宏基因组学研究的对象是特定环境中的总DNA，不是某特定的微生物或其细胞中的总DNA，不需要对微生物进行分离培养和纯化，这对我们认识和利用95%以上的未培养微生物提供了一条新的途径。已有研究表明，利用宏基因组学对人体口腔微生物区系进行研究，发现了50多种新的细菌，这些未培养细菌很可能与口腔疾病有关。此外，在土壤、海洋和一些极端环境中也发现了许多新的微生物种群和新的基因或基因簇，通过克隆和筛选，获得了新的生理活性物质，包括抗生素、酶以及新的药物等。为了分辨不同的微生物以揭示其与人体的“关系”，宏基因组学（Metagenomics）被应用于临床微生物诊断！

宏基因组学与宏基因组测序
 

     宏基因组学（Metagenomics）又叫微生物环境基因组学、元基因组学。它通过直接从环境样品中提取全部微生物的DNA,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及其群落功能。它是在微生物基因组学的基础上发展起来的一种研究微生物多样性、开发新的生理活性物质（或获得新基因）的新理念和新方法。其主要含义是：对特定环境中全部微生物的总DNA（也称宏基因组，metagenomic）进行克隆，并通过构建宏基因组文库和筛选等手段获得新的生理活性物质；或者根据rDNA数据库设计引物，通过系统学分析获得该环境中微生物的遗传多样性和分子生态学信息。

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。

mNGS病原微生物诊断新风口

    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。
 

    微生物包括细菌、真菌以及一些小型的原生生物、显微藻类等在内的一大类生物群体以及病毒，它们个体微小、种类繁多、与人类关系密切。涵盖了有益跟有害的众多种类，广泛涉及食品、医药、工农业、环保等诸多领域。临床微生物学的范畴包括微生物诊断学和临床样本的病原学识别，以指导感染性疾病患者的管理和治疗策略，以及公共卫生微生物学、社区感染性疾病报告的监督和监测。

 

临床宏基因组测序与传统方法
 

    高通量测序技术的发展和组学技术的兴起为发展新的检测技术提供了新的可行途径和思路，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。2001年，Fields在Science上发表的一篇论文形象的将mNGS和传统检测方法做了对比，如下图所示。
 

     宏基因组测序以无需纯化培养、能够快速全面的展示序列信息的优势，逐步在临床上开枝散叶。2016年美国FDA认可用二代测序技术进行微生物鉴定及耐药毒力分析；2019年病原宏基因组学被写入成人医院获得性肺炎与呼吸机相关性肺炎诊断和治疗指南；2019年复旦大学附属中山医院的胡必杰团队研究结果显示，mNGS具有更高的病原体鉴定灵敏度，受抗生素的影响较小，因此具有检测传染疾病的潜力及临床意义 ，其结果发表自世界著名学术期刊 Clinical Infectious diseases上[4]；2019年中华急诊医学杂志发表《宏基因组诊断技术在急危重症感染应用的专家共识》。

     目前病原微生物宏基因组测序公司还不多，国外代表公司有IDbyDNA、Karius，国内代表公司有华大基因、杰毅生物、迅敏康、微远医疗、深圳谱元、金匙基因、赛哲生物、华点云、碳云智能、予果生物/微码生物、博奥生物等。


未来
 

     新技术mNGS处于临床医学、微生物学与生物信息学三个学科的交叉点，是临床感染诊治领域的“新星”，在疑难危重感染诊断方面具有巨大优势，需要临床专家、微生物学家以及生物信息学专家跨学科合作，综合多种临床指征及检查结果，最终对患者做出诊断。