DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1329330
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38348304
تاريخ النشر: 2024-01-29
المؤلف: Aljuboori M. Nafea وآخرون
الموضوع الرئيسي: دراسات الجينوميات والتطور
نظرة عامة
تقدم هذه القسم نظرة عامة على أهمية تسلسل الجيل التالي (NGS) في الكشف عن مسببات الأمراض وتحديدها، مع التركيز على مزاياه مقارنة بالطرق التقليدية مثل مطيافية الكتلة والاختبارات الكيميائية الحيوية. يتم تسليط الضوء على NGS كتقنية عالية الإنتاجية قادرة على توليد بيانات تسلسل واسعة، مما يسهل تحديد مجموعة واسعة من مسببات الأمراض، بما في ذلك البكتيريا والفطريات والفيروسات. تناقش المراجعة النتائج الواعدة لتطبيقات NGS في تشخيص الأمراض المعدية، بما في ذلك قدرته على الكشف عن عدة مسببات للأمراض في وقت واحد، وحساسيته العالية وخصوصيته، ودوره في تتبع أنماط الانتقال ومراقبة التغيرات الجينومية خلال تفشي الأمراض.
على الرغم من إمكانياته، يحدد القسم العديد من التحديات المرتبطة بـ NGS، مثل الحاجة إلى خطوط أنابيب معلوماتية حيوية قوية، وتوحيد المنهجيات، وتحسينها لأنواع العينات المتنوعة. بالإضافة إلى ذلك، تعيق القضايا المتعلقة بتفسير البيانات والتكاليف العالية للتشخيص اعتماده السريري. كما تم الإشارة إلى قيود NGS في الكشف عن المتغيرات ذات التردد المنخفض والافتقار الحالي لإجراءات mNGS المعتمدة من إدارة الغذاء والدواء. بشكل عام، بينما يقدم NGS فرصة تحويلية لتحديد مسببات الأمراض وإدارة الأمراض، هناك حاجة إلى مزيد من التقدم في التكنولوجيا والجهود التعاونية لتعزيز تطبيقه في الإعدادات السريرية وتحسين المراقبة والسيطرة على الأمراض المعدية.
مقدمة
تؤكد المقدمة على الأهمية الحاسمة لتحديد الكائنات الدقيقة المسؤولة عن العدوى بدقة لضمان علاج فعال للمرضى. تحتوي الطرق التقليدية، بما في ذلك تقنيات الزراعة، والكشف المصلّي، والنهج البيولوجية الجزيئية مثل تضخيم الأحماض النووية، على قيود، خاصة في زراعة بعض الأنواع البكتيرية وكشف مسببات الأمراض الجديدة. يمكن أن تؤدي ظهور مسببات الأمراض غير المعروفة إلى تفشي الأمراض في المستشفيات، مما يبرز الحاجة إلى طرق تحديد متقدمة.
تطور تسلسل الحمض النووي بشكل كبير منذ العمل الرائد لفريدريك سانجر في السبعينيات، الذي أسس تقنيات أساسية لتسلسل الجينوم. لا يزال تسلسل سانجر طريقة موثوقة لتحليل تسلسلات الحمض النووي الصغيرة، بينما أحدث ظهور تسلسل الجيل التالي (NGS) ثورة في هذا المجال من خلال تمكين التسلسل على نطاق واسع لعدة قطع من الحمض النووي. تهدف هذه المراجعة إلى تفصيل طرق تسلسل سانجر والجيل الثاني، إلى جانب نظرة عامة على تسلسل الجيل الثالث، واستكشاف تطبيقات NGS في التشخيصات السريرية لمسببات الأمراض المختلفة، بما في ذلك البكتيريا والفطريات والفيروسات. يختتم القسم بمناقشة التحديات وآفاق المستقبل لـ NGS في تحديد مسببات الأمراض.
مناقشة
تحدد قسم المناقشة في ورقة البحث تطور وأهمية تقنيات التسلسل، مصنفة إياها إلى ثلاثة أجيال: الجيل الأول (سانجر)، الجيل الثاني (تسلسل الجيل التالي، NGS)، والجيل الثالث (تسلسل النانو). لا يزال تسلسل سانجر، على الرغم من كونه أبطأ ومحدودًا بقراءات أقصر (800-1,000 bp)، طريقة موثوقة لتطبيقات معينة بفضل التقدم مثل التوسيم الفلوري الآلي والدورات الحرارية. في المقابل، يسمح NGS بتسلسل عالي الإنتاجية لملايين القطع في وقت واحد، مما يقلل التكاليف بشكل كبير ويمكّن من التجميع من جديد دون الحاجة إلى كميات كبيرة من الحمض النووي/الحمض النووي الريبي. أصبحت هذه التقنية ضرورية في التشخيصات السريرية، خاصة لتحديد مسببات الأمراض، حيث يمكنها تحليل التغيرات الجينية بسرعة ودعم الاستجابات الصحية العامة.
يوفر تسلسل الجيل الثالث، الذي يتمثل في تقنية النانو، تسلسلًا في الوقت الحقيقي لجزيئات الحمض النووي الفردية دون تضخيم، مما ينتج عنه قراءات أطول (تصل إلى عدة كيلو قواعد) تسهل التجميع الأكثر دقة وكشف مسببات الأمراض. على سبيل المثال، أثبت جهاز تسلسل MinION فعاليته في تحديد الفيروسات مثل فيروس روس ريفر بدقة عالية. تؤكد الورقة على التأثير التحويلي لهذه التقنيات التسلسلية على مجالات متعددة، بما في ذلك الجينوميات، والترانسكريبتوميات، والتشخيصات السريرية، مع تسليط الضوء على إمكانياتها لتحسين كشف مسببات الأمراض، وفهم مقاومة المضادات الحيوية، وتعزيز التدخلات الصحية العامة. بشكل عام، تؤكد التقدمات في طرق التسلسل على الحاجة إلى نهج متكامل يجمع بين التحليلات الجينية والظاهرة لمعالجة التحديات البيولوجية المعقدة بفعالية.
DOI: https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1329330
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38348304
Publication Date: 2024-01-29
Author(s): Aljuboori M. Nafea et al.
Primary Topic: Genomics and Phylogenetic Studies
Overview
The section provides an overview of the significance of next-generation sequencing (NGS) in the detection and identification of pathogens, emphasizing its advantages over traditional methods such as mass spectrometry and biochemical tests. NGS is highlighted as a high-throughput technology capable of generating extensive sequence data, which facilitates the identification of a wide range of pathogens, including bacteria, fungi, and viruses. The review discusses the promising outcomes of NGS applications in diagnosing infectious diseases, including its ability to detect multiple pathogens simultaneously, its high sensitivity and specificity, and its role in tracking transmission patterns and monitoring genomic changes during outbreaks.
Despite its potential, the section outlines several challenges associated with NGS, such as the need for robust bioinformatics pipelines, standardization of methodologies, and optimization for diverse sample types. Additionally, issues related to data interpretation and the high costs of diagnostics hinder its clinical adoption. The limitations of NGS in detecting low-frequency variants and the current lack of FDA-approved mNGS procedures are also noted. Overall, while NGS presents a transformative opportunity for pathogen identification and disease management, further advancements in technology and collaborative efforts are necessary to enhance its application in clinical settings and improve the surveillance and control of infectious diseases.
Introduction
The introduction emphasizes the critical importance of accurately identifying microorganisms responsible for infections to ensure effective patient treatment. Traditional methods, including culture techniques, serological detection, and molecular biology approaches like nucleic acid amplification, have limitations, particularly in culturing certain bacterial species and detecting novel pathogens. The emergence of unknown pathogens can lead to hospital epidemics, underscoring the need for advanced identification methods.
DNA sequencing has evolved significantly since Frederick Sanger’s pioneering work in the 1970s, which established foundational techniques for sequencing genomes. Sanger sequencing remains a reliable method for analyzing small DNA sequences, while the advent of next-generation sequencing (NGS) has revolutionized the field by enabling large-scale sequencing of multiple DNA fragments. This review aims to detail Sanger and second-generation sequencing methods, alongside an overview of third-generation sequencing, and to explore the applications of NGS in clinical diagnostics for various pathogens, including bacteria, fungi, and viruses. The section concludes with a discussion on the challenges and future prospects of NGS in pathogen identification.
Discussion
The discussion section of the research paper outlines the evolution and significance of sequencing technologies, categorizing them into three generations: first-generation (Sanger), second-generation (Next-Generation Sequencing, NGS), and third-generation (nanopore sequencing). Sanger sequencing, while slower and limited to shorter reads (800-1,000 bp), remains a reliable method for specific applications due to advancements such as automated fluorescent labeling and thermal cycling. In contrast, NGS allows for high-throughput sequencing of millions of fragments simultaneously, significantly reducing costs and enabling de novo assembly without the need for extensive DNA/RNA amounts. This technology has become crucial in clinical diagnostics, particularly for pathogen identification, as it can quickly analyze genetic variations and support public health responses.
Third-generation sequencing, exemplified by nanopore technology, offers real-time sequencing of individual DNA molecules without amplification, yielding longer reads (up to several kilobases) that facilitate more accurate assembly and pathogen detection. The MinION sequencer, for instance, has demonstrated its efficacy in identifying viruses like the Ross River virus with high accuracy. The paper emphasizes the transformative impact of these sequencing technologies on various fields, including genomics, transcriptomics, and clinical diagnostics, highlighting their potential to improve pathogen detection, understand antimicrobial resistance, and enhance public health interventions. Overall, the advancements in sequencing methods underscore the need for integrated approaches that combine genotypic and phenotypic analyses to address complex biological challenges effectively.