引言

中枢神经系统（CNS）感染，如脑膜炎（meningitis）、脑炎（encephalitis）和脊髓炎（myelitis），是一类严重且可能致命的疾病。想象一下，一个年轻的母亲，突然发现她的孩子发高烧并且表现出意识模糊，医生怀疑是脑膜炎。这种不确定性和等待明确诊断的时间对家人来说无疑是一种巨大的煎熬。及时而准确的诊断对于避免不必要的痛苦和进一步的并发症至关重要。然而，在临床实践中，这类感染的诊断往往面临巨大挑战，尤其是当常规诊断技术（如培养法、血清学和核酸扩增检测）未能确定明确的病因时。研究表明，约有50%的脑膜脑炎病例未能找到明确的病原，这给临床医生在做出诊断和治疗决策时带来了巨大的负担。近年来，宏基因组下一代测序（metagenomic next-generation sequencing, mNGS）作为一种全面的感染性疾病诊断工具逐渐崭露头角。与传统的靶向方法不同，mNGS无需预设病原假设，可以同时检测多种微生物，包括细菌、病毒、真菌和寄生虫。这就像是给医生一把全面而强大的显微镜，可以揭示任何潜藏的敌人。这在具有多样化临床表现且病因不明的CNS感染病例中尤为有用。11月12日Nature Medicine的报道“Seven-year performance of a clinical metagenomic next-generation sequencing test for diagnosis of central nervous system infections”深入探讨了mNGS在CNS感染诊断中的应用。

时间回到2016年，加州大学旧金山分校（University of California, San Francisco, UCSF）的一间实验室里，研究人员正在设法找到一种能够解答长期困扰医生和患者的问题的技术：如何在不确定病原体的情况下，迅速、全面地诊断感染。这个问题的答案就是宏基因组下一代测序（mNGS）。该方法在通过临床实验室改进修正案（Clinical Laboratory Improvement Amendments, CLIA）认证的临床微生物学实验室中进行。从2016年6月至2023年4月，UCSF共分析了4,828份脑脊液（cerebrospinal fluid, CSF）样本。

从2016年的116份样本到2022年的1,067份，mNGS的应用量显著增加。这不仅是一个数据的增长，更代表着无数患者和家庭从中受益。在所有这些样本中，共检测到797种病原体，包括363种DNA病毒（45.5%）、211种RNA病毒（26.4%）、132种细菌（16.6%）、68种真菌（8.5%）和23种寄生虫（2.9%）。每一个数字背后都代表着曾经迷茫无助的患者，如今找到了明确的病因和治疗方向。

mNGS技术的进步使其成为一种强有力的工具。想象一下，医生不再需要根据经验或假设猜测病原体的类型，而是通过一次全面的检测，就能发现潜在的病原。这种检测不仅更快，而且更准确，这在那些复杂且无法通过常规检测明确病因的病例中，极大地提高了诊断的可能性，带来了更多希望和治愈的机会。

CNS感染的诊断挑战

如果一位患者，她因发热、剧烈头痛以及意识模糊而被送入急诊室，医生怀疑是中枢神经系统感染。脑膜炎、脑炎、脊髓炎——这些疾病的症状有很多重叠，如何快速且精准地找到根源是最大的挑战。常规的诊断方法，如培养、血清学和核酸扩增检测，常常无法在时间上满足需要，尤其是在一些复杂的病例中，传统方法的敏感性可能不足50%，这意味着大约一半的患者没有得到确切的诊断，治疗也无法精准展开。

mNGS的出现如同一道曙光。不同于传统测试需要事先假设病原体的类型，mNGS可以在一次检测中揭示所有潜在病原体的存在。它可以检测到难以培养的细菌、被忽略的病毒和寄生虫。例如，新型脑炎病毒和低丰度细菌在常规检测中往往被遗漏，而mNGS却能高效识别它们，这使得医生的工作变得更加确定，也使得患者的生命有了更多的保障。

此外，mNGS并不依赖于任何已知的假设，因此在面对那些复杂、诊断困难的病例时显得尤为有效。对于那些无法通过常规检测确诊的病例，mNGS成为了一条生命线，为患者提供了及时而有效的治疗方案。这不仅仅是技术的进步，更是无数生命故事中的重要转折点。

mNGS在CNS感染中的表现

根据UCSF的数据，从2016年到2023年，共检测了4,828份CSF样本，其中14.4%的样本呈阳性。这些阳性样本中的病原体类型极为多样，包括363种DNA病毒、211种RNA病毒、132种细菌、68种真菌和23种寄生虫。每一个数字背后，都代表了患者从病痛中解脱的故事。

在这些研究中，mNGS展现了出色的表现。灵敏度达到63.1%，特异性为99.6%，总体诊断准确性为92.9%。相比之下，传统方法的灵敏度明显偏低。例如，间接血清学测试的灵敏度仅为28.8%，而直接CSF检测和非CSF检测的灵敏度分别为45.9%和15.0%。这种显著的差异不仅是技术上的进步，更代表了在患者等待确诊的关键时刻，mNGS为他们提供了更快、更可靠的答案。

更为重要的是，mNGS能够识别传统方法无法检测到的病原体。在分析的1,164份样本中，有21.8%的病原体是通过mNGS独家检测到的，这对于那些因病原体不明而陷入治疗困境的患者而言，无疑是雪中送炭。例如，一个饱受病痛折磨的患者，最终通过mNGS找到了真正的病因，医生因此得以制定出有效的治疗方案，这样的故事在临床中不胜枚举。

宏基因组下一代测序（mNGS）测试的真实阳性结果的评估，及与其他微生物检测方法的比较（Credit: Nature Medicine）

各检测方法诊断的重叠情况（图a）：mNGS、脑脊液直接检测（CSF direct detection）、非脑脊液直接检测（non-CSF direct detection）、以及血清学检测（serologic testing）四种检测方法在中枢神经系统（CNS）感染中的诊断重叠情况。通过一个比例维恩图，可以看到这些检测方法之间在诊断病原体方面的重叠和独立性。仅通过mNGS或最先由mNGS检测到的病原体（图b）：通过mNGS检测到的病原体，其中有48种病原体仅通过mNGS检测到，19种病原体是最先由mNGS检测到的。在这19种病原体中，有11种是通过平行运行的另一种微生物检测方法确认的，而8种则是仅在最初由mNGS检测阳性后，才通过其他方法进行的正交确认。每种诊断方法检测到的病原体数量和类型（图c）：四种诊断方法（mNGS、脑脊液直接检测、非脑脊液直接检测、血清学检测）各自检测到的病原体数量和类型。可以直观地看到，不同检测方法在特定病原体检测中的优势，例如mNGS在检测所有类型病原体方面表现良好，除了真菌检测，相比之下，CSF直接检测方法对真菌的检测更为有效。mNGS与其他诊断方法的性能比较（图d）：mNGS测试与其他诊断方法的2×2列联表，比较了其敏感性和特异性等性能指标。通过McNemar双侧检验，可以看到mNGS测试在诊断CNS感染时，相比于传统的诊断方法，显示出更高的敏感性和特异性。例如，mNGS的整体敏感性为63.1%，特异性为99.6%，而其他检测方法的敏感性通常较低，尤其是在病原体丰度低或脑脊液样本质量较差的情况下示了mNGS在CNS感染诊断中的显著优势，特别是在病因不明的复杂感染病例中，mNGS可以提供更准确和全面的病原体检测结果。

mNGS的临床应用及适用性

对于急性中枢神经系统感染的患者来说，时间是至关重要的。mNGS的中位检测周转时间为3.7天，这远比传统的培养方法快得多。而对于病情危急的患者来说，这几天的时间差可能就是生与死的区别。考虑到样本采集和运输的时间，mNGS的整体检测周转时间为10.5天，相较于非UCSF患者的平均11.4天有所缩短。

mNGS不仅在时间上具有优势，其适用性也非常广泛。不同年龄、性别的患者都可以从中受益。数据显示，53%的样本来自男性患者，42.2%来自女性患者，其余为其他或未明确性别的人群。在这些患者中，24.1%为儿童，54.6%为成年人，20.8%为老年人。这些数据表明，无论是脆弱的儿童，还是免疫力逐渐减弱的老年人，mNGS都能为他们提供可靠的诊断支持。

mNGS在免疫功能低下的患者中的应用尤为重要。对于艾滋病患者或接受免疫抑制治疗的患者，传统的血清学检测方法往往无法提供准确的结果。mNGS通过直接检测病原体基因组，可以弥补这一不足，从而为这些高风险患者带来明确的诊断方向。例如，一位接受化疗的患者由于免疫系统受损，感染了不明原因的病原体，常规检测均未能找到病因，而mNGS检测成功发现了感染的病毒，使得患者得以及时接受了针对性的抗病毒治疗。

mNGS的有效性

在众多mNGS的成功案例中，有一个典型案例令人印象深刻。患者是一名免疫功能低下的老人，因持续的发热和意识混乱被送入医院。所有的常规检测均未能找到明确的病因，医生和家属面临巨大的不确定性。最终，医生决定使用mNGS进行检测。结果显示，患者感染了巨细胞病毒（CMV）。这一诊断使得医生能够立即对症下药，患者的病情得到了稳定控制。这不仅挽救了患者的生命，也使他的家属从焦虑和恐惧中解脱出来。

另一个案例涉及到一名儿童，她被怀疑患有病毒性脑炎，但常规检测几次都未能找到病因，病情却不断恶化。在医生的建议下，进行了mNGS检测，结果显示感染了少见的博卡病毒（Bocavirus）。通过抗病毒治疗，孩子的症状得到了显著缓解。对于这名儿童的父母来说，mNGS不仅仅是一个检测工具，它更像是孩子生命中的救星，让他们看到了希望。

还有一位青年患者，出现了脑膜炎的典型症状，但所有的常规检测结果都是阴性。mNGS显示出感染的是脑膜炎奈瑟氏菌（Neisseria meningitidis），这种检测结果使得患者得以接受及时而有效的抗生素治疗，从而显著改善了他的病情预后。这样的故事在每一个使用mNGS的临床案例中不断上演，这种技术帮助无数患者找到了看似遥不可及的康复之路。

mNGS的优势与局限性

尽管mNGS展示了巨大的潜力，但它并非完美无缺。其灵敏度可能受到病原体浓度和宿主背景DNA的影响，病原体浓度过低或宿主DNA水平过高都可能导致假阴性结果。此外，mNGS的费用较高，这限制了其在资源有限地区的可及性。

另一个挑战是结果的解读。由于mNGS的“无假设”特性，它可能检测到多种微生物，其中包括那些可能与疾病无关的共生菌或环境污染菌。因此，如何准确地解读这些复杂的宏基因组数据，正确区分致病菌和无害菌，是临床医生面临的重要挑战。

为解决这些问题，UCSF团队通过结合患者的电子健康记录与mNGS数据，并与临床团队合作，提高了诊断的准确性。这种结合临床背景与mNGS结果的方法，是未来最大化mNGS潜力的重要方向。此外，结合人工智能和机器学习技术，可以帮助自动识别和解释检测结果，提高诊断的准确性和一致性。这将是未来mNGS在临床应用中的重要发展方向。

mNGS的未来无疑充满希望，但也充满挑战。降低检测成本、提高灵敏度和特异性，以及优化数据分析是未来发展的关键。结合机器学习和人工智能，进一步提高宏基因组数据分析的准确性和速度，也将是重要的发展方向。

目前，mNGS主要作为传统诊断方法的补充，特别是在常规检测无果的病例中。然而，随着技术的不断进步和成本的逐步降低，mNGS有望成为一种标准化的感染性疾病诊断工具。对于那些复杂和难以诊断的病例，mNGS不仅提高了诊断的成功率，还为患者提供了更为精准的治疗方案，从而改善了临床结局。

随着更多医院和实验室的采用，标准化的检测流程和数据分析方法将变得尤为重要。建立统一的质量控制标准和数据解释规范，将有助于确保mNGS在不同实验室之间的可比性和一致性，确保每一位患者在任何地点都能得到相同质量的诊断服务。

未来，随着更多研究和技术的发展，mNGS有望成为感染性疾病诊断中的“金标准”方法。通过不断改进和优化，mNGS将帮助无数患者找回健康，为他们的家庭带来新的希望和曙光。每一个成功的诊断背后，都有一个充满勇气与坚持的故事，而mNGS就是这些故事中的关键角色，帮助我们战胜疾病，走向康复。

参考文献

Benoit, P., Brazer, N., de Lorenzi-Tognon, M. et al. Seven-year performance of a clinical metagenomic next-generation sequencing test for diagnosis of central nervous system infections. Nat Med (2024). https://doi.org/10.1038/s41591-024-03275-1

责编|探索君

排版|探索君

转载请注明来源于【生物探索】

声明：本文仅用于分享，不代表平台立场，如涉及版权等问题，请尽快联系我们，我们第一时间更正，谢谢！

End