Nature综述 | 如何利用宏基因组学方法诊断与监测病毒型病原体 (viral pathogens)

https://www.nature.com/articles/s41579-025-01223-5

传统检测的困局

感染患者的病原体可能是病毒或者细菌。传统PCR检测需要针对特定病原体设计引物，而血清学检测则依赖已知的抗体或抗原。即使多重PCR面板能同时检测几十种病原，其范围依然有限。

目前，“宏基因组学”正在拉开一场临床诊断和公共卫生监测的技术革命。该方法不预设病原体，能在茫茫序列海洋中揪出真凶——无论是已知的"敌人"，还是从未露面的新型病毒。

宏基因组学方法：无差别扫描序列

宏基因组学方法提供的解决方案是：对样本中所有核酸序列（DNA和RNA）进行大规模测序，无需任何预设目标。其核心优势在于：

• 无假设检测：能发现任何已知或未知的病原体（病毒、细菌、真菌、寄生虫）。

• 测序信息可深度挖掘：不仅能检测未知病原体，还能获取其全基因组序列，用于追踪变异、溯源疫情、研究毒力等。

• 尤其擅长病毒发现： 对于未知病毒，宏基因组测序几乎是目前唯一可行的检测手段。

• 能分析样本中共存的病原体（病毒、细菌等）及潜在的相互作用。

  
  

临床宏基因组测序的“破案”流程：

1. 样本采集与保存：血液、脑脊液、呼吸道样本、组织、粪便、污水等均可作为检测样本，关键在于妥善保存核酸。

2. 核酸提取与纯化：从样本中分离出总DNA和RNA。关键挑战在于如何有效去除宿主核酸信号： 可利用差异裂解（选择性裂解人细胞）、rRNA去除、靶向富集病毒、选择低宿主背景样本（如脑脊液等）等方法。

3. 测序文库制备：将核酸处理成适合测序仪读取的形式（如加接头等）、RNA需先逆转录成cDNA。

4. 测序：短读长测序（如Illumina）：成熟、准确、通量高、成本相对低，是目前临床主流（但可能需要样本批量处理以降低成本）。长读长测序（如Oxford Nanopore, ONT）：设备便携、可实时产出数据、读长长利于序列拼接，适合急需快速诊断的场景。灵敏度和准确性仍在持续验证优化中。

5. 生物信息学分析（关键“解码”环节）：①序列质量控制与过滤，去除人源序列；②序列组装；③将序列与微生物基因组数据库比对，数据库的选择（范围、是否临床相关）和算法直接影响结果的准确性；④结果过滤：对比阴性对照、设置丰度阈值以排除污染等；⑤高级分析：基因组覆盖度可视化、变异检测、分型、系统发育分析等；⑥生成临床报告： 将复杂数据转化为医生可理解的信息；⑦结果解读与报告：临床医生与科学家合作，结合患者临床表现，鉴定/确认引起感染或免疫反应的病原体。

Summary of bioinformatics analysis for metagenomics for viral detection.

宏基因组测序与qPCR检测方法的优缺点总结

宏基因组方法检测新型病原体面临的挑战：

尽管前景光明，宏基因组学要成为常规诊断和监测工具，仍面临挑战：

1. 污染控制： 从采样到试剂、实验操作、生信分析，每一步都可能引入污染。严格的阴性对照和阳性对照（含已知病原）不可或缺。

2. 标准化与验证： 缺乏统一的国际标准和经过充分验证、适用于不同样本类型和场景的流程。

3. 成本与时效： 整体成本仍显著高于传统PCR，且流程更为复杂。更快的检测速度和更高的灵敏度（接近qPCR）是目前研发重点。

4. 数据解读： 区分病原体、定植菌和测序污染物等需要专业知识。

5. 临床效用与卫生经济学考量： 需要更多研究证明其在改善患者预后、节省医疗成本方面的价值，以指导合理应用。

   
   

目前针对病毒常用的生物信息学分析工具

宏基因组学的未来充满融合与创新

1. 宏转录组学应用（Metatranscriptomics）：不仅检测微生物存在，还能同步分析宿主（患者）的免疫反应基因表达谱，获得“病原体+宿主免疫指纹”的双重信息，能帮助确认感染活动、区分定植与致病、解释阴性结果，甚至揭示病毒是否触发了自身免疫反应等。

2. 设备自动化与微型化： 从核酸提取到生信分析的全流程自动化，以及便携式诊断设备的开发，降低操作复杂性、缩短周转时间、减少对专家的依赖，推动技术下沉。

3. 人工智能（AI）赋能：利用机器学习分析复杂测序数据，区分病毒与非病毒序列，辅助发现新型病毒。基于基因组信息预测病毒的致病性、传播潜力、人畜共患风险等。整合临床数据，增强数据互联提高结果解读的准确性和效率，实现实时预警、区域乃至全球疫情监测网络构建，最大化数据价值。

宏基因组测序的应用总结

参考文献：Torres Montaguth, O.E., Buddle, S., Morfopoulou, S. et al. Clinical metagenomics for diagnosis and surveillance of viral pathogens. Nat Rev Microbiol (2025). https://doi.org/10.1038/s41579-025-01223-5