综述：宏基因组测序在传染病诊断和治疗中的应用进展与挑战：从病原体谱识别到个性化抗菌策略

《Diagnostic Microbiology and Infectious Disease》：Advances and Challenges in the Application of Metagenomic Sequencing for the Diagnosis and Treatment of Infectious Diseases: From Pathogen Spectrum Identification to Personalized Antimicrobial Strategies

mNGS技术通过高通量非靶向测序实现多病原体检测与功能注释，在神经系统、呼吸道及血液感染等复杂病例中显著提高诊断率，并支持抗生素耐药性监测与个体化治疗决策，但存在低微生物载量样本灵敏度不足、生物信息学分析复杂等技术挑战，未来需结合人工智能与多组学整合提升临床应用价值。

　　

彭贤丽|张玲

广东省人民医院珠海医院（珠海金湾中心医院）实验室医学科，珠海，广东519000

摘要

传染病仍然是全球重大的公共卫生问题，需要快速准确地识别病原体。尽管传统的诊断方法如培养、PCR和免疫学检测被广泛使用，但它们受到处理时间较长、检测范围狭窄以及识别未知病原体能力较差的限制。无靶向的宏基因组测序（mNGS）作为一种非靶向、高通量的检测技术，能够广泛识别多种微生物并进行功能基因注释，因此在传染病诊断中变得越来越重要。本综述总结了mNGS在神经系统感染、呼吸道感染和血流感染等关键场景中的临床价值。同时讨论了其在抗菌素耐药性（AMR）监测和个性化治疗中的应用，指出了当前在灵敏度、生物信息学分析和结果解释方面面临的挑战，并简要探讨了涉及人工智能（AI）、多组学整合和医疗信息系统整合的未来发展方向。目的是为mNGS在传染病诊断和治疗中的标准化应用提供参考。

引言

传染病仍然是全球重大的公共卫生负担。根据世界卫生组织（WHO）的数据，每年有超过1100万人死于与感染相关的疾病[1]，其中很大一部分是由于未识别的病原体或未能及时启动针对性治疗而导致的不良后果。这一挑战在免疫功能低下者、接受侵入性手术的患者以及入住重症监护病房的患者中尤为突出，因为这些患者的感染往往复杂且发病隐匿。传统的微生物学诊断方法，包括培养、聚合酶链反应（PCR）和免疫学检测，受到周转时间较长、对预定义目标依赖性强以及检测罕见或新出现病原体能力不足的限制。这些限制常常导致诊断延迟和基于经验的抗菌治疗，从而增加了不确定性[2,3]。

mNGS作为一种非靶向和高通量的技术，能够实现广谱病原体识别和功能基因注释，特别适用于病因不明的感染、多重微生物感染或常规检测结果为阴性的病例[4,5]。近年来，多个地区已经探索了mNGS的临床应用途径，使其从研究工具转变为标准化的诊断策略[6,7]。美国传染病学会（IDSA）指南和中国关于神经系统感染诊断与治疗的专家共识（2023年）均推荐对传统诊断方法结果为阴性的疑似感染患者使用mNGS[8]。2024年IDSA/ASM关于微生物实验室在传染病诊断中应用的指南讨论了先进分子诊断技术（包括下一代测序平台）作为辅助工具在诊断困难病例中的潜在作用，而不是常规的一线检测方法[9]。特别是，临床研究和研究表明，在中枢神经系统感染等情况下，宏基因组下一代测序（mNGS）能够提供更广泛的病原体检测[10]。临床研究还表明，与标准方法相比，mNGS在疑似中枢神经系统感染中的诊断性能有所提升[11]。随着人工智能（AI）的引入、参考数据库的扩展和宿主反应模型的发展，mNGS的研究正从“能否检测到病原体”转向“如何解释结果”以及“这些结果能否指导临床决策”。因此，其应用范围正在扩展到毒力预测、抗菌素耐药性（AMR）特征分析和个性化治疗干预[12,13]。

在此背景下，本综述旨在通过系统总结宏基因组测序在代表性传染病场景中的当前应用来满足未满足的临床需求。我们进一步评估了其在抗菌素耐药性监测和个性化治疗策略中的潜在作用，分析了与工作流程标准化、结果解释和AI辅助分析相关的技术挑战，并讨论了将其整合到精准感染管理框架中的未来方向。本综述旨在为mNGS在临床微生物学领域的标准化应用提供参考。

部分摘录

技术工作流程概述

mNGS包括五个核心步骤：样本处理、核酸提取、文库制备、高通量测序和生物信息学分析，共同构成了从临床样本到微生物识别和功能注释的闭环工作流程[14]。由于其非靶向性质，每个步骤都对分析灵敏度和背景噪声控制提出了严格的要求。

在样本处理阶段，对于微生物量较低的样本（如血液等）...

临床应用场景的分类

在临床实践中，mNGS主要应用于三类复杂的传染病场景（图3），作为传统诊断方法的有效补充：

抗菌素耐药性相关基因的识别与解释挑战

mNGS在临床抗菌素耐药性监测中的一个主要优势是能够检测多种已知的抗生素耐药基因（ARGs），如blaOXA-23、blaNDM和mecA。这一能力对于早期预警重症患者中的多重耐药（MDR）病原体尤为重要[50]。识别这些耐药决定因子有助于避免无效的抗菌治疗并优化治疗方案。

表3总结了选定的...

准确性限制及提高诊断性能的策略

尽管mNGS大大扩展了病原体检测的范围，但在微生物量较低的样本（如脑脊液和血液）中，准确性仍然存在挑战。在这些样本中，宿主来源的核酸通常占测序读数的90%以上，稀释了微生物信号，导致低丰度病原体被遗漏[52]。现有的宿主清除策略（包括酶消化和磁珠富集）受到样本类型的限制...

结论

mNGS正推动传染病诊断向更高精度、系统集成和智能化发展。由于其非靶向设计、广谱检测能力和功能注释潜力，mNGS在中枢神经系统感染、严重肺炎和多重耐药感染等复杂场景中展示了显著的临床价值，同时也为个性化抗菌治疗提供了决策支持。然而，mNGS的常规临床应用...

伦理批准和参与同意

不适用。

出版同意

不适用。

数据和材料的可用性

本研究使用的数据可应要求向通讯作者索取。

资助声明

本研究未获得任何形式的资助。

作者贡献

彭贤丽构思并设计了综述框架。彭贤丽和张玲进行了文献搜索、数据收集和分析。彭贤丽起草了初稿。张玲对初稿进行了重要内容的审阅和修改。两位作者共同审阅并批准了最终版本的手稿，并同意对工作的所有方面负责。

作者贡献声明

彭贤丽：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、监督、软件使用、资源管理、方法学设计、研究实施、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思。张玲：撰写 – 审稿与编辑、可视化、监督、资源管理、方法学设计、正式分析、数据管理。