensive pathogen detection.
Introduction
Infectious diseases, caused by pathogenic microorganisms, pose a significant threat to global public health, necessitating rapid and accurate pathogen identification for effective clinical intervention. Traditional diagnostic methods often fall short, particularly in severe infections where timely detection is crucial for administering appropriate antimicrobial therapy. Challenges such as the difficulty of culturing common pathogens, the need for invasive biopsies in deep infections, and the confounding effects of prior broad-spectrum antibiotic use complicate accurate diagnosis. Studies indicate that a considerable number of unknown pathogens are implicated in severe infections, underscoring the limitations of conventional microbiological tests (Smiley Evans et al., 2020; Singal et al., 2014; Li et al., 2018).
Metagenomic next-generation sequencing (mNGS) has emerged as a promising solution, capable of detecting a wide array of pathogens from clinical samples when traditional methods fail. This non-targeted, broad-spectrum technology allows for the simultaneous identification of virtually all known pathogens, making it particularly valuable for diagnosing infections caused by critical, rare, or newly emerging pathogens. The paper aims to elucidate the principles and sequencing platforms of mNGS, assess its advantages and limitations, and summarize its applications across various organ system infections, while also contemplating future developments in the field (Simner et al., 2018; Chiu and Miller, 2019).
Discussion
The discussion section of the research paper elaborates on the technical principles and advantages of metagenomic next-generation sequencing (mNGS) in diagnosing infectious diseases. The mNGS process encompasses both wet lab and dry lab components, facilitating comprehensive pathogen detection without prior hypotheses about potential pathogens. This method is particularly beneficial for identifying rare or atypical infections, especially in immunocompromised patients, and can detect antimicrobial resistance genes, thereby guiding treatment decisions. Notably, mNGS offers a significant reduction in turnaround time compared to traditional culture methods, with some studies reporting results in as little as six hours.
The section also contrasts mNGS with targeted next-generation sequencing (tNGS), highlighting their respective strengths and weaknesses. While tNGS focuses on specific genes or pathogens, enhancing sensitivity and specificity, it lacks the flexibility of mNGS, which can identify unknown pathogens and analyze complex microbial communities. The discussion underscores that mNGS is not a replacement for conventional microbiological testing but rather a complementary approach that enhances diagnostic accuracy and treatment efficacy in various infection scenarios, including bloodstream and central nervous system infections. Overall, mNGS represents a transformative advancement in the field of infectious disease diagnostics, offering rapid, comprehensive, and unbiased pathogen detection.
Limitations
The limitations of metagenomic next-generation sequencing (mNGS) in clinical applications are multifaceted. Firstly, mNGS cannot distinguish between live and dead pathogens, complicating the identification of colonizing versus pathogenic organisms. This limitation persists even in blood samples, where it fails to differentiate between transient bacteremia and microbial nucleic acid fragments from leukocytes. While RNA detection might indicate transcriptional activity, mNGS’s low sensitivity precludes its use as a first-line diagnostic tool. Secondly, mNGS provides only rough estimates of pathogenic species and their proportions, which can lead to false negatives, especially when the target pathogen is present in low abundance relative to non-microbial nucleic acids.
Additionally, mNGS struggles with the detection of certain intracellular bacteria and fungi, which may require specialized extraction methods due to their thick cell walls. The absence of standardized protocols for specimen handling increases the risk of contamination, leading to inconsistent results across laboratories. The relatively short read lengths of mNGS (approximately 300 bp) hinder the full characterization of drug resistance genes, whereas longer sequencing methods could potentially provide more comprehensive data. Furthermore, the interpretation of mNGS results remains a significant challenge, necessitating interdisciplinary teams for accurate analysis. Lastly, the high costs associated with mNGS limit its accessibility for widespread clinical use.