本研究方案概述了脑脊液宏基因组高通量测序(mNGS)的优化工作流程。该方法针对低生物量样本特有的挑战进行改进,可在不同资源条件下实现可靠的病原体检测,为神经感染性疾病研究应用提供了通用的技术基础。
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本研究方案概述了脑脊液宏基因组高通量测序(mNGS)的优化工作流程。该方法针对低生物量样本特有的挑战进行改进,可在不同资源条件下实现可靠的病原体检测,为神经感染性疾病研究应用提供了通用的技术基础。
宏基因组高通量测序(mNGS)已成为临床和科研领域中用于无偏倚病原体检测和宿主转录谱分析的强大工具。尽管其在中枢神经系统(CNS)感染诊断中的价值日益受到认可,但由于脑脊液(CSF)样本中核酸含量低且易降解,给检测带来了独特挑战。本研究提出了一种针对CSF样本mNGS优化的、基于Illumina测序平台的研究性实验流程,涵盖样本处理、核酸提取、文库构建、测序及生物信息学分析全过程。同时提供了适用于高资源和低资源环境的质量控制方法,包括毛细管电泳的替代方案。本研究通过两个代表性队列验证了该流程的稳健性:一个是高测序深度、基于NovaSeq的工作流程,另一个是注重成本控制、基于NextSeq的工作流程。在这两个队列中,超过50%的病例检测到病原体,凸显了该方法即使在资源受限条件下的适应性仍具备显著的诊断潜力。该实验流程有助于实现可重复的CSF mNGS,为神经感染性疾病的研究与诊断提供了坚实的技术基础。
宏基因组高通量测序(mNGS)是一种日益广泛应用的分子技术,可用于检测特定环境或宿主样本中广泛存在的核酸1。通过对样本中绝大多数遗传物质进行扩增和测序,mNGS无需预先假设样本中可能存在的特定微生物种类。mNGS已显示出作为诊断工具在多种临床场景中的应用价值,例如用于检测罕见病原体或感染性疾病的非典型表现1,2,3。此外,mNGS检测所产生的RNA测序数据还可捕获宿主的转录谱,使研究人员能够更深入地理解宿主对不同疾病状态的免疫应答4。由于mNGS适用于广泛的临床和研究场景,加之近几十年来通用测序成本显著下降,该技术的应用已实现巨大增长5。
特别是,宏基因组下一代测序(mNGS)在中枢神经系统(CNS)感染的检测中展现出良好的应用前景,而这类感染目前仍难以诊断2,6,7。在临床mNGS检测出现之前,加州脑炎项目曾对全州范围内的脑炎病因进行了调查,发现尽管采用了扩展的分子检测组合和详细的临床评估,仍有一半以上的病例未能明确诊断8。如今,二十多年后,一项经过临床验证的脑脊液(CSF)mNGS检测方法在为期七年的研究期间,于近15%的疑似中枢神经系统感染患者脑脊液中检测到了致病性微生物7。此外,在已确诊为感染性疾病的患者中,每五人就有一人仅通过该临床脑脊液mNGS检测才得以确诊,凸显了该检测方法的重要价值7。另外,研究还表明,基于mNGS检测所获得的宿主转录组信息,有望预测多种中枢神经系统感染的发生概率9,10,11。
然而,由于脑脊液样本处理和加工过程中存在一些特有的挑战,这一前景广阔的技术的应用受到限制。特别是,脑脊液中的DNA和RNA含量通常低于文库构建试剂盒所规定的最低要求量12,13。此外,用于临床目的采集的脑脊液样本通常储存在DNA酶和RNA酶仍可保持活性的温度条件下,导致核酸质量可能不理想14。本文介绍了一种基于研究的脑脊液宏基因组下一代测序(mNGS)方案,适用于Illumina测序平台,已优化以最大程度提高获得可用于病原体检测的有效数据的可能性(图1)。
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本方案的开发和测试使用了根据加州大学旧金山分校机构审查委员会批准的研究项目所采集的样本。

图1:脑脊液(CSF)宏基因组下一代测序(mNGS)样本处理及病原体检测分析工作流程。该示意图展示了脑脊液mNGS湿实验和生物信息学分析路径的主要步骤。请点击此处查看此图的放大版本。
1. 脑脊液样本处理注意事项
注意:如果脑脊液(CSF)文库制备在样本采集时立即进行,或在采集后通过液氮速冻并长期保存于 -80 °C 条件下,则宏基因组测序(mNGS)结果最佳15。 alternatively,也可在样本采集时使用保存液(如 DNA/RNA Shield),从而允许样本在室温下长期储存16,17。当冷链运输或储存条件不可靠时,此方法可能更为适宜。此外,避免不必要的冻融循环也有助于维持核酸完整性;若预期对脑脊液样本进行多种分析流程,建议在采集时预先分装成多个 aliquot18,19。
2. 脑脊液核酸提取
警告:应在适当的生物安全柜中操作,并佩戴手套和实验服,以降低传染性生物体传播的风险。试剂若被吞咽、吸入或与皮肤接触,可能对人体有害。使用后的材料应按照当地法规作为危险化学废物进行处置。
3. 脑脊液RNA文库制备
警告:操作应在适当的生物安全柜中进行,并佩戴手套和实验室外套。试剂若被吞咽、吸入或与皮肤接触,可能对人体有害。使用后的材料应按照当地法规作为危险化学废物进行处置。
注意:实验开始前的重要考虑事项:在分离 mRNA 时,优先选择核糖体 RNA 耗竭法(rRNA depletion),而非多聚腺苷酸富集法,因为 rRNA 耗竭法无需额外的磁珠纯化步骤(这些步骤可能导致可用 mRNA 产量降低),且某些嗜神经 RNA 病毒的转录本缺乏多聚腺苷酸结构。可添加 ERCC(外部 RNA 控制联盟)RNA 外参作为质量控制措施,但并非必需。若 RNA 提取后保存于 -80 °C,使用前需在冰上解冻。
4. 脑脊液DNA文库构建
警告:应在适当的生物安全柜中佩戴手套和实验室外套进行操作。试剂若吞咽、吸入或与皮肤接触,可能对人体有害。使用后的材料应按照当地法规作为危险化学废物处理。
5. 文库质量控制与合并
6. 测序注意事项
7. 病原体检测的数据分析
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文库质量控制
在完成 DNA/RNA 提取后,所测得的提取 DNA 浓度通常为 1–10 ng/µL。然而,提取 RNA 的浓度通常在 pg/µL 数量级,因此常无法通过分光光度计检测到。文库构建完成后,纯化并扩增的 cDNA 文库和 DNA 文库浓度通常分别为 0.5–10 ng/µL 和 10–30 ng/µL。图 2A 中的毛细管电泳及电泳图谱数据显示,该 cDNA 样本文库存在过度片段化现象,并含有接头二聚体。在进行文库混合与测序之前,应使用 0.8 倍磁珠与样本比例(0.8x magnetic bead-to-sample ratio)通过额外的磁珠纯化步骤去除接头二聚体。相比之下,图 2B 中的数据展示了一个质量较高的 cDNA 文库,无明显接头二聚体污染,可直接用于文库混合与测序。
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根据所需的测序深度、所使用的测序平台以及质量控制设备的可用性,可能需要对该方案进行某些重要调整。然而,本文所展示的两个代表性队列表明,在广泛的实验条件下仍可实现可靠的病原体检测。具体而言,B队列显示,尽管采取了多项节约成本的措施——包括低深度测序、省略ERCC对照、方案微型化,以及使用传统凝胶电泳而非生物分析仪或TapeStation进行质量控制——样本中仍检测到了多种多样的神经侵袭性病原体。
在实验过程中,有若干关键步骤和注意事项可最大限度地提高实验成功率。提取过程中(特别是添加 DNA/RNA Shield 之前)应高效操作,以避免 RNA 发生非预期的降解。在文库构建的各个步骤中,应充分混匀反应体系以确保均一性,同时避免产生过多气泡,因为气泡可能降低文库得率。若混匀后仍可见气泡,可轻轻弹击 PCR 板条并进行瞬时离心。接头二聚体是本实验中另一个关键问题。为降低接头二聚体过量的风险,应在 PCR 管置于冰上时,将稀释后的接头与主混合液分开加入,并充分混匀(若处理多个样本,建议使用多通道移液器)。在质控评估中若发现接头二聚体过量,通常需要额外进行 2–3 次磁珠纯化(磁珠与文库体...
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M.R.W. 获得了来自 Roche/Genentech、Novartis 和 Kyverna Therapeutics 的非关联研究资助,并且是 Delve Bio Inc. 的创始人及董事会成员。他曾为 Pfizer、Vertex Pharmaceuticals、Ouro Medicines 和 Indapta Therapeutics 提供咨询服务。
本研究获得了美国国立卫生研究院福格蒂国际中心资助项目(资助编号:D43TW009343)的支持。我们谨向加州大学旧金山分校威尔逊实验室以及CZI的众多研究人员致以诚挚感谢,他们在过去数年中为宏基因组测序(mNGS)技术在多种科研应用中的开发与优化做出了重要贡献。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.2 mL PCR 管条 | Eppendorf | 30124359 | |
| 1.5 mL DNA LoBind 管 | Eppendorf | 30108051 | |
| 1.5 mL 安全锁紧管 | Eppendorf | 30120191 | |
| ERCC RNA 外参混合液 | Thermo Fisher | 4456740 | |
| 高灵敏度 D1000 试剂 | Agilent | 5067-5585 | |
| Invitrogen Collibri 文库扩增主混合液 | Thermo Fisher | A38539050 | |
| Mastercycler x50 | Thermo Fisher | 6311000010 | |
| NEBNext Illumina 多重引物组 | New England Biolabs | 7335S/L | |
| NEBNext Ultra II DNA 文库构建试剂盒 | New England Biolabs | E7645 | |
| NEBNext Ultra II RNA 文库构建试剂盒(适用于 Illumina) | New England Biolabs | E7770 | |
| NextSeq 500/550 高输出试剂盒 v2.5(150 个循环) | Illumina | 20024907 | |
| NextSeq 550 | Illumina | N/a | |
| QIAseq FastSelect -rRNA HMR 试剂盒 | Quiagen | 334386 | |
| Qubit 1X dsDNA 高灵敏度检测试剂盒 | Qubit | Q33230 | |
| Qubit 4 荧光仪 | Thermo Fisher | n/a | |
| Quick-DNA/RNA 微量提取 Plus 试剂盒 | Zymo | D7005 | |
| TapeStation 4150 | Agilent | G2992AA |
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