NGS 技术对于金黄色葡萄球菌的研究进展

1 引言

金黄色葡萄球菌作为一种重要的人畜共患病原体，可导致皮肤感染、食物中毒、肺炎、败血症等多种疾病。其多重耐药性（如 MRSA）和强毒力特性给临床治疗与公共卫生安全带来严峻挑战。传统的表型分型与检测方法存在耗时长、分辨率低、信息有限等瓶颈。高通量测序（NextGeneration Sequencing,，NGS）技术，尤其是全基因组测序（Whole Genome Sequencing,，WGS），以其通量高、速度快、信息全的优势，彻底革新了金黄色葡萄球菌的研究范式，为病原体的精准识别、溯源追踪、耐药预警和新型防控策略开发提供了强大工具。本文结合近五年（2020–2024）国内外研究进展，全面评述 NGS 技术在金黄色葡萄球菌研究中的应用现状、核心突破与发展趋势。

2 NGS 技术概述及其在微生物研究中的优势

NGS 技术是一类能够并行对数百万至数十亿 DNA 片段进行快速测序的技术统称，主要包括Illumina（短读长、高精度）、Oxford Nanopore（长读长、实时性）和 Pac Bio（超长读长）等平台。相较于传统一代测序（如Sanger 法），NGS 的核心优势在于以下。

在金黄色葡萄在金黄色葡萄球菌研究中，WGS 已成为解析其遗传多样性、进化关系、传播链与致病潜力的“金标准”。

3 NGS 在金黄色葡萄球菌分子分型与溯源中的应用

传统分型方法（如 PFGE、spa 分型、MLST）分辨率有限，难以区分紧密相关的菌株。WGS凭借其单核苷酸分辨率，可实现精准分子分型与溯源。高精度分型：基于核心基因组多位点序列分型（cg MLST）或全基因组SNP 分型，可清晰区分传统方法无法辨别的暴发菌株与背景菌株，精确界定传播簇 [1]，[9]。疫情溯源与传播链重建：WGS 在食源性疾病暴发、医院感染暴发及社区传播研究中发挥关键作用，通过构建系统发育树，可清晰描绘菌株传播路径与方向 [3]，[4]。种群结构与进化分析：大样本量的 WGS 数据分析揭示了金黄色葡萄球菌（特别是 MRSA）复杂的种群结构、地理分布特征及进化动态 [8]，[2]。环境与宿主溯源：如利用WGS 解析浙江近岸海域耐盐金黄色葡萄球菌的耐药机制与潜在来源。“基于全基因组测序（WGS）的分子分型技术以其超高分辨率，正逐步取代传统方法，成为金黄色葡萄球菌暴发调查和分子流行病学研究的基石。”

4 NGS 在解析金黄色葡萄球菌耐药机制中的应用

NGS 为全面揭示金黄色葡萄球菌耐药性（特别是 MRSA）的遗传基础提供了前所未有的视角，耐药基因（ARG s）的全面鉴定与定位：WGS 可一次性检出菌株携带的所有已知 ARG s（如mecA/mecC、blaZ、氨基糖苷类、大环内酯类耐药基因）及其定位（染色体或质粒 / 转座子）。结合功能验证，明确耐药表型基因型关联 [5]，[6]，[7]，[21]。新型耐药机制的发现：通过比较基因组学或全基因组关联分析（GWAS），发现新的耐药相关突变位点或未知耐药基因[23]，[2]。耐药岛（SCCmec）的精细解析：WGS（尤其是长读长技术）可精确解析携带 mecA 基因的 SCC mec 元件的复杂结构、类型（IXI 型等）及其插入位点，为 MRSA 的起源与进化提供关键证据 [6]。异质性耐药（HeR）研究：NGS（特别是深度测序）可检测群体中低频存在的耐药亚群，揭示传统方法易漏检的 HeR 机制及其临床意义 [4]，[18]。耐药传播机制研究：追踪耐药基因在菌株间或种间的水平转移（HGT）事件，如质粒、转座子或噬菌体介导的mecA 基因传播 [15]。

5 NGS 在毒力因子研究与致病机制探索中的应用

金黄色葡萄球菌的致病力与其携带的众多毒力因子密切相关。NGS 为全面解析其毒力基因谱提供了强大工具，毒力基因组的系统筛查：WGS 可全面鉴定菌株携带的毒素基因（如肠毒素SE s、TSST1、PVL）、黏附因子（如 FnBP s、ClfA/B）、侵袭酶（如 Hla、Hlb、Coa）及免疫逃逸相关基因（如SCIN、CHIPS）等 [10]，[11]，[12]。毒力与致病性的关联分析：通过比较致病株与非致病株、不同感染来源株的基因组，结合转录组（RNA seq）或蛋白组学，鉴定与特定疾病（如食物中毒、坏死性肺炎、骨髓炎）相关的关键毒力因子或基因表达谱[8，][14]，[17]。新型毒力因子/ 标志物的发掘：利用泛基因组学比较不同菌株的核心基因组与附属基因组，结合表型数据（如动物模型、细胞实验），筛选潜在的新型毒力决定因子或可用于诊断/ 预后的分子标志物 [16]，[8]。PVL 等关键毒素的快速检测：针对特定强毒力因子（如杀白细胞素 PVL），开发基于 CRISPRC as等NGS 衍生技术的快速、特异检测方法 [12]。

6 基于NGS 的快速检测与诊断技术创新

NGS 不仅用于后端分析，也推动了前端快速检测技术的革新：靶向测序与多重检测：基于NGS 原理设计多重 PCR 引物组，结合高通量测序，实现对多种病原（包括金葡菌）及多个毒力/ 耐药基因的同时检测与鉴别 [11]，[9]。纳米孔测序（ONT）用于即时检测：ONT 设备的便携性和实时测序能力，使其在床旁或现场快速鉴定金葡菌及其耐药性（如直接检测 mecA）成为可能[15]。宏基因组测序（m NGS）：无需培养，直接从临床样本（如痰液、血液、脓液、食物样本）中检测金葡菌及其耐药毒力谱，尤其适用于疑难、危重感染或混合感染的病原体诊断[14]，[15]。NGS 指导分子 POCT 开发：WGS 发现的独特分子靶标（如特定 SNP、毒力基因）为开发重组酶聚合酶扩增（RPA）、环介导等温扩增（LAMP）、CRISPRC as 等温扩增结合侧流层析（如 RAALFD、MIRALFD、CRISPRLFA）等快速、可视化、便携的 POCT 技术提供了精准靶点 [13]，[5]，[6]。

7 NGS 在新型抗菌策略与防控研究中的应用

NGS 驱动的组学研究为开发抗金葡菌新策略开辟了新途径：新型抗菌靶点筛选：利用泛基因组学结合消减蛋白质组学 / 生物信息学分析，筛选金葡菌核心且宿主同源性低的必需基因或其表达产物，作为潜在药物或疫苗靶点 [16]。分子对接与虚拟药物筛选：基于 WGS 预测的潜在靶点蛋白结构，利用分子对接技术大规模筛选化合物库，加速新型抗菌药物的发现[16]。抗菌机制研究：利用转录组学（RNA seq）、蛋白组学等技术，研究抗菌物质（如天然产物二氢杨梅素、消毒技术如紫外 / 氯、射频冷等离子体、光动力杀菌）处理金葡菌后基因表达谱或蛋白表达谱的变化，阐明其作用机制 [17]，[18]，[20]，[21]。靶向递送系统设计：结合耐药机制和感染微环境特点，设计靶向抗菌药物递送系统（如万古霉素负载微泡联合超声靶向破坏技术治疗MRSA 假体周围感染）[19]。

效力评价标准建立：NGS 用于评估抗菌材料（如银纳米颗粒）对金葡菌的效力机制，为相关标准（如 GB/Z428402023）的制定提供依据 [22]

8 挑战与未来展望

尽管NGS 技术应用前景广阔，但仍面临挑战：数据分析复杂性与标准化：生物信息分析流程复杂，需要专业人才；数据存储、分析、解读及不同实验室间结果的标准化与可比性有待解决。成本与时效性平衡：虽然成本持续下降，但大规模应用成本仍较高；从样本到报告的周期需进一步缩短以满足临床即时决策需求。检测灵敏度与宿主背景干扰：对于低生物量样本（如血培养阴性标本），m NGS 检测金葡菌的灵敏度受宿主 DNA 干扰影响。功能验证必要性：基因组预测的耐药/ 毒力表型需通过实验验证；预测的潜在靶点需体内外功能确证。未来发展方向包括：长读长与实时测序普及：Oxford Nanopore 等长读长技术将更广泛应用于复杂区域（如SCC mec）组装、宏基因组分析和床边快速诊断。单细胞测序应用：深入解析金葡菌群体异质性（如耐药亚群、持留菌、生物膜内差异）。多组学整合分析：结合基因组、转录组、蛋白组、代谢组数据，系统揭示金葡菌致病、耐药及环境适应的全网络调控机制。人工智能（AI）深度整合：利用AI/ML 优化 NGS 数据分析流程、预测耐药 / 毒力表型、加速新靶点 / 药物发现。便携式设备与即时诊断（POCNGS）：开发更小型化、自动化、用户友好的NGS 设备及配套生信工具，实现感染病原体的现场即时宏基因组检测。全球基因组数据库与协作网络：建立更大规模、更开放共享的金葡菌基因组数据库和国际监测网络，提升全球范围内对耐药菌株和暴发疫情的预警与应对能力。

9 结论

NGS 技术，特别是 WGS，已深刻变革了金黄色葡萄球菌的研究格局。它以前所未有的深度和广度，揭示了该病原体的遗传多样性、进化动态、耐药机制和毒力奥秘。在分子分型溯源方面，WGS 提供了超越传统方法的超高分辨率，成为疫情调查和流行病学研究的核心工具。在耐药研究领域，NGS 实现了耐药基因的全面鉴定、新机制的发现以及耐药传播路径的精准追踪。在毒力解析方面，系统筛查毒力基因组并关联致病表型，为理解发病机制和发现新靶点奠定了基础。NGS 不仅革新了后端分析，也催生了基于特定分子靶标的新型快速检测技术（如 CRIS PRCas、等温扩增结合侧流层析），并推动了宏基因组学在感染诊断中的应用。此外，基于泛基因组学和消减组学筛选新型抗菌靶点，结合分子对接与多组学机制研究，为开发抗金葡菌新药和新策略（如靶向递送、新型物理杀菌技术）开辟了道路。尽管在数据分析标准化、成本控制、灵敏度提升和功能验证等方面仍面临挑战，但随着长读长测序、单细胞技术、人工智能、便携式设备和全球协作网络的快速发展，NGS 技术必将在未来金黄色葡萄球菌乃至更广泛的病原体精准监测、快速诊断、耐药防控和新疗法开发中发挥更加核心和强大的作用，最终推动构建更加完善的公共卫生防御体系。

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