宏基因組測序助力新冠病毒檢測

2020-11-23 騰訊網

引子：

湖北省醫學影像專業委員會副主委譚偉認為，CT結果非常符合新冠肺炎但核酸檢測為陰性的病例大約佔30%—40%。

在杭州一所醫院，有個病人測了6次核酸試劑都為陰性，直到第7次才測出陽性。

怎麼解決這種「假陰性」的問題呢？相關專家建議，可以利用宏基因組測序（mNGS）一網打盡所有病原菌，從而徹底排除「假陰性」。

mNGS簡介

mNGS全稱，metagenomics next generation sequencing，因此這裡面涉及到兩個概念。一個是宏基因組，另外一個是二代測序。宏基因組學（Metagenomics）的概念最初由Jo Handelsman提出，其研究對象是樣品中的微生物群體基因組，通過測序和功能基因篩查來分析和研究微生物的種群結構、進化以及與環境之間的互作。在描述基因組時，經常用到下面這張圖。有基因組之前是釣魚，有基因組之後是網魚。基因組學家們先把魚撈出來，生化學家們再去研究功能。宏基因組也是一樣，我們不用再去分離病原微生物，只需要將其DNA測出來，我們就知道這裡面有啥致病菌了。

顯然傳統的Sanger測序手段通量太小，不適合宏基因組。因此，二代測序（next generation sequencing）技術的誕生才極大地推動了宏基因組的發展。NGS特點是通量高、單位鹼基價格便宜而且準確率高。NGS的代表技術有Roche公司的454焦磷酸技術、Illumina公司的單分子陣列技術和ABI公司的SOLiD (sequencing byoligonucleotide ligation and detection )。在結合這些技術的基礎上，mNGS應運而生，在病毒檢測、病原菌鑑定等方面發揮著越來越大的作用。mNGS流程可以大致分為5個步驟：樣本採集、核酸提取、構建文庫、上機測序和生信分析。具體protocol大家可以去諮詢相關測序公司哈。

mNGS與新冠病毒檢測

與傳統的研究方法相比，其最大的優勢不需要對微生物進行分離培養。由於微生物包括細菌、真菌、病毒、藻類和一些小型的原生動物，它們個體微小，卻與人類息息相關，廣泛涉及食品、醫藥、工農業、環保等諸多領域。因此，mNGS也在新病毒鑑定、臨床診斷和大氣微生物研究等方面得到廣泛應用。

mNGS特別適用於對病毒的檢測。由於病毒缺乏其他細胞生物所共有的核糖體RNA（原核的是16S，真核的是18S），所以mNGS幾乎是唯一的手段。因此，病毒mNGS可以提供很多病毒多樣性和進化的信息。

mNGS在此次新冠疫情中發揮了不可磨滅的作用。典型的例子有三個：

非典病毒SARS（2003）基因組鑑定耗時5月餘，禽流感病毒H7N9基因組（2013）鑑定耗時1月餘，而新型冠狀病毒基因組鑑定只用了5天！

2020年2月3日，復旦大學張永振教授團隊對患者支氣管肺泡灌洗液進行了mNGS分析，鑑定出了新型冠狀病毒，該病毒基因組與蝙蝠體內發現的SARS樣冠狀病毒基因組的相似性高達89.1%。

2020年2月20日，華南農業大學沈永義教授和肖立華教授團隊通過對穿山甲樣品進行mNGS分析，初步確定穿山甲是本次新型冠狀病毒的潛在中間宿主之一。

mNGS優勢及改進

mNGS的優勢在於：其一，通量高；其二，不受培養條件限制；其三，分析全面。其劣勢也很明顯，其一，成本過高，二是，操作流程複雜；三是，等待時間長。

此前的mNGS數據分析較為耗時，系統需要對2200萬個序列和病毒資料庫進行比對。整個過程需要30分鐘或更久。

針對檢測時間長的問題，達仁基因開發並免費開放了Apollo 2019-nCoV在線工具，醫療和科研人員可以直接在線進行分析mNGS數據，並自動相關分析報告。整個過程大約只需6分鐘。

阿里雲更近一步，免費開放的基因計算服務AGS（Alibaba Genomics Service），採用容器技術和GPU，即開即用，可同時運行多個病毒基因比對服務。檢測時間不到60秒。

結語

因此，建議將mNGS和RT-PCR進行優勢互補。前期大規模篩查，使用操作速度快成本低的RT-PCR，以便快速進行初步鑑定新型冠狀病毒核酸陽性；而對於「假陰性」，就可以進一步利用mNGS進一步確認可有效提高檢測結果的可靠性，並獲得是否有其他病原體感染的綜合信息，可以對病原微生物起到一網打盡的效果。

主要參考資料：

1.https://iivd.net/article-21164-1.html

2.https://science.sciencemag.org/content/291/5507/1221.full

3.https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1074552198901089

4.https://www.sohu.com/a/326265953_733985

5.http://sh.sina.com.cn/news/k/2020-02-17/detail-iimxxstf2141891.shtml

7.https://developer.aliyun.com/article/748300?groupCode=genomics

9. https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2020.02.17.951335v1

相關焦點

  • 一文讀懂測序技術在新冠病毒檢測中的應用
    測序技術在新冠病毒檢測中的意義和價值 在科學研究方向，採用高通量測序技術，可在第一時間獲取新發未知病毒的基因組序列信息，為突發疫情的防控和後續研究提供了幫助，例如通過構建進化樹揭示其病原相關特性、分析新冠病毒的進化來源、研究新冠病毒的致病病理機制等。
  • 助力一線新冠檢測 貝克曼庫爾特制定核酸檢測自動化方案
    在當前的嚴峻形勢下，儘快完成大量疑似病例的病毒核酸檢測，收治所有確診病人，將是疫情防控的重要工作。生命至上，小貝戰「疫」——貝克曼庫爾特生命科學特制定新型冠狀病毒核酸檢測自動化方案，為奮戰在一線的醫務人員、檢驗人員助力。
  • 宏基因組測序(mNGS),風口還是泡沫?
    宏基因組學（Metagenomics）又叫微生物環境基因組學、元基因組學，通過直接從環境樣品中提取全部微生物的DNA或RNA，構建宏基因組文庫，利用基因組學的研究策略研究環境樣品所包含的全部微生物的遺傳組成、群落功能，並可開發新的生理活性物質（或獲得新基因）。隨著基因測序技術的迅猛發展，基於二代測序的宏基因組學（宏基因組測序）成為了臨床的焦點。
  • 疫情中發揮重要作用的宏基因組測序,在本季度獲得資本追捧
    我國科學研究者對病毒序列、變異、核酸檢測手段的分享也為全世界應對 COVID-19 疫情帶來了極有力的支持。在病毒檢測過程中，一種測序技術獲得了市場的廣泛關注，這個技術就是宏基因組測序（mNGS）技術。宏基因組學（Metagenomics），是以特定環境樣品中整個微生物群落基因組作為研究對象，無需分離培養，直接提取環境樣本的 DNA 進行高通量測序。
  • 基因測序成PCR核酸檢測有效補充 火神山醫院已引入使用
    中國經濟周刊-經濟網訊 （記者 孫冰） 抗擊新冠肺炎疫情的「戰疫」正處在決勝階段，目前，火神山醫院累計出院人數已近兩千人。為把握患者治癒情況，火神山醫院的檢驗工作需確保出院患者核酸檢測陰性的準確性。因此，弱陽性患者的鑑別診斷，一直是需要解決的問題，如果能對他們有更精準診斷，就可以更高效運用醫療資源，救助更多新冠肺炎患者。
  • ...北京地壇醫院首證新冠病毒攻擊中樞神經系統,建議完善腦脊液檢測
    1丨北京地壇醫院首證新冠病毒攻擊中樞神經系統 ，建議完善腦脊液檢測北京地壇醫院4日公布，此前的2月25日，首例新冠肺炎合併腦炎患者從該院順利出院。該院ICU主任劉景院提醒：患者出現意識障礙，一定要考慮病毒有可能攻擊中樞神經系統。
  • 新聞裡提到的新冠病毒核酸檢測是如何檢測的?
    2020年這個新年的開啟方式與往年不同，舉國之力應對新型冠狀病毒（以下簡稱新冠病毒），央視新聞 「共同戰 『疫』」 不間斷直播，今天我們就來聊聊新聞裡常提到的核酸檢測。
  • Nat Med:科學家成功利用宏基因組測序技術快速識別人類體液中的病...
    2020年11月16日 訊 /生物谷BIOON/ --近日，一項刊登在國際雜誌Nature Medicine上的研究報告中，來自加利福尼亞大學等機構的科學家們通過研究發現，利用宏基因組測序技術（metagenomic sequencing）或能快速檢測人類體液樣本中的病原體，文章中，研究人員描述了他們如何對多種人群開展宏基因組測序檢測，其中大部分人群都是因病住院的患者
  • 新冠病毒變化多端,基因測序怎麼跟節奏
    雖然診斷工具和疫苗對當前的病毒仍然有效，但未來我們有可能需要進行調整。　　上周，世衛組織發布了一項全面的實施指南和風險監測框架，以幫助各國建立具有影響力的基因測序方案。　　基因測序利於追蹤病毒和疫情防控　　這份針對基因測試實施的指南稱，新冠病毒基因測序可以用於許多不同的領域，包括改進診斷、制定對策和疾病流行病學調查。
  • 張文宏:宏基因組使感染科飛速發展,從新冠開始進入新的時代
    近年來在感染領域備受關注的宏基因組技術是否徹底改變了該領域？復旦大學附屬華山醫院感染科主任張文宏認為，改變或者未改變事實上需要一次考驗，「當考驗來了以後，我們就知道是不是改變，我認為至少在這次新冠來臨中改變了。」
  • 三代nanopore宏基因組測序數據分析，北京，11月7-9日
    本期主題圍繞「nanopore宏基因組測序數據分析」，nanopore測序實時，快速，便攜，長度長，高通量等諸多特點，特別適合微生物研究。在新冠病毒研究以及後續病毒溯源方面都會有重要的應用。本次培訓班，我們將系統介紹納米孔測序在宏基因組中的應用，通過本次培訓班你將完成以下四大主題：1、熟悉納米孔測序；2、病原微生物快速鑑定；3、宏基因組數據分結果可視化；4、納米孔建庫測序實驗。課程特色1、真正的小班授課，提供助教，提供一對一指導，零基礎可學習。2.
  • Nature Protocols:空氣微生物宏基因組測序新技術
    2015年4月23日，Nature Protocols在線發表了題為Optimized DNA extraction and metagenomic sequencing of airbornemicrobial communities(空氣微生物DNA提取及宏基因組測序方法
  • PerkinElmer NGS整體解決方案助力新冠病毒的測序研究
    病毒進入宿主細胞後，首先以病毒RNA為模板表達RNA聚合酶，隨後RNA聚合酶完成負鏈RNA的轉錄合成、各種結構蛋白mRNA的合成，以及病毒基因組RNA的複製。新型冠狀病毒是以前從未在人體中發現的冠狀病毒新毒株。
  • 【安捷倫】鑑定新型冠狀病毒,宏基因組二代測序(mNGS)技術十分關鍵!
    2 月 20 日，bioRxiv  預印本平臺發布了華南農業大學沈永義教授、肖立華教授團隊關於新冠病毒中間宿主的研究成果、監測、跟蹤，以及溯源方面具有關鍵作用，更是新冠病毒研究的一大助力。宏基因組測序：病原體檢測的新風口1998 年，威斯康辛大學的 Jo Handelsman 提出宏基因組學（Metagenomics）的概念，並將其定義為：一種以環境樣品中的微生物群體基因組為研究對象，以功能基因篩選和測序分析為研究手段
  • 長三院聯合研發高通量測序晶片 將極大提升新冠病毒檢測精度
    近期，浙江清華長三角研究院和生捷科技(杭州)聯手，採用超高密度測序晶片技術，研發了新冠病毒檢測鑑定方案——病毒測序晶片全套技術。該晶片可以同時對包括新冠病毒全基因組，SARS冠狀病毒、中東呼吸綜合症冠狀病毒在內的100多種病毒進行高通量測序，實現精確檢測新冠病毒和其他常見呼吸道病原體。
  • 從宏基因組數據中挖掘、分析和整合病毒信號
    今天分享的生物信息分享工具，VirMiner，一款網頁伺服器，用於宏基因組數據的分析，挖掘、分析和整合病毒信號。一、背景病毒是微生物群落的重要組成部分，有助於其穩態和進化。人體腸道菌群中的病毒群落以噬菌體為主。
  • 疑似病例完成新冠病毒全基因組分析僅需半小時—新聞—科學網
    當前，針對新型冠狀病毒的主要檢測技術有免疫、PCR和高通量測序(NGS)三類，其中免疫和PCR方法是一種定向檢測，可以對病毒進行篩查，適合對患者標本中是否存在病毒進行診斷
  • 百度AI助力CDC完成北京疫情病例樣本病毒全基因組測序和...
    北京新一輪疫情牽動著人們的心，病毒基因組測序分析工作尤為迫切。為支持北京市疫情防控技術需要，中國疾控中心病毒病所應急技術中心在6月11日接收到北京市疾控中心送檢4份病例標本後，馬上開展核酸檢測與基因組測序等應急支撐工作，6月12日第一時間完成相關病例樣本病毒全基因組序列測定和分析工作，並及時報告給國家衛健委及北京市相關部門，為北京新冠疫情防控與病毒溯源提供重要科技支撐。
  • Nanopore宏基因組測序揭示汙水處理過程中可移動抗生素抗性基因組
    三代宏基因組本領大，相關文章更同樣層出不窮，今天給大家分享一篇Microbiome上的文獻，看看三代宏基因組是如何在文章中大展身手！通過Nanopore測序的可移動組ARGs平均佔ARGs總數的55%，染色體上的ARGs佔29%，此外還有16%不能明確分配給這兩個組中的任何一個。在SARG資料庫中的幾乎所有ARGs類型都在可移動組中檢測到，表明這些ARGs在質粒和ICEs廣泛分布（圖 1）。
  • 號外|風暴前夜的預警器:宏基因測序
    分析至此，研究人員已經基本可以確認這個患者的樣本裡面確實有一個病毒，這個病毒與所有已知基因組信息的病毒都不太像，可能是一種跟Bat SARS like coronavirus類似的新型病毒。——這個病毒，後來被確認為新冠病毒。該研究人員應用的mNGS技術，叫宏基因組測序技術。