引用本文: 黄畅宇, 胡瑞成, 张有志, 李圣青. 应用二代测序技术诊断肺结核病及肺非结核分枝杆菌病各一例并文献复习. 中国呼吸与危重监护杂志, 2019, 18(1): 21-25. doi: 10.7507/1671-6205.201803032 复制
结核病是由结核分枝杆菌复合群感染引起的慢性传染病。2012 年全球新发结核病患者约 860 万例,死亡 130 万例[1]。非结核分枝杆菌,也曾称为非典型分枝杆菌,是指除结核分枝杆菌复合群和麻风分枝杆菌以外的分枝杆菌。我国历次的全国结核病流行病学调查结果显示非结核分枝杆菌的分离率持续增高。随着结核病疫情逐步得到控制,非结核分枝杆菌感染在分枝杆菌疾病中所占的比例将逐步提高[2]。目前在结核病疫情较低的发达国家,非结核分枝杆菌的分离率已超过了结核分枝杆菌复合群[3-4]。对结核病及非结核分枝杆菌感染的有效防控有赖于对其耐药机制、致病机制和传播规律的深入研究。基因组是结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌传播、致病、耐药和进化的遗传基础,是目前研究的热点。一代测序方法成本高、效率低、错误较多,限制了结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌全基因组水平研究的全面开展。近些年,基于二代测序(next-generation sequencing,NGS)技术发展的宏基因组学和 16S rRNA 高通量测序技术以及生物信息学的快速发展[5-6],人们得以全面了解呼吸道微生物组组成。NGS 的发展为从全基因组水平认识结核病及非结核分枝杆菌感染提供了准确、高效的方法,开启了从片面基因分型到全基因组研究的大门,为疾病的研究提供了新的角度和方法。目前,我国基因确诊病例仍少见。本研究通过基因检测确诊结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌引起的肺部感染各 1 例,并复习国内外相关文献来证实基因检测对该类病例诊断的重要性。
1 临床资料
1.1 病例 1
患者男性,65 岁。因 “活动后气促 5 年余,加重 3 个月 ”于 2017 年 8 月 17 日入住上海复旦大学附属华山医院呼吸内科。患者 5 年余前无明显诱因出现活动后气促,无夜间阵发性呼吸困难及端坐呼吸,无咯血、胸痛等,未系统诊治,近 3 个月加重,自觉运动耐量下降,无咳嗽、咳痰、发热等,曾在当地医院就诊并诊断为 “慢性支气管炎 ”,查胸部 CT 发现肺部阴影(具体不详),考虑感染,为进一步诊治入院。既往有胃溃疡并胃大部分切除术史,个人史及家族史无特殊。
查体:双肺呼吸音稍低,未闻及干湿性啰音,余体征无明显异常。实验室检查:血沉 44 mm/1 h;C 反应蛋白 24.7 mg/L;T-SPOT 阳性;血常规、肿瘤标志物、G 试验、乳胶凝集试验均未见异常。2017 年 8 月 18 日胸部 CT:两肺块状、结节状及条索状高密度影,肺气肿(图 1)。支气管镜下各肺叶、段未见出血及新生物(未行活检及刷检)。支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)检查:革兰染色未发现可疑病原菌,未见真菌孢子;培养结果为正常菌群(++),无真菌生长。将 BALF 送华大基因研究院进行宏基因组高通量测序分析,检测到部分革兰阳性菌(G+)、革兰阴性菌(G–)及结核分枝杆菌(表 1)。这与后期 BALF 抗酸染色涂片查见 1~8 条抗酸杆菌/300 个视野的结果一致。该患者确诊肺结核,转结核病医院继续治疗。


双肺上叶及左肺下叶块状、结节状及条索状高密度影,部分伴有空洞形成(黑箭),结核?肺气肿;纵隔未见明显肿大淋巴结
1.2 病例 2
患者男性,73 岁。因 “反复发热伴纳差 2 年 ”入住上海复旦大学附属华山医院呼吸内科。2 年前患者无明显诱因出现发热,午后低热为主,测体温多在 37.3~37.8 ℃ 之间,伴纳差乏力,偶有咳嗽、咳白痰。曾于当地住院诊断可疑肺结核,间断服用抗痨药物(具体不详),无好转。2017 年 6 月 8 日复查胸部 CT 见两肺病灶增多,再次就诊于当地医院,查 T-SPOT 阳性,予以 “头孢西丁、利福喷丁、丙硫异烟胺、乙胺丁醇 ”治疗,病情无明显好转。近 2 年体重下降约 10 kg。吸烟 20 余年,平均 20 支/d,已戒烟 10 余年。余既往史、家族史无特殊。
查体:体温 37.6 ℃,右上肺呼吸音稍低,右下肺可闻及少许湿性啰音,余体征无明显异常。实验室检查:血沉 67 mm/1 h;C 反应蛋白 57.6 mg/L;G 试验 178.2 pg/ml;肿瘤标志物中 CA125(94.6 U/ml)与 CA199(41.8 U/ml)升高,余指标未见异常。血常规、乳胶凝集试验、风湿免疫抗体均未见异常。痰革兰染色:未发现可疑致病菌;痰培养(2 次):正常菌群,无真菌生长;痰抗酸染色:抗酸杆菌(++)。2017 年 8 月 23 日胸部 CT:右上肺毁损,左上肺团片影,双肺炎症,双肺散在肺大疱(图 2)。支气管镜下见右主支气管较多黄色脓性分泌物,于此处进行生理盐水 100 ml 灌洗,双肺各叶、段未见新生物(未行活检及刷检)。患者痰涂片找到抗酸杆菌,但前期常规抗结核治疗效果欠佳,考虑耐药结核或非结核分枝杆菌感染,予以收集 BALF 送华大基因研究院行宏基因组 NGS 检查。检测到部分 G+、G–及细胞内分枝杆菌(表 2)。该患者诊断为肺非结核分枝杆菌病,予以口服克拉霉素片 0.5 g Bid,乙胺丁醇片 0.75 g Qd,利奈唑胺片 600 mg Qd,静滴阿米卡星 0.4 g Qd 治疗 10+d 后,患者纳差、乏力症状明显改善,体温正常,复查胸部 CT 示双肺病灶较前吸收好转,右下肺明显(图 2)。


a、b. 治疗前,右上肺毁损,左上肺团片影,双肺炎症,双肺散在肺大疱;c、d. 治疗后,右下肺病灶明显吸收好转(黑箭)
2 文献复习
以 “二代测序 ”或 “NGS ”和 “微生物 ”或 “感染 ”作为关键词,通过万方数据和中国知网数据库对 2000 年 1 月至 2018 年 1 月的中文文献进行检索,以 “NGS, infectious diseases,China ”为关键词,通过 PubMed 数据库检索 2018 年 1 月前的所有英文文献。共检索到中文文献 221 篇,排除学位论文、会议论文和报纸,最终保留期刊中以 “感染性疾病及传染病 ”和 “呼吸系统疾病 ”为学科分组的报道 10 篇,检索到英文文献 3 篇。
13 篇共报道 177 例经 NGS 检测到的病原体(包括细菌、病毒、寄生虫等),其中男 89 例,女 88 例,年龄 3~79 岁。其中潘阳等[7]选择 2014~2016 年严重急性呼吸道感染病例分离 A(H3N2)亚型流感病毒毒株 32 株,提取病毒 RNA,用二代测序仪进行了病毒全基因组测序,并对毒株各个基因进行了分子进化分析和分子特征分析。孙昼等[8]利用基因测序的方式对杭州市首例本地感染登革热病例开展调查及病原分子学溯源。金嘉琳等[9]回顾性研究复旦大学附属华山医院感染科 2007 年 1 月至 2017 年 8 月收治的 9 例马尔尼菲青霉病病例,1 例通过皮肤活检及 NGS 技术确诊。Lasker[10]根据核苷酸序列测定马尔尼菲青霉菌的分子流行病学分析。季晓伟等[11]选用 23 例感染丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)患者,收集血样标本,用 NGS 检测多发性腺瘤样息肉病的基因甲基化水平,来探讨其与慢性 HCV 感染的关系。吴衍恒等[12]通过对 1 株人感染 H9N2 禽流感病毒进行高通量测序分析,来发现其在人群流行的可能性。孙英伟等[13]收集辽宁省丹东市 2015 年 8 月发生的 2 例间日疟病例,针对间日疟裂殖子表面蛋白基因进行套式 PCR 扩增并对产物测序分析,从而对间日疟疫情调查处置进行描述和分析,指导继续开展消除疟疾工作。何片红等[14]则利用基因测序的方法来研究解脲脲原体(ureaplasma urealyticum,Uu)编码Ⅱ型拓扑异构酶的基因喹诺酮耐药决定区(quinolone resistant-determining region,QRDR)突变与环丙沙星耐药的关系,发现 QRDR 突变可导致 Uu 对环丙沙星产生耐药,环丙沙星对 Uu 的首要靶酶是拓扑异构酶Ⅳ。杨柳等[15]应用荧光分型 PCR 法与 NGS 技术对 111 例新疆柯尔克孜族乙型肝炎患者的血清 DNA 进行乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)基因型分型检测,同时以实时荧光定量 PCR 法对其 HBV DNA 载量进行定量检测,并通过生物信息学手段将 HBV C 区的测序结果与 Gene Bank 中的 HBV 参考株进行核苷酸同源性比对,发现新疆地区柯尔克孜族群体 HBV 的基因型分布具有本民族的自身特点,其各基因型与 C 区变异的相关性也具有统讨学意义。陈劲峰等[16]采用实时荧光聚合酶链反应测定甲型 H1N1 流感病毒核酸,确诊中国首例甲型 H1N1 流感二代病例。朱小娟等[17]通过高通量测序技术确诊腺病毒 55 型感染肺炎 1 例。Chen 等[18]综述了利用 NGS 技术对新的冠状病毒的鉴定,大大扩展了我们对病毒多样性的理解。Yao 等[19]应用 NGS 法检测临床疑似李斯特菌性脑膜脑炎患者脑脊液中的单核细胞增生性李斯特菌,对 3 例脑脊液阴性的单核细胞增生性李斯特菌脑膜脑炎患者进行早期诊断。文献中采用 NGS 检测到的病原体分类、数量与来源见表 3。

目前国内外尚无报道 NGS 技术在结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌诊断或研究中的内容。但通过以上文献可以发现 NGS 技术不但在明确病原体方面存在一定的优势,它同时对于感染性疾病的流行病学调查、基因多态性的研究以及病原体耐药性的研究有一定的价值。
3 讨论
痰病原学检查在结核病诊断方面一直处于重要地位。肺结核一般来说诊断不难,但有时临床症状、肺部影像学表现不典型,痰结核菌检查包括涂片及培养多次阴性者,即所谓 “涂阴 ”及 “菌阴 ”,肺结核则诊断困难,如本文中的例 1 患者,常需借助其他检查进行综合诊断。非结核分枝杆菌的细菌学特点与结核分枝杆菌类似,属于需氧菌,细胞壁富含脂质使其具备抗酸染色的特点。非结核分枝杆菌可侵犯肺、淋巴结、皮肤和软组织等,目前以肺多见。因结核病及非结核分枝杆菌病患者痰抗酸染色均可呈阳性,依靠痰抗酸染色阳性的结果无法鉴别结核分枝杆菌和非结核分枝杆菌。如本文中的例 2 患者,痰抗酸染色阳性,临床表现亦支持肺结核,但常规抗结核效果欠佳,经 NGS 检测 BALF 最终确诊感染非结核分枝杆菌。
随着分子生物学技术的迅猛发展,结核病诊断以及研究方法也取得显著的进步,其中 NGS 技术对于明确是否存在分枝杆菌感染,以及何种分枝杆菌感染成为一个重要手段,同时也是研究的热点。NGS 技术为高通量测序技术,具有检测速度快、准确率高、成本低、覆盖面广以及产出巨大等特点[20]。细菌学与分子生物学结合的检查技术是医学上重要的进展之一,NGS 被认为有望改变临床微生物学的认识,是一种研究感染性疾病流行病学的便捷高效的技术[21-22]。NGS 技术有望实现精准医疗的目的,如感染性疾病的早期诊断、控制传播、精准治疗、良好预后等。
结核病是由结核分枝杆菌复合群感染引起的慢性传染病。2012 年全球新发结核病患者约 860 万例,死亡 130 万例[1]。非结核分枝杆菌,也曾称为非典型分枝杆菌,是指除结核分枝杆菌复合群和麻风分枝杆菌以外的分枝杆菌。我国历次的全国结核病流行病学调查结果显示非结核分枝杆菌的分离率持续增高。随着结核病疫情逐步得到控制,非结核分枝杆菌感染在分枝杆菌疾病中所占的比例将逐步提高[2]。目前在结核病疫情较低的发达国家,非结核分枝杆菌的分离率已超过了结核分枝杆菌复合群[3-4]。对结核病及非结核分枝杆菌感染的有效防控有赖于对其耐药机制、致病机制和传播规律的深入研究。基因组是结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌传播、致病、耐药和进化的遗传基础,是目前研究的热点。一代测序方法成本高、效率低、错误较多,限制了结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌全基因组水平研究的全面开展。近些年,基于二代测序(next-generation sequencing,NGS)技术发展的宏基因组学和 16S rRNA 高通量测序技术以及生物信息学的快速发展[5-6],人们得以全面了解呼吸道微生物组组成。NGS 的发展为从全基因组水平认识结核病及非结核分枝杆菌感染提供了准确、高效的方法,开启了从片面基因分型到全基因组研究的大门,为疾病的研究提供了新的角度和方法。目前,我国基因确诊病例仍少见。本研究通过基因检测确诊结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌引起的肺部感染各 1 例,并复习国内外相关文献来证实基因检测对该类病例诊断的重要性。
1 临床资料
1.1 病例 1
患者男性,65 岁。因 “活动后气促 5 年余,加重 3 个月 ”于 2017 年 8 月 17 日入住上海复旦大学附属华山医院呼吸内科。患者 5 年余前无明显诱因出现活动后气促,无夜间阵发性呼吸困难及端坐呼吸,无咯血、胸痛等,未系统诊治,近 3 个月加重,自觉运动耐量下降,无咳嗽、咳痰、发热等,曾在当地医院就诊并诊断为 “慢性支气管炎 ”,查胸部 CT 发现肺部阴影(具体不详),考虑感染,为进一步诊治入院。既往有胃溃疡并胃大部分切除术史,个人史及家族史无特殊。
查体:双肺呼吸音稍低,未闻及干湿性啰音,余体征无明显异常。实验室检查:血沉 44 mm/1 h;C 反应蛋白 24.7 mg/L;T-SPOT 阳性;血常规、肿瘤标志物、G 试验、乳胶凝集试验均未见异常。2017 年 8 月 18 日胸部 CT:两肺块状、结节状及条索状高密度影,肺气肿(图 1)。支气管镜下各肺叶、段未见出血及新生物(未行活检及刷检)。支气管肺泡灌洗液(bronchoalveolar lavage fluid,BALF)检查:革兰染色未发现可疑病原菌,未见真菌孢子;培养结果为正常菌群(++),无真菌生长。将 BALF 送华大基因研究院进行宏基因组高通量测序分析,检测到部分革兰阳性菌(G+)、革兰阴性菌(G–)及结核分枝杆菌(表 1)。这与后期 BALF 抗酸染色涂片查见 1~8 条抗酸杆菌/300 个视野的结果一致。该患者确诊肺结核,转结核病医院继续治疗。


双肺上叶及左肺下叶块状、结节状及条索状高密度影,部分伴有空洞形成(黑箭),结核?肺气肿;纵隔未见明显肿大淋巴结
1.2 病例 2
患者男性,73 岁。因 “反复发热伴纳差 2 年 ”入住上海复旦大学附属华山医院呼吸内科。2 年前患者无明显诱因出现发热,午后低热为主,测体温多在 37.3~37.8 ℃ 之间,伴纳差乏力,偶有咳嗽、咳白痰。曾于当地住院诊断可疑肺结核,间断服用抗痨药物(具体不详),无好转。2017 年 6 月 8 日复查胸部 CT 见两肺病灶增多,再次就诊于当地医院,查 T-SPOT 阳性,予以 “头孢西丁、利福喷丁、丙硫异烟胺、乙胺丁醇 ”治疗,病情无明显好转。近 2 年体重下降约 10 kg。吸烟 20 余年,平均 20 支/d,已戒烟 10 余年。余既往史、家族史无特殊。
查体:体温 37.6 ℃,右上肺呼吸音稍低,右下肺可闻及少许湿性啰音,余体征无明显异常。实验室检查:血沉 67 mm/1 h;C 反应蛋白 57.6 mg/L;G 试验 178.2 pg/ml;肿瘤标志物中 CA125(94.6 U/ml)与 CA199(41.8 U/ml)升高,余指标未见异常。血常规、乳胶凝集试验、风湿免疫抗体均未见异常。痰革兰染色:未发现可疑致病菌;痰培养(2 次):正常菌群,无真菌生长;痰抗酸染色:抗酸杆菌(++)。2017 年 8 月 23 日胸部 CT:右上肺毁损,左上肺团片影,双肺炎症,双肺散在肺大疱(图 2)。支气管镜下见右主支气管较多黄色脓性分泌物,于此处进行生理盐水 100 ml 灌洗,双肺各叶、段未见新生物(未行活检及刷检)。患者痰涂片找到抗酸杆菌,但前期常规抗结核治疗效果欠佳,考虑耐药结核或非结核分枝杆菌感染,予以收集 BALF 送华大基因研究院行宏基因组 NGS 检查。检测到部分 G+、G–及细胞内分枝杆菌(表 2)。该患者诊断为肺非结核分枝杆菌病,予以口服克拉霉素片 0.5 g Bid,乙胺丁醇片 0.75 g Qd,利奈唑胺片 600 mg Qd,静滴阿米卡星 0.4 g Qd 治疗 10+d 后,患者纳差、乏力症状明显改善,体温正常,复查胸部 CT 示双肺病灶较前吸收好转,右下肺明显(图 2)。


a、b. 治疗前,右上肺毁损,左上肺团片影,双肺炎症,双肺散在肺大疱;c、d. 治疗后,右下肺病灶明显吸收好转(黑箭)
2 文献复习
以 “二代测序 ”或 “NGS ”和 “微生物 ”或 “感染 ”作为关键词,通过万方数据和中国知网数据库对 2000 年 1 月至 2018 年 1 月的中文文献进行检索,以 “NGS, infectious diseases,China ”为关键词,通过 PubMed 数据库检索 2018 年 1 月前的所有英文文献。共检索到中文文献 221 篇,排除学位论文、会议论文和报纸,最终保留期刊中以 “感染性疾病及传染病 ”和 “呼吸系统疾病 ”为学科分组的报道 10 篇,检索到英文文献 3 篇。
13 篇共报道 177 例经 NGS 检测到的病原体(包括细菌、病毒、寄生虫等),其中男 89 例,女 88 例,年龄 3~79 岁。其中潘阳等[7]选择 2014~2016 年严重急性呼吸道感染病例分离 A(H3N2)亚型流感病毒毒株 32 株,提取病毒 RNA,用二代测序仪进行了病毒全基因组测序,并对毒株各个基因进行了分子进化分析和分子特征分析。孙昼等[8]利用基因测序的方式对杭州市首例本地感染登革热病例开展调查及病原分子学溯源。金嘉琳等[9]回顾性研究复旦大学附属华山医院感染科 2007 年 1 月至 2017 年 8 月收治的 9 例马尔尼菲青霉病病例,1 例通过皮肤活检及 NGS 技术确诊。Lasker[10]根据核苷酸序列测定马尔尼菲青霉菌的分子流行病学分析。季晓伟等[11]选用 23 例感染丙型肝炎病毒(hepatitis C virus,HCV)患者,收集血样标本,用 NGS 检测多发性腺瘤样息肉病的基因甲基化水平,来探讨其与慢性 HCV 感染的关系。吴衍恒等[12]通过对 1 株人感染 H9N2 禽流感病毒进行高通量测序分析,来发现其在人群流行的可能性。孙英伟等[13]收集辽宁省丹东市 2015 年 8 月发生的 2 例间日疟病例,针对间日疟裂殖子表面蛋白基因进行套式 PCR 扩增并对产物测序分析,从而对间日疟疫情调查处置进行描述和分析,指导继续开展消除疟疾工作。何片红等[14]则利用基因测序的方法来研究解脲脲原体(ureaplasma urealyticum,Uu)编码Ⅱ型拓扑异构酶的基因喹诺酮耐药决定区(quinolone resistant-determining region,QRDR)突变与环丙沙星耐药的关系,发现 QRDR 突变可导致 Uu 对环丙沙星产生耐药,环丙沙星对 Uu 的首要靶酶是拓扑异构酶Ⅳ。杨柳等[15]应用荧光分型 PCR 法与 NGS 技术对 111 例新疆柯尔克孜族乙型肝炎患者的血清 DNA 进行乙型肝炎病毒(hepatitis B virus,HBV)基因型分型检测,同时以实时荧光定量 PCR 法对其 HBV DNA 载量进行定量检测,并通过生物信息学手段将 HBV C 区的测序结果与 Gene Bank 中的 HBV 参考株进行核苷酸同源性比对,发现新疆地区柯尔克孜族群体 HBV 的基因型分布具有本民族的自身特点,其各基因型与 C 区变异的相关性也具有统讨学意义。陈劲峰等[16]采用实时荧光聚合酶链反应测定甲型 H1N1 流感病毒核酸,确诊中国首例甲型 H1N1 流感二代病例。朱小娟等[17]通过高通量测序技术确诊腺病毒 55 型感染肺炎 1 例。Chen 等[18]综述了利用 NGS 技术对新的冠状病毒的鉴定,大大扩展了我们对病毒多样性的理解。Yao 等[19]应用 NGS 法检测临床疑似李斯特菌性脑膜脑炎患者脑脊液中的单核细胞增生性李斯特菌,对 3 例脑脊液阴性的单核细胞增生性李斯特菌脑膜脑炎患者进行早期诊断。文献中采用 NGS 检测到的病原体分类、数量与来源见表 3。

目前国内外尚无报道 NGS 技术在结核分枝杆菌及非结核分枝杆菌诊断或研究中的内容。但通过以上文献可以发现 NGS 技术不但在明确病原体方面存在一定的优势,它同时对于感染性疾病的流行病学调查、基因多态性的研究以及病原体耐药性的研究有一定的价值。
3 讨论
痰病原学检查在结核病诊断方面一直处于重要地位。肺结核一般来说诊断不难,但有时临床症状、肺部影像学表现不典型,痰结核菌检查包括涂片及培养多次阴性者,即所谓 “涂阴 ”及 “菌阴 ”,肺结核则诊断困难,如本文中的例 1 患者,常需借助其他检查进行综合诊断。非结核分枝杆菌的细菌学特点与结核分枝杆菌类似,属于需氧菌,细胞壁富含脂质使其具备抗酸染色的特点。非结核分枝杆菌可侵犯肺、淋巴结、皮肤和软组织等,目前以肺多见。因结核病及非结核分枝杆菌病患者痰抗酸染色均可呈阳性,依靠痰抗酸染色阳性的结果无法鉴别结核分枝杆菌和非结核分枝杆菌。如本文中的例 2 患者,痰抗酸染色阳性,临床表现亦支持肺结核,但常规抗结核效果欠佳,经 NGS 检测 BALF 最终确诊感染非结核分枝杆菌。
随着分子生物学技术的迅猛发展,结核病诊断以及研究方法也取得显著的进步,其中 NGS 技术对于明确是否存在分枝杆菌感染,以及何种分枝杆菌感染成为一个重要手段,同时也是研究的热点。NGS 技术为高通量测序技术,具有检测速度快、准确率高、成本低、覆盖面广以及产出巨大等特点[20]。细菌学与分子生物学结合的检查技术是医学上重要的进展之一,NGS 被认为有望改变临床微生物学的认识,是一种研究感染性疾病流行病学的便捷高效的技术[21-22]。NGS 技术有望实现精准医疗的目的,如感染性疾病的早期诊断、控制传播、精准治疗、良好预后等。