測序技術(shù)推動病原微生物檢測行業(yè)發(fā)展

發(fā)布日期：2022-02-16 閱讀次數(shù)：11145 來源：中國醫(yī)藥報

摘要：

測序技術(shù)的發(fā)展使人類有能力閱讀生物基因組這本浩瀚的“生命之書”。在新冠肺炎疫情防控中，相比于傳統(tǒng)的病原檢測手段，測序技術(shù)逐漸成為一個創(chuàng)新的病原核酸檢測工具。測序技術(shù)的不斷進步，在推動著整個病原微生物檢測行業(yè)高速、創(chuàng)新發(fā)展。

□ 梁永 賈雪峰 蔣智

測序技術(shù)歷史沿革

脫氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）是生物細胞中最重要的遺傳物質(zhì)，由腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）四種堿基組成。測序技術(shù)，即指獲得DNA片段堿基排列順序的技術(shù)。自1977年沃特·吉爾伯特（Walter Gilbert，美國物理學家與生物化學家）和弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger，英國生物化學家）發(fā)明了第一臺測序儀并應(yīng)用其測定了第一個基因組序列開始，人類猶如打開了基因組的“生命之書”，獲得了探索生命遺傳本質(zhì)的能力。自此，生命科學的研究進入了基因組學時代。

桑格發(fā)明的測序方法被稱為第一代測序技術(shù)，其一次反應(yīng)只能獲得一條長度在700~1000個堿基的序列，測序通量非常低。但由于其單次反應(yīng)價格低廉、測序準確性高，目前仍有應(yīng)用，如作為測序的“金標準”對新測序技術(shù)結(jié)果的驗證等。

第二代測序技術(shù)（Next-Generation Sequencing,NGS）為高通量測序技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的第一代測序技術(shù)來說是革命性的發(fā)展，一次運行即可同時得到幾百萬甚至上億條核酸分子的序列，使得測序通量大大增加。二代測序技術(shù)現(xiàn)已成為全球科研平臺、臨床檢測領(lǐng)域使用范圍最廣的主力測序技術(shù)。科研方面，主要應(yīng)用包括基因組測序、轉(zhuǎn)錄組測序、群體測序、擴增子測序、宏基因組測序、重測序等；在醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛并逐漸發(fā)展成熟，主要包括無創(chuàng)產(chǎn)前檢測（NIPT）、腫瘤相關(guān)基因檢測、遺傳病基因檢測、宏基因組病原微生物檢測等。

科技的發(fā)展和進步從未停止。第三代測序技術(shù)，即單分子測序技術(shù)也在不斷成熟，該技術(shù)在保證測序通量的基礎(chǔ)上，對單條長序列進行從頭測序，能夠直接得到長度達數(shù)萬個堿基的核酸序列信息。利用其測序長的特點，可以填補基因組中大片段的序列信息，在全基因組組裝中具有獨特優(yōu)勢。

在不到50年的時間內(nèi)，測序技術(shù)發(fā)生了一代又一代的革新，不斷助力科學家在生命科學領(lǐng)域的重大發(fā)現(xiàn)；同時，作為一種核酸檢測技術(shù)，也逐漸應(yīng)用在臨床檢測領(lǐng)域。測序技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用主要得益于成本的快速下降，在早期，人類基因組計劃耗資30億美元才獲得了大部分的人類基因組信息，而目前最具代表性的測序技術(shù)——NGS早已將人類全基因組測序成本控制在1000美元以內(nèi)。正是以NGS為代表的測序技術(shù)不斷創(chuàng)新，成本不斷下降，推動行業(yè)不斷地探索其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用場景。

病原微生物檢測技術(shù)迭代升級

對人和動物具有致病性的微生物稱為病原微生物，又稱病原體。傳統(tǒng)的感染病病原學檢測方法依靠形態(tài)學、免疫學以及病原體分離培養(yǎng)等方法。雖然目前自動化培養(yǎng)和鑒定系統(tǒng)不斷產(chǎn)生，傳統(tǒng)鑒定方法也在逐步改進，加快了檢驗速度；但整體上檢測周期長、檢測靶標單一、經(jīng)驗猜測困難、檢出陽性率低的問題仍然沒有從根本上得到解決。尤其是在應(yīng)對一些未知病原體或罕見病原體時，常常面臨著難以及時鑒定病原的難題，同時形態(tài)學檢驗受檢測人員經(jīng)驗影響較大，容易產(chǎn)生誤診。

隨著科技水平發(fā)展，分子生物學檢測技術(shù)日新月異，對病原微生物的鑒定已不再局限于普通外部形態(tài)結(jié)構(gòu)和生理生化特性等的一般檢驗上，而是深入到分子水平、核酸水平。病原微生物的核酸序列即基因片段都是特異的，有別于其他種或?qū)伲瑱z測其特有的基因片段序列可用來鑒別病原微生物。隨著科技的發(fā)展，常規(guī)病原微生物分子診斷方法以聚合酶鏈式反應(yīng)（Polymerase Chain Reaction，PCR）為基礎(chǔ)。PCR是一種在體外用已知寡核苷酸引物引導(dǎo)未知片段中微量待測基因片段并進行擴增的技術(shù)，能夠?qū)μ囟ú≡w做到快速、準確檢測。如目前大規(guī)模使用的新型冠狀病毒核酸檢測多數(shù)都是基于熒光PCR技術(shù)。但此種方法也存在一定的局限性，因為依賴已知病原微生物的特定序列及熒光種類的限制，其單次檢測靶標數(shù)量非常有限，檢測目標必須十分明確，對于未知病原無能為力。

隨著技術(shù)的進步，以宏基因組為代表的二代測序技術(shù)正在逐漸成為一種創(chuàng)新性的病原微生物核酸檢測技術(shù)。宏基因組高通量測序技術(shù)（Metagenomic next-generation sequencing,mNGS）通過直接提取樣本中全部微生物的核酸，構(gòu)建宏基因組文庫，通過一次檢測即可獲得樣本中全部核酸信息，從而分析整個微生物組及患者樣本中的人類宿主基因組或轉(zhuǎn)錄組。該技術(shù)的特點是無須培養(yǎng)和無偏倚性、靈敏度高、病原覆蓋面廣、可進行混合感染的檢測。

自2014年起，國內(nèi)外多個研究團隊陸續(xù)發(fā)表了mNGS進行臨床樣本檢測的研究，對此項技術(shù)在臨床應(yīng)用中的準確性、靈敏度以及臨床價值進行評估，也成為目前全球病原感染研究的重要熱門領(lǐng)域之一。國內(nèi)多個行業(yè)專家協(xié)會近幾年也陸續(xù)發(fā)表了多篇針對mNGS臨床應(yīng)用的專家共識，如2019年發(fā)表的《宏基因組分析和診斷技術(shù)在急危重癥感染應(yīng)用的專家共識》；2020年發(fā)表的《中國宏基因組學第二代測序技術(shù)檢測感染病原體的臨床應(yīng)用專家共識》；2021年發(fā)表的《宏基因組高通量測序技術(shù)應(yīng)用于感染性疾病病原檢測中國專家共識》，體現(xiàn)了此項技術(shù)在國內(nèi)正在快速得到臨床認可。

NGS病原檢測行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展

正是因為基因檢測技術(shù)在病原檢測領(lǐng)域應(yīng)用的廣闊市場和前景，國內(nèi)外大量的資本和企業(yè)都在不斷涌入，促進了整個行業(yè)快速發(fā)展。當前，我國病原宏基因組檢測產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化和臨床應(yīng)用規(guī)模都處于國際領(lǐng)先。經(jīng)過幾年市場競爭的篩選，行業(yè)內(nèi)也逐漸涌現(xiàn)出數(shù)個有代表性的領(lǐng)軍企業(yè)，例如天津金匙醫(yī)學科技有限公司（以下簡稱金匙醫(yī)學）、深圳華大因源醫(yī)藥科技有限公司、杭州迪安醫(yī)學檢驗中心有限公司。其中，金匙醫(yī)學不斷深耕分子診斷技術(shù)在感染領(lǐng)域的應(yīng)用，面向呼吸、血液、檢驗、重癥、感染等科室，提供病原微生物宏基因組診斷產(chǎn)品及檢測服務(wù)的整體解決方案。

縱觀人類歷史，從顯微鏡的發(fā)明到PCR技術(shù)的應(yīng)用，再到測序技術(shù)的橫空出世，人類每一次在醫(yī)學上對微生物的認知提升和對致病微生物斗爭的勝利，都依賴于科學技術(shù)的進步。我們相信，未來測序技術(shù)的應(yīng)用將使得病原微生物核酸診斷越來越便捷，成為捍衛(wèi)人民生命健康的有力武器。