2019年12月26日，某病理研究所研发工作人员在浏览mNGS病原微生物自动解读结果时，发现有一个样本报出了敏感病原体——有几十条的序列，与SARS有一定相似度的。
该研发工作人员心头一紧，赶紧后台查看详细的分析数据，发现与SARS的相似度并不算很高，只有大约94.5%（这跟卡相似度的阈值有关，相当于只筛选下了相似度比较高的序列）。想到有几种可能：1、SARS不同毒株基因组有一定差异；2、RNA病毒容易突变，距离SRAS事件17年了，变异比较大；3、近缘物种的错误比对等等。
为了确认结果的可靠性，开始了详细分析。基于宏基因测序做出的分析系统，12月27日，很快就给出了更清晰的结果: 这个病原体跟Bat SARS like coronavirus最相似，整体相似度在87%左右，而跟SARS的相似度是约81%。比对上的序列数由几十条上升到了500多条，此外也组装出了5条contig，加起来有1200多bp，此时基本上可以确认是一种冠状病毒。
接下来是对病毒的基因进行组装分析，组装出了接近完整的基因组序列。这次的序列数由之前的500多条升到了47万多条！重新构建了进化树，选择了NCBI所有冠状病毒的参考株（以登录号以NC开头，官方认为最可信的），外加几株前一天分析最近源的株。发现进化树结果跟前一天的基本一致。
最后，经过与WHO官网推荐的SARS 7条PCR验证靶标序列比对，发现平均相似度只有90%左右，关键是引物序列也有几个变异，推测SARS的检测试剂盒无法检测这个未知病原体（后面的很多地方的实验验证也是如此）。
分析至此，研究人员已经基本可以确认这个患者的样本里面确实有一个病毒，这个病毒与所有已知基因组信息的病毒都不太像，可能是一种跟Bat SARS like coronavirus类似的新型病毒。——这个病毒，后来被确认为新冠病毒。
该研究人员应用的mNGS技术，叫宏基因组测序技术。围绕这种技术的一系列研究方法，被称为：宏基因组学（Metagenomics）
宏基因组学与宏基因组测序
最近三十年，组学研究一直是热点，最早是基因组学，然后是蛋白质组学，如今新兴组学领域则是被认为最有前景的宏基因组学（Metagenomics）。
宏基因组学（Metagenomics）又叫微生物环境基因组学、元基因组学，通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA或RNA，构建宏基因组文库，利用基因组学的研究策略研究环境样品所包含的全部微生物的遗传组成、群落功能，并可开发新的生理活性物质（或获得新基因）。
2014年新英格兰医学杂志报道了一个通过宏基因组辅助检测治愈了一位原因不明、反复发热、具有癫痫及脑积水症状的14岁男孩的案例，这是历史上首个宏基因组临床应用成功的案例。
文章报道这个常规治疗及病原筛查都没有确诊原因，随后对脑脊液样本mNGS筛查，结合生物信息学分析结果发现一种可疑的致病菌leptospira infection，随后针对性地使用万古霉素和头孢吡肟治疗后出院。该团队确认这是一种尚未报道过的病原微生物。由此，临床宏基因组正式应用于微生物诊断拉开了帷幕。
随着基因测序技术的迅猛发展，基于二代测序的宏基因组学（宏基因组测序）成为了临床的焦点。
宏基因组测序（mNGS）是综合分析来自患者样本的微生物和宿主的基因物质（DNA和RNA）的方法，应用于多种感染性疾病的诊断、疾病和健康状态下微生物学分析、人类宿主反应对感染传播的特征化、识别肿瘤相关病毒。
宏基因组测序（mNGS）描述了样本中存在的所有DNA或RNA信息，从而能够分析整个微生物组以及患者样本中的人类宿主基因组或转录组，让致病微生物无所遁形。
宏基因组学的优势
一、新型冠状病毒从发病到诊断只短短几天时间
最新的新型冠状病毒是如何被发现的？宏基因组测序（mNGS）首当其功！当年SARS，怀疑过支原体、细菌、病毒等感染，最后折腾了很久下才发现是冠状病毒感染。如今mNGS问世，改变了病原微生物学的诊断新格局。这次从发病到诊断，只有短短几天时间。
二、为临床感染性疾病诊治提供有力手段
现实中临床医生经常在会面对新发病原体时，因缺乏技术手段、没有假设，对新发病原体想不到、疑难感染病原体因假设困难没想到，或者由于检测技术受限想到没检测到的困境，现有的临床辅助诊断方式与临床的迫切需求之间还存在着巨大的鸿沟。
而mNGS (宏基因组学二代测序技术) 在“理论上”能够回答临床医生的上述疑问，现阶段已解决临床感染性疾病诊治的部分困难。
有专家指出，mNGS还可以直接从血液样本中鉴定不能培养的、苛养的以及非细菌 (病毒和真菌) 病原体。除此之外，mNGS可以用于传染病预防，具有直接从临床样本中获的病原体传播线索的潜力。
2014年，Hasman等指出，mNGS可用于尿液样本中病原体以及耐药基因的检测，而且不仅耐药基因的检测结果与药敏实验一致，也与基于纯培养物的全基因组测序 (WGS) 的进化分析结果相匹配。
越来越多的案例以及临床研究指出mNGS用于临床诊断的可行性以及诸多优势，使得mNGS成为理想病原体诊断方法的“热门候选人”。
宏基因组学的前景
目前美国感染类疾病的诊断市场总规模为180亿美金，预计在2022年基于mNGS的感染类疾病诊断市场将达到50亿美元。
根据IMS公司的数据，每年中国使用抗生素的住院患者达到1.16亿人，其中尚不包括接受抗真菌和抗病毒治疗的患者。在我国感染性疾病的发病率为120-250人/10万人，死亡人数为3.38人/10万人,占总死亡率的1.2%，农村的发病率高于城市。
微生物送检量约5000万份，其中血培养约4000万例/年，肺泡灌洗液BALF约100万例/年，脑脊液及其他体液约50万例/年。另外，随着肿瘤患者生存期显著增长，超过30%肿瘤患者死于复杂感染。基于以上数据，当检测价格降至2000-2500元区间，目标市场检测量保守估计为500万份/年，约为100亿人民币。
尽管在通往光明的路上，为临床提供一站式解决方案仍然艰辛，但是mNGS必将成为临床诊断的有力工具。
mNGS将在诊断、监测和跟踪新的疾病爆发方面发挥关键作用，从而挽救生命并降低医疗成本。
作者：王宏贵
