一

宏基因组测序，何为“宏”

宏基因组（metagenome）是指环境中所有微生物基因组的总和。mNGS技术不针对某个微生物特定种群进行单一性测序，而是以样品中整个微生物群落基因组作为研究对象，无需分离培养，直接提取环境样本的DNA进行高通量测序。测序结果与已知的微生物基因组数据库进行比对，进而得出样本中微生物属种和序列数。

二

宏基因组测序，怎么“测”

宏基因组测序需要依赖NGS测序技术。所谓NGS技术，是将模板DNA打断成小片段后，采用桥式PCR或乳液PCR对片段文库进行扩增，通过捕捉新合成末端的标记来确定DNA序列，同时对几十万到几百万条DNA模板进行测序的一种高通量、自动化测序技术。经典的宏基因组测序包括样品制备、文库构建、上机测序和数据分析四步。其中在数据分析环节，目前宏基因组分析方法主要分为测序读段映射和从头组装（de novo sequencing）。 

三

宏基因组测序，如何“用”

1. mNGS在中枢神经系统感染中的应用 ：流行病学研究表明，约50％的脑炎患者未能诊断出病因。2014年mNGS首次成功应用于临床脑膜炎患者的病原学诊断，由此开启mNGS临床应用先河。2015年北京协和医院Guan等报道了4例疑似病毒性脑炎患者的脑脊液研究，应用mNGS成功检出2例单纯疱疹病毒1型、1例单纯疱疹病毒2型与1例水痘带状疱疹病毒，展现了mNGS在病毒性中枢神经系统感染诊断的临床应用前景。2016年Yao等报道了应用mNGS诊断李斯特菌脑膜炎的研究结果，将mNGS的临床应用拓展到中枢神经系统细菌感染诊断。对于神经侵袭性罕见病原体，mNGS也具有明显检测优势。如Wilson等经脑脊液和脑组织mNGS检测发现一例卡奇谷病毒脑膜炎患者，后经PCR和免疫组化证实该病毒的存在。对mNGS在中枢神经系统感染的大样本研究分析显示，mNGS应为慢性和复发性脑炎的一线诊断方法。

2. mNGS在呼吸系统感染中的应用：mNSG对苛养菌（如结核/非结核分枝杆菌、诺卡菌、放线菌、厌氧菌等）和病毒的检测灵敏度优于或不劣于传统检测方法。2018年由上海三家医院联合发表一项针对重症肺炎病例的多中心回顾性研究中，将mNGS检测结果纳入辅助诊断依据并调整治疗方案，可显著提高重症肺炎病例28天和90天生存率，其中90天生存率从57.7% 提高到83.8%。mNGS检出致病菌阳性率明显高于对照组，表明mNGS在重症肺炎病原体快速检测，提高病例生存率方面所发挥的重要作用。

3. mNGS在血液系统感染中的应用：mNGS对血液样本中游离DNA（cfDNA）测序，可鉴定病原体并推断其对抗菌药物的敏感性。Abril等首次利用mNGS技术确诊了1例犬链球菌感染引起的疑难败血症休克病例，并经血培养和16S rRNA测序证实。同年，中国研究团队报道了78例ICU患者的血浆cfDNA mNGS结果和血培养结果，结果显示mNGS在病原体检测中具有更高的灵敏性。目前，mNGS作为新的血流感染早期诊断方法被写入急危重症患者血流感染专家共识中，共识推荐血流感染的诊断可辅助使用分子检验手段，如PCR、质谱、mNGS等无需培养的方法，同步进行入院时样本中的病原检测。

4. mNGS在局灶性感染中的应用：2019年复旦大学附属华山医院发表了单中心回顾性研究，共纳入98例局灶感染病例。研究发现mNGS的敏感性显著高于培养法等传统微生物诊断方法，更能额外检出34种病原体。对于骨和关节感染的病例，滑膜液、植入物的超声清洗液以及假体周围的组织均可用作mNGS检测标本。尤其推荐微生物培养结果为阴性、经验性抗菌药物治疗效果不佳以及清创效果差的患者使用mNGS进行病原检测。另外，mNGS还应用于眼部感染的诊断。与常规方法相比，在有限眼内液的前提下，mNGS以其独特的检测优势可检测出更多的病原体，满足眼部感染的诊断需求。

参考文献

1. Ramachandran PS, Wilson MR. Metagenomics for neurological infections - expanding our imagination[J]. Nat Rev Neurol, 2020.

2. Simner PJ, Miller S, Carroll KC. Understanding the Promises and Hurdles of Metagenomic Next-Generation Sequencing as a Diagnostic Tool for Infectious Diseases[J]. Clin Infect Dis, 2018, 66(5): 778-788.