测序技术推动病原微生物检测行业发展

作者：张馨予

测序技术的发展使人类有能力阅读生物基因组这本浩瀚的“生命之书”。在新冠肺炎疫情防控中，相比于传统的病原检测手段，测序技术逐渐成为一个创新的病原核酸检测工具。测序技术的不断进步，在推动着整个病原微生物检测行业高速、创新发展。

□ 梁永贾雪峰蒋智

测序技术历史沿革

脱氧核糖核酸（Deoxyribo Nucleic Acid，DNA）是生物细胞中最重要的遗传物质，由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）四种碱基组成。测序技术，即指获得DNA片段碱基排列顺序的技术。自1977年沃特·吉尔伯特（Walter Gilbert，美国物理学家与生物化学家）和弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger，英国生物化学家）发明了第一台测序仪并应用其测定了第一个基因组序列开始，人类犹如打开了基因组的“生命之书”，获得了探索生命遗传本质的能力。自此，生命科学的研究进入了基因组学时代。

桑格发明的测序方法被称为第一代测序技术，其一次反应只能获得一条长度在700~1000个碱基的序列，测序通量非常低。但由于其单次反应价格低廉、测序准确性高，目前仍有应用，如作为测序的“金标准”对新测序技术结果的验证等。

第二代测序技术（Next-Generation Sequencing,NGS）为高通量测序技术，相对于传统的第一代测序技术来说是革命性的发展，一次运行即可同时得到几百万甚至上亿条核酸分子的序列，使得测序通量大大增加。二代测序技术现已成为全球科研平台、临床检测领域使用范围最广的主力测序技术。科研方面，主要应用包括基因组测序、转录组测序、群体测序、扩增子测序、宏基因组测序、重测序等；在医学领域的应用也十分广泛并逐渐发展成熟，主要包括无创产前检测（NIPT）、肿瘤相关基因检测、遗传病基因检测、宏基因组病原微生物检测等。

科技的发展和进步从未停止。第三代测序技术，即单分子测序技术也在不断成熟，该技术在保证测序通量的基础上，对单条长序列进行从头测序，能够直接得到长度达数万个碱基的核酸序列信息。利用其测序长的特点，可以填补基因组中大片段的序列信息，在全基因组组装中具有独特优势。

在不到50年的时间内，测序技术发生了一代又一代的革新，不断助力科学家在生命科学领域的重大发现；同时，作为一种核酸检测技术，也逐渐应用在临床检测领域。测序技术的大规模应用主要得益于成本的快速下降，在早期，人类基因组计划耗资30亿美元才获得了大部分的人类基因组信息，而目前最具代表性的测序技术——NGS早已将人类全基因组测序成本控制在1000美元以内。正是以NGS为代表的测序技术不断创新，成本不断下降，推动行业不断地探索其在各个领域的应用场景。

病原微生物检测技术迭代升级

对人和动物具有致病性的微生物称为病原微生物，又称病原体。传统的感染病病原学检测方法依靠形态学、免疫学以及病原体分离培养等方法。虽然目前自动化培养和鉴定系统不断产生，传统鉴定方法也在逐步改进，加快了检验速度；但整体上检测周期长、检测靶标单一、经验猜测困难、检出阳性率低的问题仍然没有从根本上得到解决。尤其是在应对一些未知病原体或罕见病原体时，常常面临着难以及时鉴定病原的难题，同时形态学检验受检测人员经验影响较大，容易产生误诊。

随着科技水平发展，分子生物学检测技术日新月异，对病原微生物的鉴定已不再局限于普通外部形态结构和生理生化特性等的一般检验上，而是深入到分子水平、核酸水平。病原微生物的核酸序列即基因片段都是特异的，有别于其他种或属，检测其特有的基因片段序列可用来鉴别病原微生物。随着科技的发展，常规病原微生物分子诊断方法以聚合酶链式反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）为基础。PCR是一种在体外用已知寡核苷酸引物引导未知片段中微量待测基因片段并进行扩增的技术，能够对特定病原体做到快速、准确检测。如目前大规模使用的新型冠状病毒核酸检测多数都是基于荧光PCR技术。但此种方法也存在一定的局限性，因为依赖已知病原微生物的特定序列及荧光种类的限制，其单次检测靶标数量非常有限，检测目标必须十分明确，对于未知病原无能为力。

随着技术的进步，以宏基因组为代表的二代测序技术正在逐渐成为一种创新性的病原微生物核酸检测技术。宏基因组高通量测序技术（Metagenomic next-generation sequencing,mNGS）通过直接提取样本中全部微生物的核酸，构建宏基因组文库，通过一次检测即可获得样本中全部核酸信息，从而分析整个微生物组及患者样本中的人类宿主基因组或转录组。该技术的特点是无须培养和无偏倚性、灵敏度高、病原覆盖面广、可进行混合感染的检测。

自2014年起，国内外多个研究团队陆续发表了mNGS进行临床样本检测的研究，对此项技术在临床应用中的准确性、灵敏度以及临床价值进行评估，也成为目前全球病原感染研究的重要热门领域之一。国内多个行业专家协会近几年也陆续发表了多篇针对mNGS临床应用的专家共识，如2019年发表的《宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染应用的专家共识》；2020年发表的《中国宏基因组学第二代测序技术检测感染病原体的临床应用专家共识》；2021年发表的《宏基因组高通量测序技术应用于感染性疾病病原检测中国专家共识》，体现了此项技术在国内正在快速得到临床认可。

NGS病原检测行业创新发展

正是因为基因检测技术在病原检测领域应用的广阔市场和前景，国内外大量的资本和企业都在不断涌入，促进了整个行业快速发展。当前，我国病原宏基因组检测产品的转化和临床应用规模都处于国际领先。经过几年市场竞争的筛选，行业内也逐渐涌现出数个有代表性的领军企业，例如天津金匙医学科技有限公司（以下简称金匙医学）、深圳华大因源医药科技有限公司、杭州迪安医学检验中心有限公司。其中，金匙医学不断深耕分子诊断技术在感染领域的应用，面向呼吸、血液、检验、重症、感染等科室，提供病原微生物宏基因组诊断产品及检测服务的整体解决方案。

纵观人类历史，从显微镜的发明到PCR技术的应用，再到测序技术的横空出世，人类每一次在医学上对微生物的认知提升和对致病微生物斗争的胜利，都依赖于科学技术的进步。我们相信，未来测序技术的应用将使得病原微生物核酸诊断越来越便捷，成为捍卫人民生命健康的有力武器。

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