Preview

Антибиотики и Химиотерапия

Расширенный поиск

Клиническая метагеномика — новый подход в диагностике инфекционных заболеваний человека

https://doi.org/10.37489/0235-2990-2024-69-9-10-61-70

EDN: KMMVLH

Аннотация

Несмотря на значительные успехи фундаментальных биологических и медицинских наук, инфекционные болезни остаются на глобальном уровне одной из ведущих причин смертей. Диагностика жизнеугрожающих состояний, таких как бактериемия, сепсис, менингит и энцефалит не редко ограничена низкой чувствительностью культурального метода. Использование ПЦР, как и разных серологических подходов, ограничено набором специфических праймеров, ДНК-зондов, антител и антигенов, которые специфичны только для узкого круга возможных потенциальных возбудителей. Точная и своевременная лабораторная диагностика инфекционных заболеваний имеет критическое значение. В последнее десятилетие сформировалось отдельное направление — клиническая метагеномика, как новый подход в медицинской микробиологии. Это диагностика без постановки клинической гипотезы (hypothesis free diagnostics), поскольку метод позволяет выявить потенциально любой патоген, в независимости от его биологической природы. В обзоре рассматриваются возможности и эффективность использования методов метагеномного секвенирования для идентификации бактериальных, вирусных, грибковых и паразитарных возбудителей инфекционных заболеваний человека.

Об авторах

В. В. Гостев
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России» ; ФГБОУ ВО Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова Минздрава России
Россия

Гостев Владимир Валерьевич — к. б. н., старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии; доцент кафедры медицинской микробиологии

Санкт-Петербург 



Л. И. Железова
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России»
Россия

Железова Людмила Ильинична — к. м. н., старший научный сотрудник научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии

Санкт-Петербург 



П. С. Чулкова
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России»
Россия

Чулкова Полина Сергеевна — младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии

Санкт-Петербург 



А. А. Авдеева
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России»
Россия

Авдеева Алиса Александровна — лаборант-исследователь научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии

Санкт-Петербург 



О. С. Калиногорская
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России»
Россия

Калиногорская Ольга Серафимовна — к. м. н., научный сотрудник научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии

Санкт-Петербург 



В. А. Агеевец
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России»
Россия

Агеевец Владимир Андреевич — к. б. н., научный сотрудник научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии

Санкт-Петербург 



И. А. Цветкова
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России» ; ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный педиатрический университет Минздрава России
Россия

Цветкова Ирина Анатольевна — к. б. н., младший научный сотрудник научно-исследовательского отдела медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии; ассистент кафедры микробиологии, вирусологии и иммунологии

Санкт-Петербург 



А. В. Журавлев
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России» ; СПб ГБУЗ «Клиническая инфекционная больница им. С. П. Боткина»
Россия

Журавлев Антон Вячеславович — врач-инфекционист гепатологического центра; аспирант

Санкт-Петербург 



С. В. Сидоренко
ФГБУ «Детский научно-клинический центр инфекционных болезней ФМБА России» ; ФГБОУ ВО Северо-Западный государственный медицинский университет им. И. И. Мечникова Минздрава России
Россия

Сидоренко Сергей Владимирович — д. м. н., профессор, чл.-корр. РАН, заведующий научно-исследовательским отделом медицинской микробиологии и молекулярной эпидемиологии; профессор кафедры медицинской микробиологии

Санкт-Петербург 



Список литературы

1. GBDAR. Global mortality associated with 33 bacterial pathogens in 2019: a systematic analysis for the Global Burden of Disease Study 2019.G. B. D. A. R. Collaborators. Lancet. 2022; 400 (10369): 2221‒2248.

2. Руководство по инфекционным болезням. Под ред. Е. С. Белозеров, Ю. И. Буланьков, В. В. Васильев и др. 2. СПб.: ООО «Издательство Фолиант», 2011; 743. ISBN 978-5-93929-219-1.

3. Poole S., Kidd S. P., Saeed K. A review of novel technologies and techniques associated with identification of bloodstream infection etiologies and rapid antimicrobial genotypic and quantitative phenotypic determination. Expert Rev Mol Diagn. 2018; 18 (6): 543‒555. doi: 10.1080/14737159.2018.1480369.

4. Khan A. R., Hussain W. L., Shum H. C., Hassan S. U. Point-of-care testing: a critical analysis of the market and future trends. Frontiers in Lab on a Chip Technologies. 2024; 3.

5. Chiu C. Y., Miller S. A. Clinical metagenomics. Nat Rev Genet. 2019; 20 (6): 341‒355. doi: 10.1038/s41576-019-0113-7.

6. Charalampous T., Kay G. L., Richardson H., Aydin A., Baldan R. et al. Nanopore metagenomics enables rapid clinical diagnosis of bacterial lower respiratory infection. Nat Biotechnol. 2019; 37 (7): 783-792. doi: 10.1038/s41587-019-0156-5.

7. Blauwkamp T. A., Thair S., Rosen M. J., Blair L., Lindner M. S. et al. Analytical and clinical validation of a microbial cell-free DNA sequencing test for infectious disease. Nat Microbiol. 2019; 4 (4): 663-674. doi: 10.1038/s41564-018-0349-6.

8. Thair S., Seng H., Hollemon D., Hong D., Blauwkamp T. et al. The SEPSEQ trial: clinical validation of the karius plasma next-generation sequencing test for pathogen detection in sepsis. Open Forum Infectious Diseases. 2017; 4 (Suppl 1): 735-735.

9. Batool M., Galloway-Pena J. Clinical metagenomics-challenges and future. Front Microbiol. 2023; 14: 1186424. doi: 10.3389/fmicb.2023.1186424.

10. Li N., Ma X., Zhou J., Deng J., Gu C. et al. Clinical application of metagenomic next-generation sequencing technology in the diagnosis and treatment of pulmonary infection pathogens: A prospective singlecenter study of 138 patients. J Clin Lab Anal. 2022; 36 (7): e24498. doi: 10.1002/jcla.24498.

11. Hogan C. A., Yang S., Garner O. B., Green D. A., Gomez C. A. et al. Clinical impact of metagenomic next-generation sequencing of plasma cellfree DNA for the diagnosis of infectious diseases: a multicenter retrospective cohort study. Clin Infect Dis. 2021; 72 (2): 239-245. doi: 10.1093/cid/ciaa035.

12. Du J., Zhang J., Zhang D., Zhou Y., Wu P. et al. Background filtering of clinical metagenomic sequencing with a library concentration-normalized model. Microbiol Spectr. 2022; 10 (5): e0177922. doi: 10.1128/spectrum.01779-22.

13. Fida M., Khalil S., Abu Saleh O., Challener D. W., Sohail M. R. et al. Diagnostic value of 16S ribosomal RNA gene polymerase chain reaction/sanger sequencing in clinical practice. Clin Infect Dis. 2021; 73 (6): 961-968. doi: 10.1093/cid/ciab167.

14. Salter S. J., Cox M. J., Turek E. M., Calus S. T., Cookson W. O. et al. Reagent and laboratory contamination can critically impact sequence-based microbiome analyses. BMC Biol. 2014; 12: 87. doi: 10.1186/s12915-014-0087-z.

15. Stevenson M., Pandor A., Martyn-St James M., Rafia R., Uttley L. et al. Sepsis: the lightcycler septifast test MGRADE (R), sepsitest and IRIDICA BAC BSI assay for rapidly identifying bloodstream bacteria and fungi — a systematic review and economic evaluation. Health Technol Assess. 2016; 20 (46): 1–246. doi: 10.3310/hta20460.

16. Haag H., Locher F., Nolte O. Molecular diagnosis of microbial aetiologies using SepsiTest in the daily routine of a diagnostic laboratory. Diagn Microbiol Infect Dis. 2013; 76 (4): 413–418. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2013.04.027.

17. Meyer T., Franke G., Polywka S. K., Lutgehetmann M., Gbadamosi J. et al. Improved detection of bacterial central nervous system infections by use of a broad-range PCR assay. J Clin Microbiol. 2014; 52 (5): 1751–1753. doi: 10.1128/JCM.00469-14.

18. Vanhee M., Flore K., Vanthourenhout S., Hellemans J., Muyldermans A. et al. Implementation of full-length 16S nanopore sequencing for bacterial identification in a clinical diagnostic setting. Diagn Microbiol Infect Dis. 2024; 108 (2): 116156. doi: 10.1016/j.diagmicrobio.2023.116156.

19. Lao H. Y., Wong L. L., Hui Y., Ng T. T., Chan C. T. et al. The clinical utility of Nanopore 16S rRNA gene sequencing for direct bacterial identification in normally sterile body fluids. Front Microbiol. 2023; 14: 1324494. doi: 10.3389/fmicb.2023.1324494.

20. Chen X., Cheng K., Sun X., Zhang Y., Cao Z. et al. Comparison of traditional methods and high-throughput genetic sequencing in the detection of pathogens in pulmonary infectious diseases. Ann Transl Med. 2021; 9 (8): 702. doi: 10.21037/atm-21-1322.

21. Wang C., You Z., Fu J., Chen S., Bai D. et al. Application of metagenomic next-generation sequencing in the diagnosis of pulmonary invasive fungal disease. Front Cell Infect Microbiol. 2022; 12: 949505. doi: 10.3389/fcimb.2022.949505. eCollection 2022.

22. Zhang M., Wang W., Li X., Zhang X., Yang D. Fast and precise pathogen detection and identification of overlapping infection in patients with CUTI based on metagenomic next-generation sequencing: A case report. Medicine (Baltimore). 2021; 100: 49: e27902. doi: 10.1097/MD.0000000000027902.

23. Yang Y., Walls S. D., Gross S. M., Schroth G. P., Jarman R. G. et al. Targeted sequencing of respiratory viruses in clinical specimens for pathogen identification and genome-wide analysis. Methods Mol Biol. 2018; 1838: 125–140. doi: 10.1007/978-1-4939-8682-8_10.

24. Pogka V., Papadopoulou G., Valiakou V., Sgouras D. N., Mentis A. F. et al. Targeted virome sequencing enhances unbiased detection and genome assembly of known and emerging viruses-the example of SARS-CoV-2. Viruses. 2022; 14 (6): 1272. doi: 10.3390/v14061272.

25. Briese T., Kapoor A., Mishra N., Jain K., Kumar A. et al. Virome capture sequencing enables sensitive viral diagnosis and comprehensive virome analysis. mBio. 2015; 6 (5): e01491–15. doi: 10.1128/mBio.01491-15.

26. Kapoor V., Briese T., Ranjan A., Donovan W. M., Mansukhani M. M. et al. Validation of the VirCapSeq-VERT system for differential diagnosis, detection, and surveillance of viral infections. J Clin Microbiol. 2024; 62 (1): e0061223. doi: 10.1128/jcm.00612-23.

27. McGill F., Tokarz R., Thomson E. C., Filipe A., Sameroff S. et al. Viral capture sequencing detects unexpected viruses in the cerebrospinal fluid of adults with meningitis. J Infect. 2022; 84 (4): 499–510. doi: 10.1016/j.jinf.2021.12.042.

28. Gan M., Zhang Y., Yan G., Wang Y., Lu G. et al. Antimicrobial resistance prediction by clinical metagenomics in pediatric severe pneumonia patients. Ann Clin Microbiol Antimicrob. 2024; 23 (1): 33. doi: 10.1186/s12941-024-00690-7.

29. Kuroda M., Sekizuka T., Shinya F., Takeuchi F., Kanno T. et al. Detection of a possible bioterrorism agent, Francisella sp., in a clinical specimen by use of next-generation direct DNA sequencing. J Clin Microbiol. 2012; 50 (5): 1810–2. doi: 10.1128/JCM.06715-11.

30. Wilson M. R., Naccache S. N., Samayoa E., Biagtan M., Bashir H. et al. Actionable diagnosis of neuroleptospirosis by next-generation sequencing. N Engl J Med. 2014; 370 (25): 2408–2417. doi: 10.1056/NEJMoa1401268.

31. Aubry A., Corvilain E., Ghelfenstein-Ferreira T., Camelena F., Meignin V. et al. Unmasking Bartonella henselae infection in the shadows of long COVID thanks to clinical metagenomics. Eur J Clin Microbiol Infect Dis. 2024; 43 (5): 1025–1029. doi: 10.1007/s10096-024-04801-2.

32. Chiu C. Y., Coffey L. L., Murkey J., Symmes K., Sample H. A. et al. Diagnosis of fatal human case of St. Louis encephalitis virus infection by metagenomic sequencing, California, 2016. Emerg Infect Dis. 2017; 23 (10): 1964–1968. doi: 10.3201/eid2310.161986.

33. Wilson M. R., Suan D., Duggins A., Schubert R. D., Khan L. M. et al. A novel cause of chronic viral meningoencephalitis: Cache Valley virus. Ann Neurol. 2017; 82 (1): 105–114. doi: 10.1002/ana.24982.

34. Farrington M., Elenz J., Ginsberg M., Chiu C. Y., Miller S. et al. Powassan virus infection detected by metagenomic next-generation sequencing, Ohio, USA. Emerg Infect Dis. 2023; 29 (4): 838–841. doi: 10.3201/eid2904.221005.

35. He S., Wei J., Feng J., Liu D., Wang N. et al. The application of metagenomic next-generation sequencing in pathogen diagnosis: a bibliometric analysis based on Web of Science. Front Cell Infect Microbiol. 2023; 13: 1112229. doi: 10.3389/fcimb.2023.1112229.

36. Forbes J. D., Knox N. C., Peterson C. L., Reimer A. R. Highlighting clinical metagenomics for enhanced diagnostic decision-making: a step towards wider implementation. Comput Struct Biotechnol J. 2018; 16: 108–120. doi: 10.1016/j.csbj.2018.02.006.

37. Fourgeaud J., Regnault B., Ok V., Da Rocha N., Sitterle E. et al. Performance of clinical metagenomics in France: a prospective observational study. Lancet Microbe. 2024; 5 (1): e52–e61. doi: 10.1016/S2666-5247(23)00244-6.

38. Fu Z. F., Zhang H. C., Zhang Y., Cui P., Zhou Y. et al. Evaluations of clinical utilization of metagenomic next-generation sequencing in adults with fever of unknown origin. Front Cell Infect Microbiol. 2021; 11: 745156. doi: 10.3389/fcimb.2021.745156.

39. Feng S., Rao G., Wei X., Fu R., Hou M. et al. Clinical metagenomic sequencing of plasma microbial cell-free DNA for febrile neutropenia in patients with acute leukaemia. Clin Microbiol Infect. 2024; 30 (1): 107–113. doi: 10.1016/j.cmi.2023.05.034.

40. Schulz E., Grumaz S., Hatzl S., Gornicec M., Valentin T. et al. Pathogen detection by metagenomic next-generation sequencing during neutropenic fever in patients with hematological malignancies. Open Forum Infect Dis. 2022; 9 (8): ofac393. doi: 10.1093/ofid/ofac393.

41. Kalantar K. L., Neyton L., Abdelghany M., Mick E., Jauregui A. et al. Integrated host-microbe plasma metagenomics for sepsis diagnosis in a prospective cohort of critically ill adults. Nat Microbiol. 2022; 7 (11): 1805–1816. doi: 10.1038/s41564-022-01237-2.

42. Jing C., Chen H., Liang Y., Zhong Y., Wang Q. et al. Clinical evaluation of an improved metagenomic next-generation sequencing test for the diagnosis of bloodstream infections. Clin Chem. 2021; 67 (8): 1133–1143. doi: 10.1093/clinchem/hvab061.

43. Wilson M. R., Sample H. A., Zorn K. C., Arevalo S., Yu G. et al. Clinical metagenomic sequencing for diagnosis of meningitis and encephalitis. N Engl J Med. 2019; 380 (24): 2327–2340. doi: 10.1056/NEJMoa1803396.

44. Wang Y. N., Wu Y. T., Cao L., Niu W. Q. Application of metagenomic next-generation sequencing in the etiological diagnosis of refractory pneumonia in children. Front Microbiol. 2024; 15: 1357372. doi: 10.3389/fmicb.2024.1357372.

45. Zhan Y., Xu T., He F., Guan W. J., Li Z. et al. Clinical evaluation of a metagenomics-based assay for pneumonia management. Front Microbiol. 2021; 12: 751073. doi: 10.3389/fmicb.2021.751073.

46. Tsitsiklis A., Osborne C. M., Kamm J., Williamson K., Kalantar K. et al. Lower respiratory tract infections in children requiring mechanical ventilation: a multicentre prospective surveillance study incorporating airway metagenomics. Lancet Microbe. 2022; 3 (4): e284–e293. doi: 10.1016/S2666-5247 (21)00304-9.

47. Mu S., Hu L., Zhang Y., Liu Y., Cui X. et al. Prospective evaluation of a rapid clinical metagenomics test for bacterial pneumonia. Front Cell Infect Microbiol. 2021; 11: 684965. doi: 10.3389/fcimb.2021.684965.

48. Lv M., Zhu C., Zhu C., Yao J., Xie L. et al. Clinical values of metagenomic next-generation sequencing in patients with severe pneumonia: a systematic review and meta-analysis. Front Cell Infect Microbiol. 2023; 13: 1106859. doi: 10.3389/fcimb.2023.1106859.

49. d'Humieres C., Gaia N., Gueye S., de Lastours V., Leflon-Guibout V. et al. Contribution of clinical metagenomics to the diagnosis of bone and joint infections. Front Microbiol. 2022; 13: 863777. doi: 10.3389/fmicb.2022.863777

50. Wilson M. R., Shanbhag N. M., Reid M. J., Singhal N. S., Gelfand J. M. et al. Diagnosing balamuthia mandrillaris encephalitis with metagenomic deep sequencing. Ann Neurol. 2015; 78 (5): 722–30. doi: 10.1002/ana.24499.

51. Feng L., Zhang A., Que J., Zhou H., Wang H. et al. The metagenomic next-generation sequencing in diagnosing central nervous system an giostrongyliasis: a case report. BMC Infect Dis. 2020; 20 (1): 691. doi: 10.1186/s12879-020-05410-y.

52. Williams E., Isles N. S., Seemann T., Kilpatrick T., Grigg A. et al. Case report: confirmation by metagenomic sequencing of visceral leishmaniasis in an immunosuppressed returned traveler. Am J Trop Med Hyg. 2020; 103 (5): 1930–1933. doi: 10.4269/ajtmh.19-0841.

53. Schneeberger P. H. H., Becker S. L., Pothier J. F., Duffy B., N'Goran E. K. et al. Metagenomic diagnostics for the simultaneous detection of multiple pathogens in human stool specimens from Cote d'Ivoire: a proof-of-concept study. Infect Genet Evol. 2016; 40: 389-397. doi: 10.1016/j.meegid.2015.08.044.

54. Hoang M. T. V., Irinyi L., Hu Y., Schwessinger B., Meyer W. Long-readsbased metagenomics in clinical diagnosis with a special focus on fungal infections. Front Microbiol. 2021; 12: 708550. doi: 10.3389/fmicb.2021.708550.

55. Lin L., Zhang J. Role of intestinal microbiota and metabolites on gut homeostasis and human diseases. BMC Immunol. 2017; 18 (1): 2.

56. Greninger A. L. The challenge of diagnostic metagenomics. Expert Rev Mol Diagn. 2018; 18, (7): 605-615. doi: 10.1080/14737159.2018.1487292.

57. Dulanto Chiang A., Dekker J. P. From the pipeline to the bedside: advances and challenges in clinical metagenomics. J Infect Dis. 2020; 221 (Suppl 3): S331-S340. doi: 10.1093/infdis/jiz151.


Рецензия

Для цитирования:


Гостев В.В., Железова Л.И., Чулкова П.С., Авдеева А.А., Калиногорская О.С., Агеевец В.А., Цветкова И.А., Журавлев А.В., Сидоренко С.В. Клиническая метагеномика — новый подход в диагностике инфекционных заболеваний человека. Антибиотики и Химиотерапия. 2024;69(9-10):61-70. https://doi.org/10.37489/0235-2990-2024-69-9-10-61-70. EDN: KMMVLH

For citation:


Gostev V.V., Gelezova L.I., Chulkova P.S., Avdeeva A.A., Kalinogorskaya O.S., Ageevets V.A., Tsvetkova I.A., Zhuravlev A.V., Sidorenko S.V. Clinical Metagenomics: a New Approach to Diagnostics of Infectious Diseases. Antibiot Khimioter = Antibiotics and Chemotherapy. 2024;69(9-10):61-70. (In Russ.) https://doi.org/10.37489/0235-2990-2024-69-9-10-61-70. EDN: KMMVLH

Просмотров: 396


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 0235-2990 (Print)