孫佳佳 王偉
下呼吸道感染(lower respiratory tract infection, LRTI)因其高發(fā)病率、重癥率和死亡率,迄今仍是全球關(guān)注的重大衛(wèi)生問題。準(zhǔn)確及時(shí)地診斷出感染病原體,是有效治療該類疾病的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?,F(xiàn)有眾多微生物檢測(cè)技術(shù)尚存各自短板,難以滿足當(dāng)前日益發(fā)展的臨床病原學(xué)診斷需求。宏基因組下一代測(cè)序技術(shù)(metagenomic next-generation sequencing, mNGS)是一種新型的病原學(xué)檢測(cè)技術(shù),以其廣覆蓋、高通量、無(wú)先驗(yàn)、無(wú)偏倚、精準(zhǔn)快速等突出優(yōu)勢(shì),被逐步推廣應(yīng)用于感染性疾病的病因診斷。本文擬對(duì)該技術(shù)在下呼吸道病原學(xué)診斷的臨床應(yīng)用和未來發(fā)展作一綜述。
LRTI通常指包括急性氣管、支氣管以及肺部的感染性炎癥,影像學(xué)可呈滲出、實(shí)變影、膿腫、空洞甚至胸膜炎等多種表現(xiàn),其致病病原體涵蓋細(xì)菌、真菌、病毒、非典型病原體甚至寄生蟲等多種微生物[1],目前仍是全球發(fā)病率和死亡率均高的疾病之一,尤其幼兒和老年患者,轉(zhuǎn)為重癥者屢不鮮見[2-3]。WHO報(bào)告2019年即有260萬(wàn)LRTI患者死亡,并警告該病已成為人類死亡的第四大病因[4]。
LRTI的防治形勢(shì)之所以嚴(yán)峻,其關(guān)鍵原因在于許多患者的感染病原學(xué)診斷不明。呼吸道作為人體開放性器官,存在常態(tài)化微生物群,維持著復(fù)雜的微生態(tài)平衡[5],當(dāng)機(jī)體免疫力下降、外感病原時(shí),該平衡即易被打破而發(fā)生LRTI的一系列癥候群和并發(fā)癥,甚至轉(zhuǎn)為重癥或死亡。
沿用至今的經(jīng)驗(yàn)性抗感染仍是LRTI的主要對(duì)因治療,針對(duì)常見菌多能奏效,但在處理特殊、重癥、難治或罕見病原體感染時(shí),療效常不理想;事實(shí)上,隨著社會(huì)發(fā)展、人們生活習(xí)性改變、廣譜抗菌藥物的一些不當(dāng)應(yīng)用和免疫缺陷/異?;颊邤?shù)量的增多,近年來非普通病原體所致的LRTI發(fā)病率不降反升[6-7],使得精準(zhǔn)的抗感染治療成為亟待解決的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。惟有盡可能快速、準(zhǔn)確地檢出LRTI的致病病原體,才有望突破診療困境,大幅提高患者治愈率和改善預(yù)后[8]。
按技術(shù)原理和發(fā)展過程,目前LRTI的病原學(xué)檢測(cè)方法主要分為傳統(tǒng)的培養(yǎng)/涂片法和現(xiàn)代的血清學(xué)、分子生物學(xué)檢測(cè)法。
培養(yǎng)/涂片法直觀明確,簡(jiǎn)便經(jīng)濟(jì),但總體而言,陽(yáng)性檢出率低[9];尤其對(duì)于部分苛/厭氧菌[10]、培養(yǎng)耗時(shí)長(zhǎng)的分枝桿菌[11]和諸如放線菌等一些罕見疑難病原體,該方法均難以確診[12],易導(dǎo)致臨床誤診誤治。
隨著免疫學(xué)的發(fā)展和多種抗原抗體的發(fā)現(xiàn),血清酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(Enzyme Linked Immunosorbent Assay, ELISA)通過結(jié)合抗原和測(cè)出抗體表達(dá),已成為L(zhǎng)RTI感染病原檢測(cè)的重要手段[13]。然而,受感染窗口期、抗體存在時(shí)間以及個(gè)體免疫狀態(tài)強(qiáng)弱的不同影響,ELISA也存在早期感染不易檢出、無(wú)法判斷是否現(xiàn)癥感染、結(jié)果假陰性、漏檢等可能。
分子生物學(xué)技術(shù)近年來發(fā)展迅猛,在各類病原學(xué)檢測(cè)方面發(fā)揮了重要作用。不僅實(shí)時(shí)定量PCR(Quantitative Polymerase Chain Reaction, q-PCR)現(xiàn)已應(yīng)用廣泛,數(shù)字PCR(Digital polymerase chain reaction, dPCR)、多重PCR微球探針(Luminex)、環(huán)介導(dǎo)恒溫?cái)U(kuò)增(Loop Mediated Isothermal Amplification Technology, LAMP)[14]和核酸即時(shí)檢測(cè)(point-of-care testing, POCT)[15]等各新型擴(kuò)增方法也在不斷更新。它們均具高靈敏度與特異性,擴(kuò)增效率和儀器性能不斷優(yōu)化,系統(tǒng)操作十分便捷,部分甚至可在床旁即時(shí)得出結(jié)果。然而即便如此,上述這些新型方法仍需臨床上的先驗(yàn)預(yù)判,故仍僅能檢出數(shù)量有限的意向潛在病原體;同時(shí),引物設(shè)計(jì)和產(chǎn)物分析的復(fù)雜繁瑣,也增加了結(jié)果判讀錯(cuò)誤的幾率[16]。
除以上技術(shù)之外,電腦自動(dòng)化也促進(jìn)了微生物檢測(cè)平臺(tái)的改進(jìn)。比如:全自動(dòng)微生物鑒定分析儀(VITEK-2) ,可通過編碼轉(zhuǎn)換為生物信息編碼模式,由電腦程序自動(dòng)掃描、讀數(shù),分析和報(bào)告鑒定病原及藥敏[17],但該法僅限于檢測(cè)細(xì)菌。基質(zhì)輔助激光解吸電離飛行時(shí)間質(zhì)譜(Matrix assisted laser desorption ionization time of flight mass spectrometry, MALDI-TOF-MS)[12]可快速、簡(jiǎn)便地檢測(cè)到活躍狀態(tài)的病原微生物,但前提是需要該病原體已有明確蛋白譜。
綜上可見,現(xiàn)有各類病原檢測(cè)方法雖各有所長(zhǎng),但都無(wú)法克服一個(gè)共性化的弱點(diǎn),即:它們都屬于在臨床預(yù)判背景下的“驗(yàn)證性檢測(cè)”,病原學(xué)覆蓋面有限,且無(wú)法檢測(cè)未知的微生物[18]。這種固有的不足,削弱了它們的診斷效能,以致對(duì)復(fù)雜、少見、疑難的LRTI會(huì)有漏誤診之虞。
mNGS的概念是指通過樣本采集、處理、核酸提取、文庫(kù)構(gòu)建、上機(jī)測(cè)序,生物信息分析等,一次性對(duì)表征樣品中全部數(shù)千~數(shù)百萬(wàn)條DNA/RNA片段同時(shí)、獨(dú)立地進(jìn)行高通量隨機(jī)測(cè)序的技術(shù),它克服了Sanger測(cè)序(即熒光標(biāo)記核苷酸堿基,產(chǎn)生不同長(zhǎng)度核苷酸,電泳檢測(cè)獲得DNA堿基序列的方法)[19]只能對(duì)具有一致性或低多樣性(單一或最多三種微生物)的樣本進(jìn)行靶向測(cè)序的局限性,無(wú)需臨床預(yù)測(cè),可快速、高效、準(zhǔn)確地分析獲取樣品中的微生物和宿主遺傳物質(zhì)(DNA/RNA)信息。mNGS以其顯著的廣覆蓋優(yōu)勢(shì),能一次性識(shí)別病毒、細(xì)菌、真菌、寄生蟲、甚至罕見或新發(fā)的大量各類病原體[20],從根本上彌補(bǔ)了以往檢測(cè)手段的不足。2014年,《新英格蘭雜志》報(bào)道了首例mNGS診斷了一例各種傳統(tǒng)檢測(cè)手段均無(wú)法確診的神經(jīng)系統(tǒng)鉤端螺旋體病例[21],自此mNGS開始應(yīng)用于臨床并逐步展現(xiàn)出對(duì)感染性疾病的診斷潛能。Ren等回顧性統(tǒng)計(jì)了2015~2019年確診的193名膿毒血癥患者和他們的305份、含血液、BALF和腦脊液各類標(biāo)本的病原學(xué)檢測(cè)資料,結(jié)果發(fā)現(xiàn),對(duì)比傳統(tǒng)檢測(cè)法,mNGS的診斷陽(yáng)性率明顯提高。其中,鮑曼不動(dòng)桿菌、銅綠假單胞菌和肺炎克雷伯菌的最佳診斷reads數(shù)分別達(dá)2893、1825.5和892.5,因此認(rèn)為mNGS能夠更敏感地識(shí)別膿毒癥患者標(biāo)本中的多種病原體,而微生物的reads讀數(shù)可能有助于鑒別疑似和確診病原體[22]。復(fù)發(fā)性尿路感染(Recurrent Urinary Tract Infection,RUTI)是影響腎移植患者預(yù)后的關(guān)鍵因素之一,Duan等研究19例RUTI的腎移植受者尿液的mNGS和傳統(tǒng)培養(yǎng),比較結(jié)果提示:mNGS在總陽(yáng)性率(100.0%vs31.6%;P<0.01)和細(xì)菌鑒定率(89.5%vs31.6%,P<0.01)、病毒鑒定率(57.9%vs0;P<0.01)及真菌鑒定率(42.1%vs0;P<0.01)方面,均顯著高于培養(yǎng)法;且更容易發(fā)現(xiàn)混合感染(89.5%vs10.5%;P<0.01),該研究中14例患者因mNGS指導(dǎo),調(diào)整了抗感染方案,病情得到緩解[23],故認(rèn)為mNGS具有更高的病因診斷價(jià)值。人工關(guān)節(jié)感染(Prosthetic Joint Infections,PJI)是全關(guān)節(jié)置換術(shù)后的常見嚴(yán)重并發(fā)癥,早期確診病原診斷至關(guān)重要。Jun Tan等[24]對(duì)納入955名PJI患者的380項(xiàng)已發(fā)表研究進(jìn)行Meta分析,發(fā)現(xiàn)mNGS對(duì)PJI的綜合診斷敏感性和特異性分別為0.93(95%CI, 0.83~0.97)和0.95(95%CI, 0.92~0.97),陽(yáng)性、陰性似然比分別為18.3(95%CI, 10.9~30.6)和0.07(95%CI, 0.03至0.18),曲線下面積為0.96(95%CI, 0.93至0.97),得出結(jié)論:mNGS對(duì)PJI的診斷具有高準(zhǔn)確性,尤其適用于感染標(biāo)本培養(yǎng)陰性的患者。上述報(bào)道均展示了mNGS在病原微生物診斷鑒定領(lǐng)域的顯著優(yōu)勢(shì)。
細(xì)菌是LRTI中最常見病原體,但傳統(tǒng)培養(yǎng)法陽(yáng)性率并不理想,mNGS的出現(xiàn),有望突破培養(yǎng)困難的藩籬[25]。2018年Langelier等運(yùn)用mNGS成功在26例LRTI患者中檢測(cè)出全部38種致病病原體以及升高10倍以上的氣道微生物,以此為導(dǎo)向的針對(duì)性抗感染使得患者迅速改善,治療時(shí)間和費(fèi)用明顯降低[26]。2019年上海瑞金醫(yī)院發(fā)表了13位免疫缺陷的難治性重癥社區(qū)獲得性肺炎(Treatment resistant severe community acquired pneumonia, TR-sCAP)患者的致病微生物結(jié)果,其中傳統(tǒng)法檢出6例(4例細(xì)菌、1例真菌和1例病毒),而配對(duì)的mNGS法檢出了12例(4例細(xì)菌、7例真菌和1例病毒),故認(rèn)為mNGS在此類重癥機(jī)會(huì)性感染有明顯診斷優(yōu)勢(shì)[25]。
病毒也是LRTI中常見的病原種類[27],且易引發(fā)公共衛(wèi)生事件。以免疫學(xué)和PCR檢測(cè)為主的檢測(cè)技術(shù)診斷效能有限,而mNGS廣覆蓋的檢測(cè)卻可提升病毒檢出率。Langelier等[28]對(duì)22例LRTI住院患者支氣管肺泡灌洗液(Bronchoalveolar lavage fluid, BALF)進(jìn)行傳統(tǒng)培養(yǎng)、多重PCR和 mNGS檢測(cè),結(jié)果表明:培養(yǎng)和PCR共檢出7例患者的病原體;而mNGG卻檢出所有22位患者各自的病原微生物,包括在6例傳統(tǒng)檢測(cè)均為陰性患者樣本中,檢出了合胞、冠狀、輪狀等多種RNA病毒,以及人類皰疹、單純皰疹、巨細(xì)胞、EB和人乳頭瘤等多種DNA病毒,顯著豐富了病原學(xué)信息,為制定綜合抗感染治療方案提供了強(qiáng)有力證據(jù)。對(duì)于廣受全球關(guān)注的新型冠狀病毒(new coronavirus disease 2019, COVID-19)肺炎,mNGS也發(fā)揮了獨(dú)特的診斷作用,Wang[29]等應(yīng)用mNGS對(duì)82例 COVID-19 患者進(jìn)行測(cè)序,發(fā)現(xiàn)部分 HLA 等位基因可能與 COVID-19 的發(fā)生有關(guān),表明mNGS還可對(duì)傳染性強(qiáng)的流行性病毒感染進(jìn)一步行基因型鑒定,從而為更新防控策略提供重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
對(duì)于下呼吸道的特殊感染,mNGS也展現(xiàn)出令人鼓舞的優(yōu)勢(shì)。Jin等人于2020年發(fā)表了一項(xiàng)mNGS診斷活動(dòng)性結(jié)核病的研究,共納入確診結(jié)核病61例,臨床診斷者64例。結(jié)果發(fā)現(xiàn):mNGS的診斷敏感度為49.6%,特異度98.3%,高于培養(yǎng)法;同樣在該研究中,mNGS也將診斷時(shí)間從2~6周縮短到了32~36小時(shí)[30]。下呼吸道真菌感染的涂片或培養(yǎng)檢測(cè),往往敏感度偏低[20],而真實(shí)世界中,也不難見到綜合六胺銀染色、1,3-β-D葡聚糖(Glucan, G)和半乳甘露聚糖(Galactomannan, GM)試驗(yàn)、以及影像學(xué)檢查等方法仍無(wú)法確診的LRT真菌感染,屬于呼吸科臨床難題之一,而mNGS的應(yīng)用為此提供了有效解決途徑。Yang等人分析106例疑似肺部真菌感染的病例,發(fā)現(xiàn)與病理、G、GM試驗(yàn)等比較,mNGS特異性雖相似,但診斷敏感性顯著提升(84.4%vs44.4%,P<0.05)[31]。 Shen等報(bào)道了1例經(jīng)多種傳統(tǒng)檢測(cè)均未確診的重癥肺炎患者,最終通過BALF的mNGS確診為罕見的馬爾尼菲青霉菌感染,調(diào)整治療后轉(zhuǎn)危為安[32]。鸚鵡熱衣原體(C.psittaci)是一種相對(duì)罕見人畜共患病原體,肺部感染表現(xiàn)各異,重癥和死亡率高,傳統(tǒng)病原檢測(cè)多為假陰性,診療難度極大。Wu等對(duì)13例病初均需機(jī)械通氣的重癥肺炎患者行mNGS,均在48~72小時(shí)內(nèi)明確檢出鸚鵡熱衣原體,調(diào)整治療,最終11例完全康復(fù),2名因并存耐多藥銅綠假單胞菌感染死亡[33]。該研究提示mNGS有助于鸚鵡熱肺炎的早期診斷和正確治療,也豐富了sCAP的病因?qū)W認(rèn)識(shí)。侯婕等報(bào)道了1例肺恙蟲病感染患者,查外斐試驗(yàn)、血液、BALF培養(yǎng)均呈陰性,最終經(jīng)由mNGS檢出恙蟲病東方體,僅予多西環(huán)素單藥,4天后患者癥狀和感染指標(biāo)即恢復(fù)正常[34]。
上述報(bào)道也不難發(fā)現(xiàn),mNGS無(wú)偏倚、廣覆蓋的“宏”檢測(cè)優(yōu)勢(shì),在LRTI混合感染的診斷方面也極具價(jià)值[35],仍以上文瑞金醫(yī)院研究為例,在13位免疫缺陷的難治性sCAP患者的病原檢測(cè)中,mNGS還檢出5例卡氏肺囊蟲肺炎和1例煙曲霉菌感染,而此6例對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)檢測(cè)法均為陰性結(jié)果[25]。
mNGS的高敏感和廣覆蓋優(yōu)勢(shì)雖多有體現(xiàn),但它在真實(shí)世界中的應(yīng)用也不免遇到挑戰(zhàn)。mNGS的終極目的是確定責(zé)任病原體,但在報(bào)告中,我們常遇見檢出病原體的序列數(shù)低和致病病原和背景病原難以區(qū)分鑒別的困難。現(xiàn)將此二者發(fā)生原因及可能的應(yīng)對(duì)措施分述如下。
第一,mNGS報(bào)告中,檢出病原體序列數(shù)低,可能原因如下:①標(biāo)本采集于患者疾病早期/恢復(fù)期/抗感染藥物暴露后,或僅為局灶性感染(病變部位少菌狀態(tài))等,使得標(biāo)本病原體的載量低。②標(biāo)本采樣、保存、運(yùn)輸環(huán)節(jié)中病原微生物核酸破壞和降解[25]。③病原體核酸提取效率低,比如結(jié)核菌、真菌等胞壁硬、厚,破壁困難;而胞內(nèi)微生物如衣原體、立克次體因體積微小,本身核酸提取困難。④DNA/RNA核酸文庫(kù)構(gòu)建不夠完備,感染病原體僅能比對(duì)部分短序列。
為應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn),可能采取的措施有:①選取合適時(shí)機(jī),如在已有癥狀但未用藥時(shí),進(jìn)行標(biāo)本采樣,排除干擾因素,局灶性感染盡量在病灶內(nèi)采樣。②標(biāo)本采樣和后處理過程中保持無(wú)菌化。③通過“去宿主”方法,顯著減少宿主核酸數(shù)量[36]來有效提升病原核酸獲取率。④海量病原體的龐大基因組極易和人類基因組混淆,在盡量減少后者宿主干擾同時(shí),也需不斷擴(kuò)大、優(yōu)化病原體基因組的文庫(kù)構(gòu)建,以期更準(zhǔn)確地明確責(zé)任病原。比如具有一次性獲得兆(Mbyte, Mb)以上級(jí)別的長(zhǎng)讀長(zhǎng)序列的三代mNGS,相比二代mNGS,即可大大減少拼接組裝,更有益于獲取優(yōu)質(zhì)的微生物序列[37]。
第二,mNGS報(bào)告中致病菌與背景菌的區(qū)分困難,是導(dǎo)致臨床誤診的另一個(gè)原因。mNGS無(wú)偏倚、高敏感、廣覆蓋的特性也猶如“雙刃劍”,也可能誤將LRTI標(biāo)本中的常態(tài)微生物、定植菌及環(huán)境中污染成分等,報(bào)為責(zé)任病原,造成假陽(yáng)性誤診。因此,送檢標(biāo)本的來源和質(zhì)控至關(guān)重要。理論上,血、痰液、胸腔積液、肺組織、BALF都可作為L(zhǎng)RTI的mNGS標(biāo)本,BALF有“液體肺活檢”之稱,被認(rèn)為是LRTI患者標(biāo)本的合適選擇[38],但目前對(duì)于BALF,以及鏡下針吸刷檢(bronchial needle brushing, BB)和支氣管肺活檢(transbronchial lung biopsy, TBLB),這些標(biāo)本哪種最為優(yōu)選,尚無(wú)定論[39]。一般而言,采樣越接近或位于病灶內(nèi)部,診斷率將越高。隨著徑向支氣管腔內(nèi)超聲(Radial Endobroncheal Ultrasonography, R-EBUS)和支氣管鏡導(dǎo)航技術(shù)的臨床應(yīng)用,臨床上將更有望獲得代表感染病變特征的LRTI標(biāo)本。Feng等[40]分析2018~2019年疑似肺部感染的213例患者,經(jīng)虛擬導(dǎo)航(virtual bronchoscope navigation system,VBN)獲得BALF標(biāo)本,比較mNGS與傳統(tǒng)方法對(duì)肺外周感染的診斷價(jià)值。結(jié)果發(fā)現(xiàn):在94.49%接受傳統(tǒng)病原檢測(cè)均為陰性結(jié)果的肺部感染患者中,其BALF的mNGS都檢出了與疾病相關(guān)的微生物,mNGS的檢測(cè)靈敏度明顯高于傳統(tǒng)法(88.30%vs25.73%,P<0.05),而特異度則相當(dāng)(81.16%vs88.41%);mNGS同時(shí)也體現(xiàn)出了診斷混合感染的優(yōu)勢(shì)。該團(tuán)隊(duì)的另一項(xiàng)121例患者入組的前瞻性研究[41]中,R-EBUS引導(dǎo)取材TBLB標(biāo)本的mNGS陽(yáng)性檢出率明顯高于常規(guī)TBLB組 (78.7%vs60.0%,P<0.05) ,提示了導(dǎo)航定位下精準(zhǔn)取材對(duì)確診肺外周感染的價(jià)值。 Wang等[38]也開展了20例肺外周感染患者肺穿刺標(biāo)本mNGS與傳統(tǒng)病原檢測(cè)的比較研究,結(jié)果提示:mNGS的敏感度和特異度在細(xì)菌和真菌中不盡相同(細(xì)菌:100% 和76.5%;真菌:57.1%和61.5%);mNGS陽(yáng)性預(yù)測(cè)值(細(xì)菌:42.9%,真菌:44.4%),遠(yuǎn)低于陰性預(yù)測(cè)值(NPV)(細(xì)菌:100%,真菌:72.7%)。該研究表明肺感染性病變穿刺組織的mNGS在病原診斷速度和靈敏度方面較傳統(tǒng)病理培養(yǎng)方法更具優(yōu)勢(shì),當(dāng)然,mNGS的結(jié)果解讀需要綜合分析。
綜上所述,mNGS作為一種無(wú)需先驗(yàn)的高通量檢測(cè)技術(shù),因具有“宏”的優(yōu)勢(shì),可快速敏感地識(shí)別LRTI的病原信息,指導(dǎo)對(duì)因治療,扭轉(zhuǎn)改善患者臨床結(jié)局,降低醫(yī)療資源消耗。因其具有難以匹敵的優(yōu)勢(shì),現(xiàn)已被認(rèn)為是對(duì)LRTI病原診斷方法的有效補(bǔ)充[42]。但同時(shí)也應(yīng)看到,mNGS對(duì)LRTI的診斷仍可能面臨低序列數(shù)致病原和與背景菌區(qū)分困難的挑戰(zhàn),這表明該技術(shù)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。去宿主[36]、正向富集病原體[43]、聯(lián)合靶向mNGS(t-mNGS)[44]有望成為解決方法。對(duì)于臨床呼吸科醫(yī)師而言,除了應(yīng)熟知mNGS適應(yīng)證、患者臨床表現(xiàn)、感染學(xué)指標(biāo)、傳統(tǒng)病原檢測(cè)結(jié)果和用藥應(yīng)答等各種信息,以期高效解讀mNGS報(bào)告外,也應(yīng)強(qiáng)化“優(yōu)質(zhì)取材”意識(shí),盡可能借助各類導(dǎo)航定位技術(shù),獲取可能最大程度地代表疾病特征的標(biāo)本。相信多方共進(jìn)的策略,必將進(jìn)一步提升mNGS的診斷價(jià)值,令更多LRTI患者獲益,也有助于推動(dòng)“微生物導(dǎo)向”[45]的精準(zhǔn)醫(yī)療策略的臨床實(shí)現(xiàn)。