快速检测临床样本中微生物的统一宏基因组学方法

2024-07-23 Tue
一种快速检测临床样本中微生物的统一宏基因组方法的研究背景介绍此次研究的背景是基于当前临床宏基因组学（clinical metagenomics）的局限性。临床宏基因组学是对临床样本中的所有微生物进行基因组测序的方法，理想情况下在耗尽人类DNA之后进行，以提高灵敏度并减少周转时间。然而，当前的人类DNA耗尽方法往往只能优先保留含有DNA或RNA的微生物，但不能同时保留两者。这一研究旨在描述和展示一种实用的、快速的机械宿主-耗尽方法，使得能通过纳米孔测序（nanopore sequencing）对RNA和DNA微生物进行同时检测。
源自这篇论文由Adela Alcolea-Medina、Christopher Alder、Luke B. Snell、Themoula Charalampous等多位作者共同完成，他们均来自英国伦敦的多家学术和医疗机构，包括Synnovis、Guy’s and St. Thomas’ NHS Foundation Trust、King’s College London、Quadram Institute Bioscience等。此论文发表在2024年出版的Communications Medicine期刊中。
研究流程研究流程与技术方法研究采用了多步骤流程：
机械裂解人类细胞：使用1.4mm的锆硅酸盐微球（zirconium-silicate spheres）机械裂解呼吸道样本中的人类细胞。
使用非特异性核酸内切酶：用一种非特异性内切酶（nonspecific endonuclease）耗尽人类DNA。
RNA转化为双链DNA：将RNA转化为双链DNA（dsDNA），使DNA和RNA微生物能够同时进行测序。
具体步骤如下：
样本离心：用1200g的离心力离心10分钟，使人类细胞沉淀。
珠击裂解：500μl的上清液在2ml裂解矩阵D中以50oscllations/s的速度进行3分钟的珠击裂解，以裂解人类细胞。
核酸消化：加入10μl的HL-SAN核酸酶并在37°C下消化10分钟以消化释放的人类核酸。
核酸提取：使用Roche公司的MagNA Pure 24系统进行DNA和RNA提取。
主要实验数据和结果该方法在不同试验中展现了优秀的性能数据：
人类DNA耗减：通过定量PCR测定，29个样本在人类DNA耗尽步骤前后的Ct值中位下降了7个周期。
微生物检测性能：广泛检测到多种病毒、细菌及真菌，在初步报告生成时间上表现出非常快的周转速率。
灵敏度和特异性：对细菌的检测灵敏度为90%，特异性为100%；对病毒的检测灵敏度为92%，特异性为100%，在2小时的测序时间后。
前瞻性验证：对33个下呼吸道样本的验证显示，与常规检测结果的吻合率为60%，21%的样本中检测到额外病原体。
实验以机械宿主耗尽方法结合纳米孔测序，展示了一种实用且快速的流程，能够在7小时的端到端工作流程内生成初步的自动化报告，且检测性能数据充分支持其具有临床应用的前景。
研究结论此研究通过描述一种快速、统一的宏基因组检测方法，展示了其在临床实验室中的应用潜力。这种方法的科学和应用价值包括：
快速识别和表征病原体：在急性感染的初期管理中，能够快速识别和表征临床样本中的所有病原微生物。
解决现有方法的局限性：现有方法在保留不同物理化学性质和丰度的微生物时存在效率不足的问题，而新方法通过机械宿主-耗尽克服这一挑战。
应用前景广阔：在包含多种病原体的样本中展示了良好的检测效果，有望在常规微生物学实验室进行评估和应用。
研究亮点与创新点高效耗减宿主DNA：机械方法在8个周期内减少了人类DNA，显著提高了微生物序列的检测灵敏度。
统一检测RNA和DNA微生物：传统方法往往不能同时有效检测RNA和DNA微生物，新方法能够实现RNA转化为双链DNA，使得检测变得可行。
快速周转时间：从样本处理到初步报告生成时间仅为7小时，非常适合临床实验室的快速需求。
其他有价值的信息本研究还提到了进一步改进工作流程和对更广泛的病原体样本进行验证的必要性。然而，当前的数据表明该方法具有成为临床可用工作流程的潜力，适用于常规微生物学实验室的评估。这一研究为未来的病原体检测和管理提供了新的思路和解决方案。
通过这项研究，我们看到了临床宏基因组学在应对急性感染初期处理中的潜力，有望成为快速识别和表征病原体的有力工具，从而改善诊断和治疗效率。在技术不断进步的背景下，宏基因组学的实际应用将迎来新的发展机遇。