疫情中一战成名的病原NGS测序,距离成为爆款还有多远?

作者: 徐红
意外来得太突然。谁也没有想到,一场疫情竟然带火了这样一个NGS测序细分市场。

在科学家发现孕妇外周血中存在胎儿游离DNA,可以用来筛查胎儿患染色体疾病(唐氏综合征)风险之后,便诞生了无创产检(Noninvasive Prenatal Testing, NIPT)这一基于新一代高通量测序技术(Next  Generation Sequencing,NGS)的爆款应用,并一举撑起华大基因、达安基因、贝瑞和康等多家上市公司。

于是,从遗传疾病的辅助诊断到辅助生殖,从肿瘤伴随诊断到癌症早筛早诊,业界在推动更多NGS技术临床应用场景落地的同时,也在寻找下一个“NIPT”。

新冠疫情后,病原微生物NGS测序(新一代测序)的不断升温就这样给大家带来了几分期许。

疫情催化

2002年,SARS疫情爆发后,从11月广东佛山首个病例被报道,到次年4月病原体SARS冠状病毒最终被鉴定,历时整整5个月。

2019年底,又一场疫情肆虐全球。而这一次,中国科学家团队仅花费数天时间便锁定“真凶”—新型冠状病毒(SARS-CoV-2),并在第一时间公布了病毒的全基因组序列,为全球对抗疫情赢得了宝贵时间。

这是一起科技造福人类的故事,而故事背后的主角就是新一代测序技术(Next  Generation Sequencing,NGS)。

基因测序技术是基因检测的一种,自1977年第一代测序技术(Sanger法)问世以来,迄今已出现四种不同特点的测序技术。其中,凭借高通量、大规模、并行测序以及速度快、成本低等优势,新一代高通量测序技术(NGS测序技术)成为目前全球最主流的基因测序技术。

其实,早在此次新冠疫情之前,NGS技术就已经涉足病原微生物检测。2014年,《新英格兰医学杂志》(The New England Journal of Medicine,简称NEJM)曾报道宏基因组NGS测序(mNGS)辅助临床,为一位原因不明、反复发热、具有癫痫及脑积水症状的14岁男孩检测到病原并最终治愈的案例,这是历史上首个宏基因组测序(mNGS)临床应用成功的案例,拉开了NGS测序技术正式应用于病原微生物检测的帷幕。

公开资料显示,由病原微生物引起的感染性疾病已经成为全球死亡率和发病率最高的疾病之一。“而诊断是治疗与控制感染性疾病的关键一环。”因美纳大中华区感染及微生物市场经理梁蕊告诉华尔街见闻,“只有非常精准、快速地明确了病原体,医生才能在众多的抗生素药物当中,选择合适的药物去做治疗”。

“以严重脓毒血症患者为例,启动有效的抗生素治疗必须争分夺秒,每延迟一个小时的精确给药,患者死亡率就会提高约9%,而有效抗生素治疗的前提就是精准诊断。”梁蕊告诉华尔街见闻。

感染性疾病可累及人体各系统,比如循环系统、呼吸系统、神经系统等。而据华尔街见闻了解,在中枢神经系统相关感染性疾病的诊疗中,不能快速高效地确定病原体更是临床上一大痛点。

据首都医科大学附属北京天坛医院重症医学科副主任医师张琳琳介绍称,中枢神经系统感染疾病的病原学诊断一般都非常困难,如果是通过传统的细菌学培养,培养周期大概至少需要3天。并且由于脑脊液中病原体水平较低,导致脑脊液培养阳性率极低,只有6%~20%左右,“因此,中枢神经系统感染的诊断往往只能依赖于医生的临床经验”。

“另一方面,由于中枢神经系统疾病感染的死亡率、致残率高,在没有获得有效的细菌学证据前,为了让药物透过血脑屏障,常常会用大剂量广谱抗生素先行治疗。这又在某种程度上导致了抗生素的过量使用。因此,临床上一直在探索寻找更好的病原体诊断技术,以更好地指导临床实践。”张琳琳表示。

NGS测序技术在新冠疫情中的应用及出色表现让人眼前一亮,也吸引了包括医疗机构、卫生部门在内的各方的注意力,并开始加速推进这项技术在病原微生物检测中的应用。

特别是在抗生素使用管理日趋严格的大背景下,临床对于精准诊断和精准用药的需求随之增长。而如果能将NGS测序技术的应用前移至检测前端,就有望能在一定程度上提高抗生素的精准使用,进而改善抗生素耐药问题。

因此,为了进一步加强抗生素的临床使用,国家卫健委在今年10月28日发文提出,要提高住院患者抗菌药物治疗前病原学送检率。该文件同时还明确了常见病原学检验项目目录。而在分子快速诊断检测项目中,基因测序亦被归入其中,这也是首个将NGS测序技术落实到临床微生物检测的国家卫健委文件。

组合为王

“天下武功,唯快不破”,这是NGS测序技术能够在与时间赛跑的新冠疫情防控中脱颖而出的核心。另一方面,相对其他检测手段往往只是针对已知病原体,NGS测序可以鉴定未知病原体这一独一无二的优势也是它能够在疫情中站到台前的重要原因。

“NGS技术对病原微生物的检测主要有两种方法,包括宏基因组测序(metagenomic Next-Generation Sequencing,mNGS)和靶向测序(target Next-Generation Sequencing,tNGS)。其中,mNGS就是这次疫情鉴定出新冠病毒的技术。如果将mNGS看作是捕鱼,那就是用大网把鱼全部捞上来,然后再进行挑选,即经过样本处理、文库制备、并对样本中所有核酸进行测序、数据分析等工作后,找到目标病原体。”梁蕊告诉华尔街见闻。

“所以,宏基因组测序的优势就是无偏好性,因此特别适合检测新发、突发、罕见病原微生物。”梁蕊指出。

随着NGS测序技术步入高速发展,加上临床未满足需求日益凸显,两者自然而然也就走到了一起。

华尔街见闻注意到,不同于以往市场关注度大多集中在肿瘤NGS精准诊疗领域,在今年的进博会上,病原NGS检测开始升级为另一个热门话题。

作为全球新一代测序龙头,因美纳(Illumina)则更是不遗余力地在此次进博会上将医疗机构,以及因美纳生态圈“小伙伴”牵连在一起,希望在服务和满足好临床需求的同时,也能携手各方将基因检测的临床应用端做大。

“在感染这个领域,目前我们主要通过两类模式去服务临床。一方面,我们在国内有很多IVD的合作伙伴,包括杰毅、予果、微岩等,他们就是在因美纳Next Seq™ 550Dx测序平台上各自开发其mNGS解决方案,用于服务临床的病原微生物检测。”据梁蕊介绍。

“另一方面,由于感染性疾病的治疗对时间要求非常高,所以有一些临床单位会希望在院内开展病原微生物NGS检测,去掉样本物流环节,可以进一步缩短病原检测时间。这种情况下,我们会以技术赋能的形式去扶持这些医疗机构检验科、感染科或者分子诊断中心,让他们有开展病原微生物NGS检测的能力。”梁蕊表示。

不过,病原微生物宏基因组检测也并非没有短板,检测灵敏度便是其中一个。“这是因为mNGS病原微生物检测中,宿主信息占测序数据量中的90%以上,而病原微生物的信号相对较弱,因此对检测灵敏度的要求较高。”梁蕊告诉华尔街见闻。

对此,各家公司也在提高微生物信号方面积极优化技术。于是,靶向测序技术(targeted NGS, tNGS)就有了用武之地。

以因美纳为例,公司去年10月在美率先推出了一款采用了靶向测序技术的广谱呼吸道病原体耐药基因检测试剂盒,可以一次性覆盖282种DNA和RNA的病原体,同时包括部分耐药相关基因。

“所谓靶向测序,以这款试剂盒为例,就好比是同时拿了282个鱼竿去钓鱼,定向去钓我感兴趣的病原微生物。并且因为在测序时只对病原微生物核酸进行测序,这样就可以大幅度提高病原微生物的检测灵敏度,同时降低测序成本。”据梁蕊解释。

“另外,mNGS技术在不到10%微生物信号中寻找目标微生物的关联耐药基因,就如同从一大网鱼中去寻找一个鳞片,目前还不能很好实现。而tNGS针对性的探针设计解决了这个问题,这也是很多专家看好靶向测序的一个重要原因,即做病原体检测的同时又检测耐药基因。”梁蕊说。

她并认为,随着NGS测序成本的继续下降,加上操作便利性的进一步提升,未来在微生物NGS测序领域,宏基因组与靶向测序两种技术将齐头并进互为补充,“预计两者以产品组合的方式去服务临床将成发展趋势”。

“所以,未来比较理想的状态应该是,面对疑似感染的患者,可以先使用靶向测序技术一次检测,将常见的病原微生物以及相关耐药信息提供给临床。但如果感染病原体不在这个靶向测序试剂盒范围内,那可能就是比较罕见的,甚至是新发的病原体,就像这次新冠一样, 这个时候就可以使用宏基因组测序。”她说。

值得一提的是,由于国外疫情反复,加上新型冠状病毒变异株不断出现,因此NGS技术在国外已较多用于对新冠病毒变异的监测及追踪溯源。而在国内,《新型冠状病毒肺炎防控方案(第八版)》同样已经明确要求使用NGS测序技术进行病毒全基因组监测。

价值一旦被发现,必然将成为众人追逐的目标。所以当因美纳带着一众小伙伴撸起袖子加油干的时候,华大基因这样的国内龙头也不甘落后,加紧布局国内病原NGS测序市场,包括在今年年中推出号称最快4.5小时即能完成测序的全新病原微生物测序仪等。

另据了解,在靶向测序产品方面,国内也已经有企业紧随因美纳之后展开了相关研发,预计未来不断会有新品获批上市。

新冠疫情已经引燃临床病原微生物诊断百亿市场,而NGS测序技术借着这波浪潮,或许也不是没有打造出下一个现象级应用的可能。

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MobileUser5333
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猪猪侠
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确实是好东西👍

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