張奕杰
(首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院呼吸與危重癥醫(yī)學(xué)科, 北京 100070)
結(jié)核病是由MTB復(fù)合群感染引起的慢性傳染病,不僅是世界十大致死原因之一,也是最致命的傳染病,隨著多耐藥、廣泛耐藥及全耐藥結(jié)核的日益增多,使得結(jié)核病的治療難度不斷增加,因此對于MTB的及時診斷、傳播致病及耐藥機(jī)制研究就顯得尤為重要[1]。應(yīng)用二代測序能夠鑒定結(jié)核與非結(jié)核分枝桿菌(NTM)以及檢測耐藥基因,可從基因組水平進(jìn)行深入研究耐藥、毒力、致病機(jī)制。宏基因組學(xué)(metagenomics)是指直接從人類組織活檢和體液樣本中檢測出微生物組總DNA或RNA,分析全部微生物組成,基于二代測序的宏基因組學(xué),簡稱mNGS。隨著測序流程優(yōu)化,成本降低,目前周期可縮短至24h以內(nèi),可實(shí)現(xiàn)臨床快速診斷及精準(zhǔn)治療,使得患者獲益,因此本文結(jié)合國內(nèi)外文獻(xiàn)以及我院4例應(yīng)用mNGS技術(shù)診斷結(jié)核菌感染病例,對其應(yīng)用價值進(jìn)行討論。
1.1一般資料:選取由首都醫(yī)科大學(xué)附屬北京天壇醫(yī)院呼吸與危重癥科收治的4例應(yīng)用mNGS技術(shù)作為重要臨床診斷依據(jù)確診為結(jié)核感染的患者作為病例資料,確診結(jié)核感染標(biāo)準(zhǔn):上述送檢標(biāo)本MTB培養(yǎng)陽性、涂片陽性、病理診斷為結(jié)核感染、mNGS檢測陽性等4項(xiàng)中至少1項(xiàng)符合即可確診。當(dāng)至少1條read比對到種或復(fù)合群水平時,結(jié)果被認(rèn)為是MTB陽性。
1.2方法:以“二代測序”或“NGS”和“結(jié)核”作為關(guān)鍵詞,在萬方數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫對2021年1月以前的中文文獻(xiàn)進(jìn)行檢索,在PubMed數(shù)據(jù)庫以“NGS,tuberculosis”為關(guān)鍵詞檢索2021年12月以前的英文文獻(xiàn),共154篇,排除會議、報(bào)紙、綜述,以文章提供了mNGS、傳統(tǒng)方法、Xpert結(jié)果為納入標(biāo)準(zhǔn),最后共有453例確診或臨床診斷為MTB感染的臨床資料納入本研究。
2.1病例1:患者女性,47歲,2014年體檢時行胸部CT檢查發(fā)現(xiàn)右側(cè)胸腔積液,伴咳嗽、咳黃白痰及活動后氣短,未診治。2020年8月行胸腔超聲提示右側(cè)胸腔積液伴包裹入院。患病以來無不適。查體:右肺呼吸音低,叩診濁音。輔助檢查:血常規(guī)提示白細(xì)胞計(jì)數(shù)12.37×109L-1,中性粒細(xì)胞絕對值10.62×109L-1,中性粒細(xì)胞相對值85.7%;2020年9月21日胸部CT:右側(cè)包裹性胸腔積液;右肺下葉局部肺組織含氣不良;右側(cè)胸膜局部增厚(圖1);PPD試驗(yàn)強(qiáng)陽性,胸水常規(guī):外觀為乳糜樣渾濁液體,比重1.04,李凡他試驗(yàn)陽性,胸水細(xì)胞總數(shù)27740/L,胸水白細(xì)胞數(shù)13740/L,多核細(xì)胞74%,單核細(xì)胞26%。胸水生化:腺苷脫氨酶(ADA)52U/L,乳酸脫氫酶862.8U/L,糖1.17mmoL/L,蛋白6260mg/dL;胸水甘油三酯1.74mmoL/L,胸水膽固醇10.37mmoL/L,胸水涂片抗酸染色及痰涂片抗酸染色3次均陰性;胸水mNGS提示MTB,序列數(shù)23,基因組覆蓋度6.746387%,豐度26.417%,深度1.12,考慮結(jié)核性膿胸,給予頭孢西丁聯(lián)合左氧氟沙星抗感染,口服異煙肼、利福平、乙胺丁醇、吡嗪酰胺,引流胸水沖洗胸腔,2020年9月27日復(fù)查胸部CT提示右側(cè)胸水明顯減少,兩肺炎癥,不除外肺結(jié)核(圖2)。
圖1 例1患者2020年9月21日胸部CT影像
圖2 例1患者2020年9月27日復(fù)查胸部CT影像
2.2病例2:患者男性,60歲,2018年體檢時發(fā)現(xiàn)胸腔積液,遂于外院行胸腔穿刺引流胸水,診斷未明確。2020年9月30日于我院體檢行胸部CT提示左肺上葉占位性病變伴周圍阻塞性炎癥,新生物不除外;右側(cè)大量胸腔積液;右肺下葉膨脹不全?;疾∫詠頍o不適。既往糖尿病史30年。查體:消瘦,營養(yǎng)不良,慢性病容,右肺叩診濁音,右側(cè)呼吸音減低。輔助檢查:血常規(guī):白細(xì)胞絕對值3.56×109L-1,中性粒細(xì)胞絕對值2.4×109L-1;血生化:ALB 28.3g/L。于2020年10月23行右側(cè)胸腔穿刺置管引流,胸水常規(guī):外觀黃色微濁,比重1.032,李凡他試驗(yàn)陽性,細(xì)胞總數(shù)5113/L,白細(xì)胞613/L,多核細(xì)胞87%,單核細(xì)胞13%。胸水生化:ADA 14.8U/L,蛋白2000.7mg/dL,乳酸脫氫酶430.2U/L,糖0.7mmoL/L。PPD試驗(yàn)陽性。2020年10月27日胸部CT:左肺上葉占位較前增大,內(nèi)伴有空洞形成,考慮肺癌不除外(圖3)。行氣管鏡檢查于右上葉前、后段及左上葉后段生理鹽水灌洗。經(jīng)超聲小探頭探查左上葉后段,遠(yuǎn)端可見管周不規(guī)則低回聲區(qū),于此處活檢送檢病理,未見癌細(xì)胞。2020年11月3日,BALF mNGS:MTB復(fù)合群(序列數(shù)62,豐度2.53%),嗜肺軍團(tuán)菌(序列數(shù)1,基因組覆蓋度0.002237%,豐度0.041,深度1)。后氣管鏡刷片涂片抗酸染色:抗酸染色3+。給予美羅培南聯(lián)合左氧氟沙星抗感染,考慮臨床診斷“肺結(jié)核,結(jié)核性胸膜炎”。
圖3 例2患者2020年10月27日胸部CT影像
2.3病例3:患者男性,25歲,2020年11月無誘因出現(xiàn)干咳,伴午后發(fā)熱,體溫波動在37.5~38.5℃之間,伴乏力、納差、盜汗。就診于我院發(fā)熱門診,2020年11月16日胸部CT:左肺下葉炎性實(shí)變,左側(cè)胸腔積液,心包少量積液??紤]“肺炎”,給與“左氧氟沙星”0.5g,每日一次,口服4d,患者發(fā)熱、咳嗽未見好轉(zhuǎn),收入我科?;颊咦园l(fā)病以來體重減輕5Kg。吸煙指數(shù)50。查體:體溫38.5℃,左下肺叩診濁音,左下肺呼吸音減低。輔助檢查:紅細(xì)胞沉降率85mm/60min,C反應(yīng)蛋白141.9mg/L,血常規(guī):白細(xì)胞絕對值8.87×109L-1,中性粒細(xì)胞絕對值6.23×109L-1。降鈣素原0.137ng/mL,血清CA125 401.6U/mL,2020年11月24日復(fù)查胸部CT:較11月16日胸部CT左肺下葉炎性病變基本吸收,雙側(cè)胸腔積液,左側(cè)較前增多,右側(cè)新出現(xiàn);雙側(cè)胸膜增厚;雙肺下葉部分膨脹不全,新出現(xiàn);心包積液較前增多(圖4)。胸水常規(guī):外觀橘黃色渾濁,比重1.036,李凡他試驗(yàn)陽性,細(xì)胞總數(shù)1742/L,白細(xì)胞數(shù)1442/L,多核細(xì)胞14%,單核細(xì)胞83%。胸水生化:腺苷脫氨酶74.3U/L,蛋白4182.9mg/dL,乳酸脫氫酶1017.2U/L,白蛋白30.8g/L,糖5.9mmoL/L。2020年11月26日胸水mNGS:MTB復(fù)合群(序列數(shù)1,豐度100%)。胸水涂片抗酸染色陰性。胸水病理未見癌細(xì)胞。PPD試驗(yàn)強(qiáng)陽性。2020年12月1日行左側(cè)內(nèi)科胸腔鏡檢查,術(shù)中可見胸膜腔臟、壁層胸膜廣泛粘連,以下肺為著,臟、壁層胸膜輕度充血,散在白色粟粒樣結(jié)節(jié),部分胸膜表面有纖維素樣物附著(圖5)。給予左氧氟沙星、乙胺丁醇、利福平、異煙肼、吡嗪酰胺口服抗結(jié)核治療。患者體溫逐漸降至正常。胸腔鏡病理:(壁層胸膜小結(jié)節(jié))上皮樣肉芽腫性炎,小灶壞死,可見纖維素滲出,可疑結(jié)核。免疫組化結(jié)果:抗酸(+),結(jié)合胸水mNGS結(jié)果,明確診斷為結(jié)核性胸膜炎。2020年12月9日復(fù)查胸部CT雙側(cè)胸水較前明顯吸收(圖6)。
圖4 例3患者2020年11月24日胸部CT影像
圖5 例3患者胸腔鏡下表現(xiàn)依次為:胸膜粘連;臟層胸膜白色粟粒樣結(jié)節(jié)及粘連;壁層胸膜白色粟粒樣結(jié)節(jié)
圖6 例3患者2020年12月9日胸部CT影像
2.4病例4:患者男性,77歲,2020年3月因“腸梗阻”于我院保守治療后癥狀部分好轉(zhuǎn),此后出現(xiàn)咳嗽、咳白痰,伴憋氣、乏力,2020年4月22日突發(fā)言語不清及左側(cè)肢體無力,CRP 139.37mg/L,白細(xì)胞絕對值4.86×109L-1,中性粒百分比86.3%。胸部CT:右主支氣管痰栓;兩肺感染;左肺上葉多發(fā)磨玻璃密度結(jié)節(jié),雙側(cè)胸膜增厚(圖7)。頭顱MRI未見異常。給予頭孢唑肟聯(lián)合依替米星抗感染。患者近4月體重下降10Kg。既往高血壓、糖尿病,吸煙指數(shù)800。入院后患者體溫最高38.4℃,給予美羅培南聯(lián)合甲硝唑抗感染治療,體溫未見下降,伴寒戰(zhàn),肝功能惡化、I型呼吸衰竭,病情危重,轉(zhuǎn)入呼吸重癥監(jiān)護(hù)室,無創(chuàng)呼吸機(jī)輔助通氣,將抗生素調(diào)整為美羅培南聯(lián)合左氧氟沙星,2020年4月27日行支氣管鏡檢查,肺泡灌洗液送mNGS檢測,鏡下間左下葉外后基底段間嵴處新生物,支氣管感染,氣道內(nèi)痰栓。活檢病理:鱗狀上皮乳頭狀增生,部分細(xì)胞中-重度異性增生,局灶呈原位癌,不除外浸潤。T-SPOT檢測陽性。BALF送檢mNGS:肺炎克雷伯菌(序列數(shù)117,豐度0.8%),金黃色葡萄球菌(序列數(shù)11,豐度0.1%),白色念珠菌(序列數(shù)2906,豐度93.3%),MTB復(fù)合群(序列數(shù)4337,豐度99%),其后化驗(yàn)回報(bào)氣管鏡吸痰培養(yǎng):白色念珠菌,BALF涂片抗酸染色(+)?;颊叱霈F(xiàn)DIC,考慮肺結(jié)核診斷明確,合并真菌、細(xì)菌多重重癥感染。
圖7 例4患者2020年4月22日胸部CT影像
2.5文獻(xiàn)復(fù)習(xí)
2.5.1一項(xiàng)前瞻性研究納入臨床懷疑活動性結(jié)核病的患者34例,根據(jù)mNGS測序、傳統(tǒng)方法、Xpert結(jié)果分析,以臨床診斷為金標(biāo)準(zhǔn),共19例確診活動性結(jié)核患者,其中結(jié)核性腦膜炎8例,結(jié)核性胸膜炎3例,肝臟結(jié)核2例,皮膚軟組織結(jié)核2例,腰椎關(guān)節(jié)結(jié)核2例,結(jié)核性腹膜炎1例,肺結(jié)核2例。mNGS敏感度為57.9%(11/19),傳統(tǒng)方法敏感度為31.6%(6/19),特異度均為100%,兩者差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(McNemar檢驗(yàn),P=0.180)。mNGS和Xpert兩者的敏感度分別為50.0%(8/16)與37.5%(6/16),特異度均為100%(15/15)。兩者比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(McNemar檢驗(yàn),P=0.727)[2]。
2.5.2一項(xiàng)回顧性分析208例肺外標(biāo)本涂片陰性但提示肺外結(jié)核(EPTB)的患者,從患者疑似感染部位收集標(biāo)本進(jìn)行結(jié)核培養(yǎng)、Xpert和mNGS檢測。最終診斷為EPTB患者180例(結(jié)核性淋巴結(jié)炎47例,結(jié)核性腦膜炎45例,結(jié)核性胸膜炎42例,骨關(guān)節(jié)/脊柱結(jié)核15例,結(jié)核性腹膜炎12例,泌尿生殖系結(jié)核11例,結(jié)核性心包炎8例)。傳統(tǒng)培養(yǎng)、Xpert和mNGS靈敏度分別為:13.89%(25/180,95%CI 9.36~20.01)、36.11%(65/180,95%CI 29.19~43.63) 和 56.11% (101/180,95%CI 48.53~63.43)。培養(yǎng)和Xpert聯(lián)合診斷靈敏度為37.78%,mNGS比傳統(tǒng)培養(yǎng)和Xpert聯(lián)合診斷的靈敏度還要提高18.3%。 不同類型EPTB的mNGS敏感性差異顯著,mNGS在結(jié)核性腦膜炎中檢測敏感性最高(38/45,84.44%)。
2.5.3一項(xiàng)包括確診和臨床診斷結(jié)核患者共125例,肺外標(biāo)本最多[57.6%(72/125)],其中,漿膜腔積液34例(27.2%,胸腔積液31例,腹腔積液3例),肺外組織22例(17.6%),膿液標(biāo)本10例(8.0%),其他標(biāo)本6例(4.8%,血液3例,分泌物2例,腦脊液1例)。肺內(nèi)標(biāo)本中痰液23例(18.4%),BALF 21例(16.8%),肺組織9例(7.2%)。mNGS總體敏感度為49.6%(95%CI 40.6~58.6%),特異度為98.3% (95%CI 96.9~99.1%),肺組織mNGS檢測敏感度最高,達(dá)到88.9%(95%CI 50.7~99.4%),其次為肺泡灌洗液(BALF)為55.0%(95%CI 32.0~76.2%),再次為漿膜腔積液為50.0%(95%CI 32.8~67.2%)。mNGS結(jié)核菌檢出的總體敏感度優(yōu)于傳統(tǒng)培養(yǎng)方法(35.2%,95%CI 27.0~44.3),但對痰液標(biāo)本mNGS的敏感性與傳統(tǒng)培養(yǎng)差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(mNGS:52.3%,95%CI 31.1%~72.6%;傳統(tǒng)培養(yǎng)方法: 60.9%,95%CI 38.8~79.5%)。在確診和臨床診斷50%的病例中,mNGS檢測結(jié)果MTB復(fù)合群序列數(shù)都偏低,在小于5條的范圍內(nèi)。mNGS將MTB檢測周期縮短至32~36h[3]。
2.5.4一項(xiàng)前瞻性研究對105例疑似活動性結(jié)核感染患者的痰,腦脊液、膿液等樣本同步進(jìn)行傳統(tǒng)培養(yǎng)、Xpert和mNGS檢測。有45人最終臨床診斷為活動性結(jié)核感染,包括了13例肺結(jié)核和32例肺外結(jié)核病例。以臨床最終診斷為標(biāo)準(zhǔn),mNGS對活動性結(jié)核診斷的敏感度為44%,與Xpert方法的敏感度(42%)相似,但遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法的敏感度(29%)。mNGS對活動性結(jié)核診斷的特異度達(dá)98%,只有一個假陽性結(jié)果。mNGS對治療前取得的臨床樣本診斷的敏感度顯著高于治療后,分別為76%和31%(P=0.005),Xpert和傳統(tǒng)培養(yǎng)也是如此。Xpert和mNGS聯(lián)合診斷活動性結(jié)核的敏感度可達(dá)到60%,明顯高于傳統(tǒng)方法(McNemar檢驗(yàn),P<0.001)。
2.5.5在另一項(xiàng)收集了70例疑似結(jié)核病例的研究中,評估了mNGS、傳統(tǒng)培養(yǎng)方法和Xpert之間的診斷性能、關(guān)系和一致性。研究提示在最終確診的36例樣本中,mNGS的敏感性、特異性、陽性預(yù)測值、陰性預(yù)測值和約登指數(shù)分別為66.7%(95%CI:0.489~0.809)、97.1%(95%CI:0.829~0.998)、96.0%(95%CI:0.777~0.998)、73.3%(95%CI:0.578~0.849)、63.8%。mNGS的敏感性明顯優(yōu)于常規(guī)培養(yǎng)法(66.7%,95%CI:0.489~0.809 vs.36.1%,95%CI:0.213~0.538)和Xpert(76.9%,95%CI:0.460~0.938 vs.61.5%,95%CI:0.323~0.849)。與肺外結(jié)核相比,肺內(nèi)結(jié)核病例 mNGS、傳統(tǒng)培養(yǎng)和Xpert都顯示出更好的結(jié)核診斷能力。在所有方法和樣本分類中,肺內(nèi)樣本平行診斷試驗(yàn)的Youden指數(shù)表現(xiàn)突出(mNGS/培養(yǎng)88.2%;mNGS/Xpert100%)。各類型標(biāo)本mNGS與傳統(tǒng)培養(yǎng)的相關(guān)性及一致性均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.001)[4]。
2.5.6一項(xiàng)前瞻性單中心研究,收集疑似為活動性肺結(jié)核共110例患者,對BALF同時進(jìn)行mNGS和Xpert、抗酸染色(AFS)、傳統(tǒng)培養(yǎng),臨床最終確診為肺結(jié)核患者為48例。mNGS診斷的敏感性為47.92%,與Xpert(45.83%)和培養(yǎng)(46.81%)相似,但遠(yuǎn)高于AFS(29.17%);mNGS還可檢測出肺結(jié)核患者混合感染,其中真菌3例,細(xì)菌1例。同時,mNGS對63.63%(14/22)的NTM、7例真菌、1例病毒及其他常見致病菌進(jìn)行了有效鑒定;mNGS在3d內(nèi)可鑒別67.23%的感染病原菌,而常規(guī)微生物檢測方法(包括培養(yǎng)、血清學(xué)方法、PCR等)在90d內(nèi)只能識別49.58%的病原菌[5]。
長久以來,結(jié)核的診斷依賴于傳統(tǒng)培養(yǎng)、涂片抗酸染色,但傳統(tǒng)培養(yǎng)法周期較長,通常2~8周,而且需要生物安全防護(hù)Ⅲ級的實(shí)驗(yàn)室。而NTM、奴卡菌屬、micdadei軍團(tuán)菌抗酸染色也可陽性,因此涂片抗酸染色陽性并不能確定一定為結(jié)核菌感染,近年來Xpert被WHO強(qiáng)烈推薦應(yīng)用于疑似結(jié)核檢測,僅需5個純化DNA基因片段或131個菌落/mL即可檢出,2h就可出報(bào)告,還可同時檢測利福平耐藥,且目前研究認(rèn)為NTM感染不會導(dǎo)致Xpert假陽性[6]。本研究病例1及2患者臨床癥狀不典型,最終依據(jù)胸腔積液或BALF mNGS測序得以診斷MTB感染。病例3患者病理提供結(jié)核確診依據(jù),胸水mNGS檢出MTB復(fù)合群序列數(shù)僅為1,但根據(jù)多篇文獻(xiàn)報(bào)道,由于MTB為胞內(nèi)細(xì)菌,胞內(nèi)生長為其特性,釋放較少的胞外核酸,同時細(xì)胞壁堅(jiān)韌,DNA提取困難,因此mNGS檢測起始DNA量即偏低,導(dǎo)致了檢測困難,但其環(huán)境污染風(fēng)險低,因此即使在檢測報(bào)告中序列數(shù)較低,也要考慮其為致病微生物的可能[7]。病例4患者mNGS同時檢測到細(xì)菌、真菌、MTB,為混合重癥感染,mNGS檢測可敏感、快速、精準(zhǔn)、無偏倚的捕捉混合感染病原體,縮短了危重感染患者的診斷周期,為積極救治爭取了寶貴的時間。并且在樣本抗酸染色陽性時,mNGS可高效鑒別MTB與NTM,避免誤診誤治。由于MTB菌群內(nèi)的菌株內(nèi)部同源性高,本研究病例2、3和4由于mNGS檢測基因組覆蓋度不高,MTB復(fù)合群陽性,但無法定位到特定種。
綜合本研究文獻(xiàn)復(fù)習(xí),mNGS無論是對肺外或肺內(nèi)標(biāo)本,其總體敏感度優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)核菌培養(yǎng)法,在檢測臨床樣本時不需要根據(jù)高度懷疑的某些病原體選擇特定的檢測方法。mNGS檢測結(jié)核菌敏感度及特異度與Xpert相似或優(yōu)于Xpert,但需要強(qiáng)調(diào)的是抗結(jié)核治療可顯著降低mNGS、Xpert、傳統(tǒng)培養(yǎng)三種診斷方法的敏感度,因此在經(jīng)驗(yàn)性治療前收集樣本是非常重要的。與肺外結(jié)核病例相比,肺內(nèi)結(jié)核病例采用mNGS、傳統(tǒng)培養(yǎng)和Xpert方法三者均顯示出更好的診斷能力。肺外結(jié)核患者中,mNGS診斷的敏感度最高,甚至高于傳統(tǒng)培養(yǎng)聯(lián)合Xpert。尤其是當(dāng)mNGS與Xpert聯(lián)合時,可提高結(jié)核菌檢出率,無論時從時間周期還是敏感度及特異度方面,均可達(dá)到較高水平。在確診病例中,mNGS結(jié)核菌檢出陽性率明顯高于臨床診斷病例。
mNGS對肺內(nèi)樣本結(jié)核菌檢測更為敏感,肺組織標(biāo)本敏感度最高,其次為BALF,再次為漿膜腔積液,但在痰標(biāo)本中與傳統(tǒng)培養(yǎng)相比差異沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義,因此選取肺內(nèi)標(biāo)本時,在病情允許情況下應(yīng)優(yōu)先考慮肺組織,其次為BALF,再次為胸腔積液,最后選擇痰標(biāo)本。mNGS在對標(biāo)本量的要求方面也更加具備優(yōu)勢,分別為:無菌體液最少2mL;BALF最少4mL;深部痰液最少2mL;靜脈血最少2~5mL;組織標(biāo)本新鮮組織2g左右。而Xpert要求腦脊液至少3.4mL,且往往要高于這個臨界值檢測效能才會理想,而胸腹水至少80mL。因此mNGS方法更適用于稀有樣本的檢測。
綜上所述,mNGS技術(shù)對于診斷MTB感染具有較高的價值,mNGS敏感度較高,優(yōu)于Xpert及傳統(tǒng)培養(yǎng),三者或mNGS分別與Xpert或傳統(tǒng)培養(yǎng)聯(lián)合應(yīng)用不僅可顯著提高結(jié)核菌檢測的敏感度,而且可縮短檢測周期,無偏倚檢測混雜、新發(fā)或再發(fā)病原體感染,精準(zhǔn)治療,避免抗生素濫用。