Metagenomics sequencing in infection diagnosis: clinical applications

В. Бурлак; О. Бурдунюк; С. Колак; О.-С. Яконі; В. Буков; М. Лупу; А.-М. Ілієв

doi:10.31073/onehealthjournal2025-V-01

Автор(и)

В. Бурлак Національне агентство з питань охорони здоров'я, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0009-0005-5788-3451
О. Бурдунюк Національне агентство з питань охорони здоров'я, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0000-0002-6944-0800
С. Колак Державний медико-фармацевтичний університет імені Ніколае Тестеміцану, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0009-0006-4505-9948
О.-С. Яконі Національне агентство з питань охорони здоров'я, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0009-0003-3139-7004
В. Буков Державний медико-фармацевтичний університет імені Ніколае Тестеміцану, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0009-0005-1042-5947
М. Лупу Національне агентство з питань охорони здоров'я, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0009-0002-1161-633X
А.-М. Ілієв Державний медико-фармацевтичний університет імені Ніколае Тестеміцану, Кишинів, Республіка Молдова https://orcid.org/0009-0006-6718-3966

DOI:

https://doi.org/10.31073/onehealthjournal2025-V-01

Ключові слова:

метагеноміка, діагностика, сепсис, інфекції нижніх дихальних шляхів, інфекції центральної нервової системи

Анотація

Аналіз спеціалізованої літератури був проведений з метою визначення категорій пацієнтів, у яких метагеномне секвенування має доведену або потенційну клінічну значущість для діагностики інфекцій. Висвітлено практичне застосування, переваги та обмеження цього методу в контексті різних клінічних сценаріїв для подальшої адаптації клінічних та лабораторних діагностичних протоколів. Дослідження має описовий та аналітичний характер. Бібліографічний аналіз було проведено з використанням спеціалізованої літератури з баз даних відкритого доступу. Статті англійською мовою, що стосуються запропонованої теми дослідження, опубліковані за останні 5 років, були відібрані відповідно до критеріїв включення.

Метагеномне секвенування (mNGS) – це інноваційна технологія, яка здійснила революцію в традиційній клінічній діагностиці в багатьох аспектах. Її можна використовувати для одночасної ідентифікації кількох патогенів, таких як бактерії, віруси, грибки та паразити, в клінічних зразках. Застосування метагеноміки принесе значні переваги, зокрема у випадках рідкісних інфекцій невідомої етіології або патогенів, які важко культивувати. Це дослідження демонструє, як цю нову технологію можна використовувати для змістовної клінічної діагностики в мікробіології. Пацієнти з інфекціями нижніх дихальних шляхів представляють категорію пацієнтів, для яких використання mNGS приносить більше переваг. Ця технологія має вищу загальну чутливість для виявлення патогенів порівняно з методом культивування та є необхідним доповненням до звичайних мікробіологічних тестів. Сепсис є серйозною проблемою для громадського здоров'я, і використання mNGS для цієї категорії пацієнтів може скоротити загальну тривалість госпіталізації та знизити смертність. Технологія метагеномного секвенування також корисна для пацієнтів з інфекціями центральної нервової системи, використання mNSG для них має вищий рівень виявлення, але найвища діагностична ефективність спостерігається при поєднанні mNGS спинномозкової рідини з традиційними методами. Метагеноміка також пропонує значні переваги у виявленні патогенів у пацієнтів з глибокими абсцесами шийного простору, маючи вищий рівень виявлення та чутливість, що дозволяє раніше розпочати антимікробну терапію, покращуючи прогноз та зменшуючи споживання медичних ресурсів. Метагеноміка забезпечує повну, швидку та точну ідентифікацію патогенів, значно покращуючи лікування, головним чином, коли традиційні методи недостатні. На основі досліджень, представлених у цій статті, можна зробити висновок, що застосування метагеноміки для пацієнтів з інфекціями нижніх дихальних шляхів, сепсисом, інфекціями центральної нервової системи та інфекціями глибоких шийних відділів шийного відділу хребта має дуже високий потенціал для зниження захворюваності, смертності та витрат на охорону здоров'я.

Посилання

Batool M., Galloway-Pena J. (2023). Clinical metagenomics—challenges and future prospects. Frontiers in Microbiology; 14:1186424. doi:10.3389/fmicb.2023.1186424.

Charalampous T., Kay G. L., Richardson H., Aydin A., Baldan R., Jeanes C., Rae D., Grundy S. J. Turner D. M., Leggett R. M., Livermore J. (2019). Nanopore metagenomics enables rapid clinical diagnosis of bacterial lower respiratory infection. Nature Biotechnology; 37:783–792. doi.:10.1038/s41587-019-0156-5.

Charalampous T., Alcolea-Medina A., Snell L.B., Alder C., Tan M., Williams T.G.S., Al-Yaakoubi N. (2024). Routine Metagenomics Service for ICU Patients with Respiratory Infection. American Journal of Respiratory and Critical Care Medicine; 209(2):164–174. doi.:10.1164/rccm.202305-0901OC.

Chen W., Liu G., Cui L. Tian F., Zhang J., Zhao J., Lv Y., Du J., Huan X., Wu Y., Zhang Y. (2024). Evaluation of metagenomic and pathogen-targeted next-generation sequencing for diagnosis of meningitis and encephalitis in adults: A multicenter prospective observational cohort study in China. Journal of Infection; 88(5):106143. doi.:10.1016/j.jinf.2024.106143.

Chiu C.Y., Miller S.A. (2019). Clinical metagenomics. Nature Reviews Genetics; 20(6): 341–355. doi.:10.1038/s41576-019-0113-7.

d'Humieres C., Salmona M., Delliere S., Leo S., Rodriguez C., Angebault C., Alanio A., Fourati S., Lazarevic V., Woerther P. - L., Schrenrel J., Rupper E. (2021). The Potential Role of Clinical Metagenomics in Infectious Diseases: Therapeutic Perspectives. Drugs; 81(13):1453–1466. doi.:10.1007/s40265-021-01572-4.

Diao Z., Han D., Zhang R., Li J. (2021). Metagenomics next-generation sequencing tests take the stage in the diagnosis of lower respiratory tract infections. Journal of Advanced Research; 38:201–212. doi.:10.1016/j.jare.2021.09.012.

Gambaro F., Perez A.B., Prot M., Aguera E., Baidaliuk A., Paz Sanchez-Seco M., Martinez-Martinez L., Vazquez A., Fernandez-Garcia M. D. L., Simon-Loriere E. (2023). Untargeted metagenomic sequencing identifies Toscana virus in patients with idiopathic meningitis, southern Spain, 2015 to 2019. Eurosurveillance; 28(45):2200913. doi.:10.2807/1560-7917.ES.2023.28.45.2200913.

Lei H., Liao J., Lin Y. Liu T., Lei W., Gao W. (2025). Application of metagenomic next-generation sequencing in treatment guidance for deep neck space abscess. BMC Microbiology; 25(1):166. doi.:10.1186/s12866-025-03890-z.

Li D., Gai W., Zhang J., Cheng W., Cui N., Wang H. (2022). Multisite Metagenomic Next-Generation Sequencing Improved Diagnostic Performance for Sepsis-Associated Lymphopenia Patients. Microbiology Spectrum; 10(6):e0353222. doi.:10.1128/spectrum.03532-22.

Li X., Liang S., Zhang D., He M., Zhang H. (2023). The clinical application of metagenomic next-generation sequencing in sepsis of immunocompromised patients. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology; 13:1170687. doi.org/10.3389/fcimb.2023.1170687.

Li C., Wang F., Li W., Sun G., Yang D., Yang T., Yang G., Liang B., Huang Y., Tang W., Li F., Ye Y., Qian C., Wu H., Meng Z. (2024). The diagnostic value of metagenomic next-generation sequencing in critically ill patients with sepsis: A retrospective cohort study. Medicine (Baltimore); 103(41):e39987. doi.:10.1097/MD.0000000000039987.

Lin T., Tu X., Zhao J., Huang L., Dai X., Chen X., Xu Y., Li W., Wang Y., Lou J., Shouxin Wu, Zhang H. (2023). Microbiological diagnostic performance of metagenomic next-generation sequencing compared with conventional culture for patients with community-acquired pneumonia. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology; 13:1136588. doi.:10.3389/fcimb.2023.1136588.

Nielsen M.E., Sogaard K.K., Karst S.M., Krarup A. L., Albertsen M., Nelsen H. N. (2025). Application of rapid Nanopore metagenomic cell-free DNA sequencing to diagnose bloodstream infections: a prospective observational study. Microbiology Spectrum; 13(5):e0329524. doi.:10.1128/spectrum.03295-24.

Piantadosi A., Mukerji S.S., Ye S., Leone M. J., Freimark L. M., Park D., Adams G. (2021). Enhanced Virus Detection and Metagenomic Sequencing in Patients with Meningitis and Encephalitis. mBio; 12(4):e0114321. doi.:10.1128/mBio.01143-21.

Qin C., Zhang S., Zhao Y., Ding X., Yang F., Zhao Y. (2023). Diagnostic value of metagenomic next-generation sequencing in sepsis and bloodstream infection. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology; 13:1117987. doi.:10.3389/fcimb.2023.1117987.

Rajendhran J., Muthuirulan P., Lakshmanan A.P., Sundararaju S. (2024). Editorial: Clinical metagenomics-based diagnostics for infectious diseases. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology; 14:1459621. doi.:10.3389/fcimb.2024.1459621.

Saha S., Ramesh A., Kalantar K., Malaker R., Hasanuzzaman M., Khan L. M., Mayday M. Y., Sajib M. S. I., Li L. M., Langelier C., Rahman H., Crawford E. D., Tato C. M., Islam M., Juan Y.-F., de Bourcy C., Dimitrov B., Wang J., Tang J., Sheu J., Egger R., De Carvalho T. R., Wilson M. R., Saha S. K., DeRisi J. L. (2019). Unbiased Metagenomic Sequencing for Pediatric Meningitis in Bangladesh Reveals Neuroinvasive Chikungunya Virus Outbreak and Other Unrealized Pathogens. mBio; 10(6):e02877-19. doi.:10.1128/mBio.02877-19.

Sun L., Zhang S., Yang Z. (2022). Clinical Application and Influencing Factor Analysis of Metagenomic Next-Generation Sequencing (mNGS) in ICU Patients With Sepsis. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology, 12, 905132. https://doi.org/10.3389/fcimb.2022.905132.

Tan C.C.S., Acman M., van Dorp L., Balloux, F. (2021). Metagenomic evidence for a polymicrobial signature of sepsis. Microbial Genomics; 7(9):000642. doi.:10.1099/mgen.0.000642.

Tsitsiklis A., Osborne C. M., Kamm J., Williamson K., Kalantar K., Dudas G., Caldera S., Lyden A., Tan M., Neff N., Soesanto V., Harris J. K., Ambroggio L., Maddux A. B., Carpenter T. C., Reeder R. W., Locandro C., Simoes E. A. F., Leroue M. K., Hall M. W., Zuppa A. F., Carcillo J., Meert K. L., Sapru A., Pollack M. M., McQuillen P. S., Notterman D. A., Dean J. M., Zinter M. S., Wagner B. D., DeRisi J. L., Mourani P. M., Langelier C. R. (2022). Lower respiratory tract infections in children requiring mechanical ventilation: a multicentre prospective surveillance study incorporating airway metagenomics. The Lancet Microbe; 3(4):e284–e293. doi.:10.1016/S2666-5247(21)00304-9.

Wang Y.-L., Guo X.-T., Zhu M.-Y., Mao Y.-C., Xu X.-B., Hua Y., Xu L., Jiang L.-H., Zhao C.-Y., Zhang X., Sheng G.-X., Jiang P.-F., Yuan Z.-F., Gao F. (2023). Metagenomic next-generation sequencing and proteomics analysis in pediatric viral encephalitis and meningitis. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology; 13:1104858. doi.:10.3389/fcimb.2023.1104858.

Wang Y.N., Wu Y.T., Cao L., Niu W.Q. (2024). Application of metagenomic next-generation sequencing in the etiological diagnosis of refractory pneumonia in children. Frontiers in Microbiology; 15:1357372. doi.:10.3389/fmicb.2024.1357372.

Wilson M. R., Sample H. A., Zorn K. C., Arevalo S., Yu G., Neuhaus J., Federman S., Chiu C. Y. (2019). Clinical Metagenomic Sequencing for Diagnosis of Meningitis and Encephalitis. The New England Journal of Medicine; 380(24):2327–2340. doi.:10.1056/NEJMoa1803396.