NGS与感染性疾病2018年6月

NGS和感染性疾病的精准治疗

2021/3/29星期一12021/3/29星期一22003年完成了人类基因组计划2021/3/29星期一3该计划的完成使得人们强烈的意识到人们需要更多更好的技术与数据分析能力来回答随之而来的一系列生物学问题。然而，通量的限制以及居高不下的测序成本成为了人们进一步了解基因组的一道坎。2021/3/29星期一4下一代测序（next-generationsequencing，NGS）2000年之后推出的高通量测序平台很好地解决了这个问题，人类基因组测序的成本直接因此下降50000倍产生了一个新的名词：NGS2021/3/29星期一5一、NGS是什么？（一）传统的测序方式大规模平行签名测序（MassivelyParallelSignatureSequencing,MPSS)、聚合酶克隆（PolonySequencing）、454焦磷酸测序（454pyrosequencing）、Illumina(Solexa)sequencing、ABISOLiDsequencing、离子半导体测序（Ionsemiconductorsequencing）、DNA纳米球测序（DNAnanoballsequencing）等2021/3/29星期一6（二）NGS(nextgenerationsequencing)

包括二代的大规模平行测序和三代的单分子测序。高通量测序技术是对传统测序一次革命性的改变，一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定被称为下一代测序技术(nextgenerationsequencing)足见其划时代的改变2021/3/29星期一7同时高通量测序使得对一个物种的转录组和基因组进行细致全貌的分析成为可能，所以又被称为深度测序2021/3/29星期一8（三）测序平台1、Illumina公司的Solexa测序平台2、Roche公司的454测序平台3、ABI公司的寡核苷酸连接检测平台(SOLiD)2021/3/29星期一9（四）NGS特点1、不同平台测序方法不同，但原理有着共通之处，都是将基因组DNA随机切割成小片段DNA，再通过构建文库、PCR扩增等技术流程获得测序模板进行测序及数据分析，相对于Sanger测序来说通量高、速度快、费用低2021/3/29星期一10（四）NGS特点1、高准确性，高通量，高灵敏度2、可以同时完成传统基因组学研究（测序和注释）以及功能基因组学（基因表达及调控，基因功能，蛋白/核酸相互作用）研究2021/3/29星期一11（四）NGS特点2、越来越多地应用第二代测序技术来解决生物学问题。比如在基因组水平上对还没有参考序列的物种进行从头测序，获得该物种的参考序列，为后续研究和分子育种奠定基础；对有参考序列的物种，进行全基因组重测序，在全基因组水平上扫描并检测突变位点，发现个体差异的分子基础。2021/3/29星期一122021/3/29星期一132021/3/29星期一14中科院动物研究所已经测序、组装和分析了38只野生金丝猴的基因组突变。这项研究结果发表在国际分子生物学和进化领域的权威期刊《MolecularBiologyandEvolution》2021/3/29星期一15二、NGS可以为感染性疾病做什么？2021/3/29星期一16（一）宏基因组学（Metagenomics）又叫微生物环境基因组学、元基因组学。它通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,构建宏基因组文库，研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成及其群落功能。2021/3/29星期一172021/3/29星期一18对特定环境中全部微生物的总DNA（也称宏基因组，metagenomic）进行克隆，并通过构建宏基因组文库和筛选等手段获得新的生理活性物质，通过系统学分析获得该环境中微生物的遗传多样性和分子生态学信息2021/3/29星期一19宏基因组学研究的对象是特定环境中的总DNA，不是某特定的微生物或其细胞中的总DNA，不需要对微生物进行分离培养和纯化，这对我们认识和利用95%以上的未培养微生物提供了一条新的途径。2021/3/29星期一20不仅能够从整体上认识微生物群落自身数量和组成结构，而且可以认识微生物群落自身及其与宿主之间的进化关系，研究不同状态对微生物群落结构和功能的影响，分析人类正常菌群和疾病状态下的结构和功能特征。2021/3/29星期一21肠道微生物宏基因组学与人体代谢、免疫等各方面联系紧密，已成为近年来热门的研究主题，肠道菌群和糖尿病、肥胖症等代谢性疾病的关系被不断深入研究，对于药物和肠道微生物群落的相互影响也在不断探索2021/3/29星期一222021/3/29星期一23（二）精准医学2021/3/29星期一241、第二届感染性疾病精准医学高峰论坛感染性（传染性）疾病危害严重，精准诊断是实现其精准防控的前提。目前针对性使用抗生素是一个重大课题，另外即时快速病原诊断、未知病原鉴定、混合感染病原诊断、全病程病原监测等问题都值得重视和研究。2021/3/29星期一25针对感染这一重大医学问题，需要将基因检测与传统检测相结合，加快将最新的生物科技转化成先进生产力，应用于临床感染精准诊疗。基于下一代测序技术（NGS）的宏基因组学检测技术发展迅猛，将有力推动感染性疾病精准医学发展。2021/3/29星期一26NGS在感染性疾病中的应用2021/3/29星期一27NGS技术应用于细菌感染检测，明确是否存在细菌感染对菌株进行分型，获得分子血清型、耐药基因谱等信息，分析其菌株进化历史、感染源及感染路径，有助于疾病预防、诊疗和疫苗研发等。2021/3/29星期一28结核杆菌耐药菌株培养难度高，时间长，临床检测受到极大限制。但基因测序技术在检测其菌株毒力和耐药性上有着极大的优势，可以快速检测病原体感染及其耐药性有望取代现有的培养和分子诊断法2021/3/29星期一29病毒NGS技术主要应用于基因型分析、耐药突变检测及病毒在宿主体内演化，以及暴发感染病毒的快速检测时以协助预防、诊断治疗及疫苗研究等方面。2021/3/29星期一30真菌通过建立本地真菌基因组学数据并对比分析，不仅可以进行真菌感染快速准确诊断，还能够发现不同真菌特有的功能性基因，研究其致病机制及药物耐药位点突变，发现新的药物作用靶位点，从而开发具有广谱、不良反应低、无交叉耐药性的抗真菌药物。2021/3/29星期一312011年5月以德国为中心，欧洲暴发了一次严重的出血性肠道感染，科学家对病菌菌株进行全基因组测序，发现致病元凶为致死性的大肠埃希菌O104：H4，通过对序列的分析推断其感染人体的途径和致病机制，溯源追踪了其感染路径，为疫病的诊断和治疗提供了重要信息。2021/3/29星期一32同年6月法国也发生了类似感染，NGS序列分析发现德国大肠埃希菌菌株基因多样性远低于法国菌株，由此确认其为法国暴发病原体的演化支，明确了感染源2021/3/29星期一33北京协和医院在《InternationalJournalofInfectiousDiseases》发表了国内mNGS用于临床中枢神经系统(CNS)感染患者布氏杆菌检出的文章。2016年6月1日至2017年6月1日临床怀疑CNS感染患者的脑脊液样本。mNGS快速检出4例患者布氏杆菌感染，结合临床症状和RT-PCR结果验证，患者确诊为神经型布氏杆菌病。mNGS检出序列数从11-104不等，覆盖度从0.0043%-0.4%不等。4例布氏杆菌感染的确诊，展现了mNGS在临床疑难感染病原检测应用的突出优势。2021/3/29星期一348月龄患儿“发热12天，间断抽搐8天，睡眠增多6天”就诊，持续间歇性高热和抽搐。通过mNGS技术检出单纯疱疹病毒1型(HSV-1)序列数高达35078条，占比99.66%，覆盖度为95%，在相对比例和病毒基因组覆盖度方面都达到了明确诊断HSV-1感染的强度。2021/3/29星期一35随后甘露醇降颅压后，阿昔洛韦抗病毒及其他对症治疗后患儿痊愈出院。本文表明除不容易发现的病原外，mNGS针对较为常见的疱疹病毒具有明确诊断意义，为临床不明原因的CNS感染性疾病提供了重要的病原学诊断方法。2021/3/29星期一362014年西非暴发了记录中最大的一次埃博拉病毒感染，暴发时间长，感染和死亡人数高，在世界范围内引起了极大恐慌。2021/3/29星期一37通过NGS技术结合数据分析，研究者明确了其基因多样性和易突变性及流行病学特征，追踪其感染起始源及感染路径，预估了病毒感染人体和机体免疫反应的过程，详细阐述了其在宿主体内通过逐渐适应性突变发生的演化从而减小被免疫细胞识别的机会，对疫情的预防、控制，疾病的诊断、治疗和疫苗的研发都起到了极大的促进作用2021/3/29星期一38三、三代测序美国太平洋生物的单分子实时技术及英国牛津纳米孔公司的纳米孔单分子测序技术特点是不需要进行PCR扩增，通过不同手段区分碱基信号差异，直接读取序列信息，其读长长、高通量，可以对RNA和甲基化DNA序列进行直接测序2021/3/29星期一39四、缺点目前还存在错误率高、成本较高和生物信息分析软件不够丰富等缺点。高通量测序会产生大批量的数据，需要进行庞大的数据分析，如果缺乏本地数据库，运算工作的成本和时间难以控制；2021/3/29星期一40四、缺点对于疾病，测序得到的