用于诊断中枢神经系统感染的临床宏基因组新一代测序的7年表现

下一代宏基因组检测提高了住院患者中枢神经系统感染病因学的准确性和敏感性。

　　

与中枢神经系统（CNS）感染相关的脑膜炎、脑炎和/或脊髓炎可导致严重且常常危及生命的疾病。及时诊断和治疗对于改善这些感染的临床结果是至关重要的，全面的传染病检查需要结合培养、血清学和核酸扩增检测。然而据估计，在大约50%的病例中，脑膜脑炎的病因仍然未知，这阻碍了临床管理和开始适当有效的治疗，而延迟治疗会导致发病率和死亡率升高。

新一代临床脑脊液（CSF）宏基因组测序（mNGS）是一种广泛诊断中枢神经系统（CNS）感染、不优先针对任何特定病原体而能够同时检测多种微生物——包括细菌、病毒、真菌和寄生虫的无预设目标方法。这种方法对中枢神经系统感染特别有用——脑脊液（CSF）和脑活检组织样本通常体积和可用性有限、诊断范围广泛、临床表现重叠。

加州大学旧金山分校（UCSF） CSF mNGS测试（以下简称“mNGS测试/测试”）于2016年开发，是由临床实验室改进修正案认证的UCSF临床微生物实验室进行的临床验证的DNA/RNA宏基因组测序测试。先前的一项前瞻性研究表明，这种mNGS测试可以提高诊断率，并为中枢神经系统感染提供可操作的信息。这么多年之后，作者对2016-2023这7年内进行的4828个样本mNGS检测的临床适用性——对广泛疑似但“难以诊断”的中枢神经系统感染患者的诊断检查——进行回顾分析。

总体而言，从4828份样品中697种（14.4%）中检测出797种生物，其中DNA病毒363种（45.5%），RNA病毒211种（26.4%），细菌132种（16.6%），真菌68种（8.5%），寄生虫23种（2.9%）。他们还从1053名UCSF患者的样本子集（n = 1164）中提取了临床和实验室元数据。在该亚群的220例感染性诊断中，48例（21.8%）仅通过mNGS诊断。mNGS检测CNS感染的敏感性、特异性和准确性分别为63.1%、99.6%和92.9%。mNGS检测的敏感性（63.1%）高于间接血清学检测（28.8%）和脑脊液（45.9%）和非脑脊液（15.0%）样品的直接检测（P < 0.001）。仅考虑脑脊液直接检测诊断时，mNGS检测的敏感性提高到86%。这些结果证明对疑似中枢神经系统感染的住院患者常规使用诊断性mNGS检测是合理的。

一些讨论

结果发现，在一组临床严重和诊断上具有挑战性的CNS感染患者中，mNGS检测是检测病原体最敏感的检测方法——220例感染中有67例（30.4%）是唯一或首先诊断出来的检测方法。这种方法能够识别出使用常规方法难以检测到的广泛的病原体，包括未被考虑和先验测试的新型、新兴和/或意外的微生物。

mNGS检测的总灵敏度为63.1%（包括mNGS在内的CSF直接检测方法诊断的病例为86%），不足以取代传统的微生物学检测，尽管特异性为99.6%。大多数mNGS假阴性的病例是由于脑组织或中枢神经系统脓肿的区隔性感染或“hit-and-run”暴露导致中枢神经系统极短时间病毒血症，如西尼罗河病毒。对于这些mNGS阴性病例，基于从非脑脊液样本类型检测病原体和/或间接检测（如血清学）的方法仍然有用。通过RNA测序进行宿主转录组分析是一种很有前途的方法，可以进一步提高诊断水平。宿主转录组分析利用来自RNA测序数据的人类基因表达和基于机器学习的分类模型的开发，根据患者宿主反应识别不同的感染，包括细菌性败血症、莱姆病和结核性脑膜炎。

7年来的mNGS测试结果表明，该检测至少有四种潜在的临床适应症或“用例”，(i)检测不可培养的、难以诊断的生物体，（ii）广泛诊断病毒感染，（iii）识别罕见的、意外的感染，以及（iv）协助对疫情进行公共卫生调查。首先，通过mNGS检测能鉴定出的许多“挑剔的”细菌种类——需要专门的孵育条件，或者通常不能在培养中生长的；也能检测到需要数周至数月培养才能生长的分枝杆菌和真菌。这些感染不仅难以诊断，而且通常需要大量CSF进行培养和/或血清学检测，而这些检测可能不易进行。重要的是，mNGS检测不仅可以检测到与公共卫生相关的新出现的真菌病原体，还可以对其进行分型。

其次，mNGS检测可用于广泛的病毒感染诊断。目前，大多数临床微生物实验室不进行用于诊断目的的病毒培养，因为病毒检测已在很大程度上被靶向核酸扩增试验（NAAT）测定所取代。然而，临床使用的NAAT检测只能检测到一种或几种病毒病原体。在我们的研究中，mNGS检测能够检测到几例由于(i)血清学和/或PCR检测阴性，（ii）未能事先考虑特定的病毒诊断，和/或（iii）缺乏可用的参考实验室检测而未被诊断的病毒感染病例。mNGS检测对黄病毒（西尼罗河病毒和波瓦桑病毒）、布尼亚病毒（圣路易斯脑炎、卡什谷病毒和波托西病毒）和呼肠孤病毒（科罗拉多蜱热病毒）等神经侵入性虫媒病毒感染特别有用。血清学通常用于诊断虫源性病毒感染，但其局限性在于特异性低、检测周期长、可用性有限，以及由于患者免疫功能低下和/或延迟检测抗体反应而可能出现假阴性结果。值得注意的是，考虑到脑脊液中可检测到的病毒循环的短暂期，尽管直接检测试验可能不太敏感，但mNGS检测仍然能够检测到许多虫媒病毒感染，即使是那些血清学检测为阴性的病毒。此外，与NAAT检测不同，mNGS检测可以对临床相关的病毒亚型进行基因分型，如脑膜脑炎和/或急性弛缓性脊髓炎病例中的肠病毒A71和D68。

第三，mNGS检测可以在未确诊的中枢神经系统感染患者中发现罕见和/或意外感染。对于许多这些不寻常的病例，临床表现和病史都是非典型的，因此治疗临床医生没有先验地考虑和检测致病病原体。对一些寄生虫的诊断测试有限，对脑脊液的显微镜或NAAT测试通常为阴性，如果无法进行mNGS测试，则需要进行脑活检以确定诊断。另外两个意外病原体的例子包括新墨西哥州一名不明原因的中性粒细胞脑膜炎患者的鼠疫耶尔森菌感染病例和一名因利妥昔单抗治疗而免疫功能低下的特发性横贯脊髓炎患者的复发性柯萨奇病毒B5感染病例。mNGS检测检测到的其他罕见和/或意想不到的病原体包括白色念珠菌、刚地弓形虫、猪带绦虫（神经囊虫病）、LCMV和克氏锥虫。值得注意的是，在专门的参考实验室可以对所有这些微生物进行有针对性的诊断测试，但由于缺乏临床先验怀疑而没有订购。

第四，临床mNGS结果有助于疫情调查，以发现具有公共卫生重要性的病原体。例如，一例脑炎移植受者脑脊液中黄热病病毒疫苗株的感染。这一病例促使美国疾病控制和预防中心（CDC）对黄热病活疫苗病毒向一名实体器官供体输注传播所导致的全国范围内与移植相关的疫情进行调查。在墨西哥马塔莫罗斯发现了美国第一例在硬膜外麻醉下接受外科手术的患者中伴有真菌性脑膜炎暴发的梭氏镰刀菌感染。这一发现引发了疾病预防控制中心的通知，建议对疫情中所有可能暴露的患者进行检测。