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专访微岩医学技术和产品总监盖伟:基于NGS的病原微生物宏基因检测的机遇与挑战

近年来,随着高通量测序技术的日益成熟,测序成本大幅下降,越来越多基于高通量测序技术的检测应用走向临床,其中无创产前检测(NIPT)领域和肿瘤基因检测领域已各有多款产品通过国家监管部门审批,开启了正式服务临床之路。相对于以上两个领域,二代测序技术在感染性疾病领域的进入和发力时间较晚,但随着临床样本病原核酸提取及相应建库技术的日益成熟,病原微生物基因序列数据库的日益完善,基于二代测序技术的临床病原检测方法和产品开始得到临床专家和产业人士的重视与广泛关注。

宏基因组检测技术是二代测序在感染性疾病领域应用的代表性技术,作为国内首批专注于病原微生物宏基因组检测技术的开发者,微岩医学科技(北京)有限公司(以下简称微岩医学)技术和产品总监盖伟博士日前接受了测序中国专访,深度探讨了病原微生物宏基因检测在临床应用方面的现状及其未来发展趋势,以下为访谈实录。

测序中国:盖伟博士,您是如何踏入病原微生物宏基因组检测技术研究领域中的?

盖伟:我一直的梦想就是能投身民族制造业,扎扎实实地做一点能真正为临床提供帮助的好技术、好产品,为 “中国制造”贡献自己的微薄力量。所以从中科院博士毕业以后,我毫不犹豫地投身企业界,有幸加入了中国生物技术领域的“航母”——博奥生物集团,任职于转化医学研究院,自此开始了在转化医学领域的职业生涯。转化医学是一个将最前沿的科研进展转化为可日常应用的医学产品的领域。而从科研到产业、从技术到产品,这中间并不容易,甚至有巨大的鸿沟需要逾越。通俗来讲,这就是一个让高高在上的前沿技术“落地”或“接地气”的过程。这需要秉持极致的工匠精神,对各个技术环节精雕细琢,而这种一丝不苟的工匠精神也是我所崇尚的信仰,因此我平时的工作紧张劳累却充实愉悦。

我所在的微岩医学团队在病原微生物领域深耕十余年,有多个病原微生物产品的开发及注册报批从业经历。我也先后负责了呼吸道病毒微流控芯片、国境口岸输入性传染病快速检测产品、寨卡病毒快速检测产品、登革热等蚊媒病毒微流控检测芯片等一系列产品的开发工作,也因相关成果荣幸地获得了北京市科技新星、北京市组织部优秀骨干人才等人才奖项。其中最让我印象深刻的是2016年初,寨卡病毒疫情在南美地区爆发流行,时值里约奥运前夕,南美各国高度重视,我们当时的团队凭借多年积累的经验,快速开发了寨卡病毒快速检测试剂,并配合相关部门快速制备了假病毒颗粒参考品,随后我代表博奥集团协同中国医药集团团队共同赴南美厄瓜多尔,协助其国家公共卫生调查研究所(INSPI)抗击寨卡疫情,最后得到厄方INSPI的高度评价。走出国门让我再一次感受到祖国的强大,进一步加深了民族自豪感,也更加深刻地认识到了病原诊断产品的临床价值,博奥这艘航母对我的培养,我内心充满感激和感恩。

二代测序技术的飞速发展证明了它的强大能力,我们当然也从很早就开始探索研究二代测序技术在病原检测领域的应用。2014年美国团队在《新英格兰医学杂志》上发表了一篇石破天惊的案例,报道了应用宏基因组二代测序技术成功诊断传统方法无法探明的脑内钩端螺旋体感染,彻底打开了宏基因组病原检测技术的科学大门。这是一种能将临床感染病原诊断从传统的有限个别物种检测变为超广谱的全面筛查,从预判式验证检测变为无需预判的无偏检测的变革性技术,将有望对当前的临床感染检测现状产生较大颠覆,并改变人们对很多临床微生物知识的认知。在病原诊断试剂行业的多年经验,让我们深刻认识到它的价值所在,更加快了对宏基因组病原检测技术的开发。

测序中国:请您简单介绍一下病原微生物宏基因组检测技术以及微岩医学团队在其中取得的一些成果。

盖伟:我认为病原微生物宏基因组检测技术(metagenomics Next Generation Sequencing,mNGS),在病原检测领域是一种称得上变革性、颠覆性的新技术。这种技术无需提前预知感染微生物,理论上能面向所有人体可能感染微生物进行检测,且不依赖于传统的微生物培养,可直接对临床样本中的核酸进行检测,而且它有很高的检测灵敏度,这些技术特点使我们看到了对一众病原进行“全景扫描”的曙光。这种超广谱筛查技术并非当前大多数病原诊断技术“先假设后验证”(即先由临床大夫根据经验推断可能的微生物感染,然后开单做相应的检测)的检测思路,深刻变革了传统病原体检测的思路,使得临床在面对复杂疑难感染时,进行全面的、超广谱的筛查变为现实,为解决未知感染提供了一种强大武器。

但是,病原宏基因组检测技术的技术环节也较多,包括样本预处理、不同样本类型的微生物核酸提取、文库制备、高通量测序仪测序、生物信息学分析、病原检测报告出具及解读等一系列环节,属于流程较复杂和多学科交叉的技术。微岩团队在十余年中在分子生物、病原微生物、生信分析技术和芯片设备等交叉学科领域均有较深积累,我对相关交叉学科也有一些理解和体会,尤其是各环节间的配合衔接。这样一个复杂的系统流程,有基于化学试剂的样本制备、基于分子生物的文库构建、基于测序设备的高通量测序、基于生物信息的大数据分析、基于临床微生物学的报告解读以及底层核心数据库等,任何一个环节的缺陷都将成为限制产品性能的瓶颈

我们团队曾经开发的病原宏基因组检测产品在国内实现了三个首次:1)首次推出DNA和RNA共测序产品;2)首次推出耐药基因随行检测;3)首次推出包括覆盖度、估测浓度、覆盖谱图等有效辅助临床判断的大信息量报告。而我们开发的宏基因组产品也在中检院组织的协作标定测评中获得优异成绩。

测序中国:病原微生物宏基因组检测的价值主要体现在哪里?有哪些技术难题有待突破?

盖伟:目前,传统的临床感染病原学检测仍不尽如人意,这主要体现在有约15%~25%的肺部感染、20%的血流感染及40%~60%的脑部感染最终无法确定病原体。宏基因组技术的价值主要体现在从多个维度为上述问题提供了解决的可能性。首先,宏基因组技术以生物共同的遗传物质为检测对象,这就将千差万别的微生物统一为核酸的检测,很好地解决了微生物多样性的问题;其次,宏基因组技术对核酸进行随机、无偏的全部测序,解决了需要提前预判、靶向检测的问题。例如,传统的分子诊断技术也是基于核酸的检测技术,但都是基于先验假设的靶向检测,亦即,推测可能是流感病毒感染,那就指定做一个流感检测,根据检测结果验证自己的推测。而mNGS是随机无偏的,无需提前预判。第三,宏基因组技术有高灵敏度的检测能力。理论上讲,只要测到一条病原微生物的特征性序列,就可以得知病原体的存在,而单个样本的测序量可达几千万条序列。宏基因组技术的这种无偏非靶向兼具高灵敏度的特点,使它在临床疑难、危重、罕见感染的诊断方面极具价值。

当然,任何技术都有其局限性,宏基因组技术强大的能力背后也有一系列技术困难。

首先,临床感染可能面对外周血、肺泡灌洗液、脑脊液、组织、痰液、引流液、尿液等各种标本类型,如何建立统一的核酸提取标准并获得最大的病原核酸提取效率是首先要面对的难题。mNGS检测的是病原核酸,如果连核酸都拿不到,检测更将沦为空谈。此外,人宿主核酸也会极大干扰检测,在核酸提取环节,还要考虑如何做到有效去除宿主核酸、富集病原核酸,进而提高检测灵敏度。

其次,在建库和测序环节,兼容合并DNA和RNA两种遗传物质,并据此选择合适的测序策略也是一大困难。

再次,在生物信息分析方面,现有已发表的方法算法各异,性能表现不一,用于临床辅助精准诊断经常表现不佳。另外业内也没有现成的病原数据库可用,需要自建,这就涉及上万种微生物基因序列的收集、注释、校正,而这是一个非常繁琐庞杂的工作,非常考验各个团队的微生物和生信功底。

另外,对于检测结果如何正确解读,比如如何指导临床正确区分背景菌、污染菌、定植菌、病原菌等,也考验着各个团队对临床感染的理解。

最后,感染症状一般进展迅速,临床感染检测对时效性的要求非常高,需要在拿到样本后非常短的时间内给出结果,这个时间通常在48小时以内甚至24小时以内,这就要平衡测序深度、测序成本、交付时间等各种因素,以适合产业化应用,最大程度地帮助临床解决问题。

测序中国:我们了解到,您的团队所开发的微岩病原微生物宏基因组检测系统已成功应用于复杂、疑难感染精准诊断中,您如何看待中国的病原微生物宏基因组检测?

盖伟:在我国,面对临床感染,当前临床微生物实验室主要有以下几种手段鉴定病原:1)显微镜检测,优点是“眼见为实”,但其应用场景受到较多限制;2)传统的分离培养、鉴定、药敏实验等检测,这是大多数微生物鉴定的金标准,主要缺陷是有大量不可培养、难培养、培养阳性率低等微生物;3)对病原抗原或抗体检测,优点是便捷快速,主要缺点是可检对象有限、某些试剂特异性差或灵敏度差;4)质谱,对细菌的蛋白、多糖等靶标进行检测再根据已知菌种数据库比对而鉴定,优点是可对细菌进行广谱的鉴定,但局限性也较多,一方面大多数还不能做到样本直检,必需培养增菌,这就遇到培养法同样的困难,另一方面,面对混合感染时较乏力,此外,对病毒、寄生虫等的鉴定同样有较大技术困难;5)基于核酸扩增的检测,如PCR、RCA、RPA、LAMP、NASBA等,这一类检测技术均同样是单指标、有限几个指标的检测。由于现有的每种技术都有自身的优点及局限性,实际临床面对感染时通常是多种技术手段一起使用,但即使如此,仍有相当多的感染病例无法确认病原。

此外,“限抗令”也进一步推升着病原学精准诊断的需求和地位。自2011年国家出台众多政策限制对抗生素的使用以来,微生物病原学检测的重要性日益显著。从2016年的抗生素管控到相关微生物检验科室的逐步规范,再到2018年明确微生物检验优先普及妇幼,一系列政策的出台都体现出政府对抗生素管控领域和微生物检验领域的日渐重视。未来随着管控范围的逐步扩大(限制级、非限制级等),普及领域的拓展,新的需求和市场都将显现,政策将进一步助力微生物检验行业的发展。

mNGS技术有无需培养、样本直检、超广谱扫描、灵敏度高等显著优势,与现有的技术有根本的原理差异,是从另一个维度对现有微生物鉴定手段的重要补充,在帮助临床解决更多的疑难未知感染病例方面具有无可争辩的价值。在2017—2018年期间,相关单位出台了多个专家共识推荐mNGS技术用于辅助感染病原检测,包括《宏基因组分析和诊断技术在急危重症感染应用专家共识》等,我相信其未来在中国的发展前景非常广阔。

测序中国:作为微岩医学病原微生物宏基因组检测技术和产品总监,您认为微岩医学有哪些独特优势?

盖伟:微岩医学团队在病原微生物领域有十余年的产品开发经验,对临床微生物学积累深厚,能够将临床医学、生物技术、信息技术有机融合,事实已经证明我们开发的宏基因组病原检测技术的性能水准是国内一流的。微岩医学团队推出的PIseq™宏基因组病原测序系统(Pathogen Identification Sequencing system)是完全技术重构、性能大幅提升的新一代宏基因组技术,其主要性能优点包括:

1. 自主知识产权的病原核酸富集提取技术及相关试剂系统(PIseq™-PathoXtract™),并搭配自动化提取设备,实现高效微生物核酸提取能力;

2. 全面涵盖21,000多种微生物的人工校正数据库系统(PIseq™-PathoDB™),其中还包含有重要的特征标签序列库,可大幅提高常见微生物鉴定精度;

3. 拥有核心专利技术的DESK™(Dual-Engine Species Classification)双引擎物种鉴定算法,不但可为临床提供最精准的微生物的种属鉴定信息,还能提供大量的额外信息,丰富的报告系统,助力临床深度解读样本并精准判断;

4. 我们曾在国内首创DNA和RNA共建库技术并成功应用于实际检测,产生热烈临床反馈。目前微岩团队进一步开发了独有的均衡建库技术(PIseq™- HarmonicLib™),更加准确和高效,最大程度发挥mNGS全景扫描的技术优势;

5. 无需人工干预的全自动报告系统,并配有专业的医学团队,聚焦临床报告的个性化解读,最快24小时即可返回报告。

最后,盖伟博士表示,微岩医学团队将凭借自身在病原微生物精准诊断领域内多年的研发经验,继续追求“微岩出品,必是精品”的思路,建立一流的研发团队,打造领先的技术产品。

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本文由 测序中国 作者:白云 发表,转载请注明来源!

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