原文出處

Clinical Chemistry 61:1 32–37 (2015)

作者

Y. M. Dennis Lo (盧煜明)

作者和文獻(xiàn)信息

Li Ka Shing Institute of Health Sciences and Department of Chemical Pathology, The Chinese University of Hong Kong, Prince of Wales Hospital, Shatin, New Territories, Hong Kong SAR, China.Fax+852-2636-5090; e-mail: loym@cuhk.edu.hk.

* Address correspondence to the author at: Li Ka Shing Institute of Health Sciences and Department of Chemical Pathology, The Chinese University of Hong Kong, Prince of Wales Hospital, Shatin, New Territories, Hong Kong SAR, China.

Received July 9, 2014; accepted July 10, 2014.

Previously published online at DOI: 10.1373/clinchem.2014.223024

© 2014 American Association for Clinical Chemistry

當(dāng)我在牛津讀醫(yī)學(xué)院時(shí)，我對(duì)產(chǎn)前診斷領(lǐng)域產(chǎn)生了興趣。我一直在追蹤產(chǎn)前診斷血紅蛋白病的進(jìn)展， 這是加州大學(xué)舊金山分校（1）的Yuet Wai Kan教授和牛津大學(xué)的David Weatherall教授（2）的開(kāi)創(chuàng)性工作。在醫(yī)學(xué)院課程的后續(xù)工作中，通過(guò)在病理學(xué)家肯尼思·弗萊明博士（圖1）的團(tuán)隊(duì)工作，我也有幸獲得了研究實(shí)驗(yàn)室的第一手經(jīng)驗(yàn)。有一天，我聽(tīng)到了來(lái)自牛津大學(xué)醫(yī)學(xué)院的Regius名譽(yù)教授約翰·貝爾教授的講座，當(dāng)時(shí)他剛剛從斯坦福大學(xué)返回牛津大學(xué)。貝爾教授談到了一種新的方法，聚合酶鏈反應(yīng)（PCR），引起了我的注意。在講課之后，我說(shuō)服了貝爾教授教我這個(gè)方法。我很快就能體會(huì)到這種強(qiáng)大的方法的多功能性（3）以及潛在的缺點(diǎn)（例如，易受污染）（4）。 

我很快就對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)產(chǎn)前診斷方法發(fā)生了興趣?；?span>DNA的產(chǎn)前診斷方法的一個(gè)重要缺點(diǎn)是胎兒組織的侵入性取樣，例如通過(guò)羊膜穿刺術(shù)，當(dāng)時(shí)這是獲得胎兒細(xì)胞進(jìn)行進(jìn)一步分析所必需的。這種侵入性取樣對(duì)胎兒具有微小但是明確的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免這種風(fēng)險(xiǎn)，許多科學(xué)家多年來(lái)一直夢(mèng)想著進(jìn)行無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前診斷的可能性。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，自20世紀(jì)60年代末以來(lái)一直在嘗試分離已經(jīng)進(jìn)入母親流通的胎兒有核細(xì)胞。然而，這種早期嘗試是基于常規(guī)細(xì)胞遺傳學(xué)（5）或染色（例如，用于雄性細(xì)胞的奎納克林染色）（6,7）方法。我以為可以使用PCR的靈敏度來(lái)檢測(cè)已經(jīng)進(jìn)入母體循環(huán)的胎兒細(xì)胞。我進(jìn)一步假設(shè)，為了最大限度地獲得成功的機(jī)會(huì)，可以將兩個(gè)連續(xù)的PCR相結(jié)合。我將此稱(chēng)為雙重放大系統(tǒng)，現(xiàn)在更普遍地稱(chēng)為嵌套PCR。使用這樣的系統(tǒng)，我確實(shí)能夠證明母體血細(xì)胞中胎兒DNA的檢測(cè)（8）。其他工作者很快也報(bào)道使用PCR（9,10）和分子細(xì)胞遺傳學(xué)方法（11），結(jié)合各種胎兒細(xì)胞富集技術(shù)檢測(cè)循環(huán)胎兒細(xì)胞。然而，包括我自己在內(nèi)的所有這些努力受到諸如假陽(yáng)性和假否定性等問(wèn)題的阻礙。造成這種困難的主要原因是母體血液中胎兒有核細(xì)胞的極度罕見(jiàn)（12）。另一個(gè)原因是某些胎兒細(xì)胞群從一個(gè)懷孕到下一個(gè)懷孕的持續(xù)存在（13）。事實(shí)上，我將花費(fèi)未來(lái)8年在這方面工作，沒(méi)有取得重大成功。到2002年，已經(jīng)清楚的是，母體血液中胎兒有核細(xì)胞的罕見(jiàn)性將使得使用這種方法非常難以開(kāi)發(fā)用于非侵入性產(chǎn)前檢測(cè)的實(shí)用和有力的方法（14）。因此，對(duì)這種基于細(xì)胞的方法的興趣已經(jīng)下降。

一九九七年對(duì)于我的出生地香港來(lái)說(shuō)， 是一個(gè)非常特別的一年。那是自1841年以來(lái)香港成為英國(guó)殖民地之后，再回到中國(guó)的那一年。雖然許多人因?yàn)槲磥?lái)不確定而在一九九七年前離開(kāi)香港，但我和妻子決定現(xiàn)在回到家鄉(xiāng)。知道我回到香港后，我需要建立新的職業(yè)生涯，所以我覺(jué)得這是嘗試新事物，甚至是冒險(xiǎn)的好時(shí)機(jī)。 1996年9月，在我返回香港前4個(gè)月，在《自然醫(yī)學(xué)》上有人發(fā)表了2篇關(guān)于腫瘤DNA在癌癥患者獲得的無(wú)細(xì)胞血液中的存在的文章（15,16）。我認(rèn)為在癌癥患者中生長(zhǎng)的癌癥有點(diǎn)類(lèi)似于在母親子宮內(nèi)發(fā)育的胎兒，雖然在我的臨床實(shí)踐中還沒(méi)有看到像8磅的寶寶一樣大的癌癥。因此，我認(rèn)為我們應(yīng)該能夠檢測(cè)母體血液中的無(wú)細(xì)胞部分，即血漿或血清中的胎兒DNA。與牛津大學(xué)的血液學(xué)家James Wainscoat教授合作，我們能夠證明胎兒DNA確實(shí)存在于母體血漿和血清中（17）。事實(shí)上，大多數(shù)情況下，當(dāng)母親懷孕男性胎兒時(shí)，我們只能使用10升煮沸的血漿或血清來(lái)獲得強(qiáng)壯的胎兒Y染色體信號(hào)，表明這些樣品中無(wú)細(xì)胞胎兒DNA的濃度應(yīng)該非常高。

 

渴望了解在母體血漿和血清中可以發(fā)現(xiàn)胎兒DNA的濃度，我研究了DNA定量分析的方法。在1996年底，一種稱(chēng)為實(shí)時(shí)PCR的方法，其中一個(gè)將監(jiān)測(cè)DNA擴(kuò)增反應(yīng)的進(jìn)展，從而準(zhǔn)確測(cè)量輸入的DNA濃度，剛剛公布（18）。然而，為了執(zhí)行這樣的技術(shù)，將需要一種昂貴的儀器，其基本上是組合的PCR熱循環(huán)儀和熒光相機(jī)。在一九九六年的拳擊節(jié)，我被邀請(qǐng)到Magnus Hjelm教授在倫敦附件的家里聚會(huì)，Hjelm教授是我未來(lái)在香港的系主任。我決定請(qǐng)他在香港的新實(shí)驗(yàn)室安裝一臺(tái)實(shí)時(shí)PCR機(jī)。相當(dāng)令人驚訝的是，赫杰爾教授幾乎是不假思索第同意了我的要求，這是我一生中最好的圣誕禮物！

我于1997年1月開(kāi)始在香港工作，并開(kāi)始測(cè)定母體血漿和血清中胎兒DNA濃度的項(xiàng)目。母體血漿胎牛血漿DNA分?jǐn)?shù)顯著高于妊娠早期平均約3％，妊娠晚期為6％（19）。這些濃度遠(yuǎn)高于存在于母體血液中的胎兒有核細(xì)胞的相應(yīng)數(shù)字，母體血液中每105個(gè)或106個(gè)母細(xì)胞通常為1個(gè)胎兒細(xì)胞水平或者更低。此外，對(duì)于在懷孕期間多次采樣的孕婦隊(duì)列的連續(xù)分析表明，早在孕周第七周，胎兒DNA就存在于母體血清中。總而言之，這些數(shù)據(jù)表明，母體血漿中的胎兒DNA將是非侵入性產(chǎn)前診斷的有價(jià)值的材料。其非常高的濃度將表明使用這種材料的產(chǎn)前檢測(cè)潛在地比使用母體血液中的胎兒細(xì)胞更加堅(jiān)固。此外，不同胎齡的胎兒DNA濃度范圍將成為基于此材料建立診斷平臺(tái)的基礎(chǔ)。

如上所述，胎兒細(xì)胞在母親血液中的使用是無(wú)創(chuàng)的產(chǎn)前診斷，因?yàn)槟承┨杭?xì)胞群從一個(gè)懷孕到下一個(gè)懷孕的持續(xù)存在是復(fù)雜的（13）。我想看看這種現(xiàn)象是否也會(huì)使母體血漿中無(wú)細(xì)胞胎兒DNA的診斷使用復(fù)雜化。因此，我招募了一些做剖腹產(chǎn)的婦女，并在分娩后的多個(gè)時(shí)間點(diǎn)取血。結(jié)果表明，分娩后胎兒DNA從母體血漿中迅速清除，半衰期約為16 分鐘（20）。因此，這些數(shù)據(jù)表明，與母體血液中的胎兒細(xì)胞不同，在母體血漿中使用無(wú)細(xì)胞胎兒DNA進(jìn)行產(chǎn)前診斷不會(huì)與以前的懷孕持續(xù)存在并存。

因此，通過(guò)上述3項(xiàng)研究奠定了該現(xiàn)象的基本生物學(xué)參數(shù)（17,19,20），我決定在胎兒蛻膜D血型的無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前診斷中應(yīng)用無(wú)細(xì)胞胎兒DNA檢測(cè)方法，Rh D陰性。這種應(yīng)用在臨床上是有用的，因?yàn)?span>Rh D陰性母親如果胎兒是Rh D陽(yáng)性可能是免疫敏感的，并且可能產(chǎn)生抗體以在隨后的涉及Rh D陽(yáng)性胎兒的懷孕中侵襲胎兒紅細(xì)胞。因此，能夠確定哪些維生素D陰性孕婦處于危險(xiǎn)中，哪些不是。我能夠證明用母體血漿和實(shí)時(shí)熒光定量PCR（21）可以高精度確定胎兒Rh血型。該測(cè)試現(xiàn)在已經(jīng)在歐洲從2001年左右開(kāi)始進(jìn)行臨床檢測(cè)，幾年后在美國(guó)出現(xiàn)，代表了基于DNA的無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前診斷的第一個(gè)臨床應(yīng)用。

胎兒染色體非整倍體如唐氏綜合征的產(chǎn)前診斷是懷孕婦女進(jìn)行產(chǎn)前檢測(cè)的最常見(jiàn)原因之一。我已經(jīng)表明懷孕婦女?dāng)y帶唐氏綜合征胎兒的血漿中無(wú)細(xì)胞胎兒DNA的濃度高于攜帶染色體正常胎兒的血液中的濃度（22）。因此，母體血漿DNA分析可用作胎兒唐氏綜合征的篩查試驗(yàn)。挑戰(zhàn)是在唐氏綜合征組和正常組之間的濃度范圍內(nèi)存在一些重疊，因此在成為有價(jià)值的測(cè)試工具之前，需要改進(jìn)測(cè)試的診斷靈敏度和特異性。然后我接下來(lái)的十年，探索可以增強(qiáng)這種測(cè)試的各種方法。

唐氏綜合征是由21號(hào)染色體上遺傳物質(zhì)的劑量增加引起的，最常見(jiàn)的是由染色體的額外拷貝的存在引起。因此，唐氏綜合征的無(wú)創(chuàng)性產(chǎn)前檢測(cè)的關(guān)鍵是開(kāi)發(fā)可以準(zhǔn)確測(cè)量這種染色體劑量增加的方法。因?yàn)樘篋NA通常作為母體血漿中發(fā)現(xiàn)的總DNA的較小部分存在（19），所以可以提高這種染色體劑量測(cè)量的性能的一種方法是將DNA分子的子集定位在母體血漿中到胎兒我推測(cè)來(lái)自不同組織的DNA分子可能對(duì)其DNA具有不同的生物化學(xué)修飾，因此可能會(huì)發(fā)現(xiàn)可以使胎兒與血漿中母體DNA區(qū)分開(kāi)的修飾。這些修飾通常被稱(chēng)為表觀遺傳改變。研究類(lèi)型最多的表觀遺傳變化是DNA甲基化。在2002年，我描述了一種基于DNA甲基化的方法，并證明其用于檢測(cè)母體血漿中的胎兒DNA（23）。隨后的實(shí)驗(yàn)表明，這種方法確實(shí)可以用于檢測(cè)唐氏綜合征（24）和另一種稱(chēng)為愛(ài)德華綜合征的染色體紊亂（25）。

在我正在探索使用DNA甲基化的同時(shí)，我也并行研究了另一種方法。我認(rèn)為在不同組織中的細(xì)胞之間，將被接通的基因?qū)⑹遣煌?。因此，在胎兒組織中優(yōu)先接種但在母體組織中被切斷的基因?qū)⒋砹硪活?lèi)胎兒特異性標(biāo)記物，可用于母體血液中的檢測(cè)。然后轉(zhuǎn)向檢測(cè)基因表達(dá)產(chǎn)物，即信使RNA（mRNA），并在2000年顯示胎兒mRNA確實(shí)存在于母體血漿中（26）。母體血漿中胎兒mRNA的檢測(cè)有些令人驚訝，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的一般信念是mRNA非常脆弱，因此在存在各種核酸酶的血漿中極不可能存活。隨后的研究表明，這種循環(huán)的mRNA分子被顆粒保護(hù)（27,28）。進(jìn)一步的工作表明，血漿mRNA分析可用于唐氏綜合征的無(wú)創(chuàng)性產(chǎn)前檢測(cè)（29）。

而基于DNA甲基化和mRNA分析的方法代表檢測(cè)胎兒染色體紊亂的可行方法，基于這種方法的良好標(biāo)記物需要大量的優(yōu)化努力，并且在許多情況下需要對(duì)DNA變異（例如單核苷酸多態(tài)性）的標(biāo)記的伴隨分析，不適用于所有胎母對(duì)。因此，我決定研究一種沒(méi)有這種限制的方法。一種方法是開(kāi)發(fā)極其精確的量化方法，使得可以測(cè)量胎兒染色體劑量變化（例如，唐氏綜合征的情況下增加），即使這種變化被母體DNA的背景部分掩蓋等離子體。

我認(rèn)為可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)方法是一次計(jì)數(shù)母體血漿中的DNA分子。使用這種策略，只要增加分子數(shù)量就可以達(dá)到任何程度的精度。我與香港中文大學(xué)的Rossa Chiu和Allen Chan合作（圖2），我們?cè)?span>2007年報(bào)告說(shuō)，這種方法的確可以使用單分子PCR（更通常稱(chēng)為數(shù)字PCR）（30 ）。然后，我們?cè)?span>2008年顯示，大規(guī)模并行測(cè)序（也稱(chēng)為下一代測(cè)序）提供了超過(guò)數(shù)字PCR的實(shí)現(xiàn)這種計(jì)數(shù)方法的顯著優(yōu)點(diǎn)，并且將允許使用具有非常高的靈敏度和特異性的母體血漿檢測(cè)胎兒唐氏綜合征（31） 。然后，我們對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大規(guī)模的多中心驗(yàn)證研究，達(dá)到100％的診斷靈敏度和98％的特異性（32）。這項(xiàng)研究的結(jié)果已被其他組復(fù)制（33,34）。該技術(shù)于2011年下半年被引入臨床服務(wù)，在接下來(lái)的3年中已經(jīng)在50個(gè)國(guó)家進(jìn)行了70萬(wàn)例母體血漿樣品。這個(gè)進(jìn)展代表了最快速采用的基因組測(cè)試之一。

在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前檢測(cè)唐氏綜合癥之后，我想探索推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)有多遠(yuǎn)。因此，2010年，我的研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種從母體血漿測(cè)序整個(gè)胎兒基因組的方法（35）。這種方法是基于對(duì)母體血漿的深度測(cè)序，可以涵蓋人類(lèi)基因組幾十次。然后從參考胎兒父親和母親的基因組序列的測(cè)序數(shù)據(jù)中推斷胎兒基因組。這種方法已被其他工作人員證實(shí)（36,37）。超越基因組，在2013年，我的小組進(jìn)一步表明，可以從母體血漿中確定胎兒表觀基因組（38）。這種方法將是探索胎兒基因組生物化學(xué)修飾與生理或病理發(fā)展之間復(fù)雜關(guān)系的潛在有價(jià)值的工具。

由于我在血漿DNA中的工作最初受到癌癥領(lǐng)域的工作的啟發(fā)（15,16），我決定在我的胎兒工作的同時(shí)，繼續(xù)使用血漿DNA進(jìn)行癌癥檢測(cè)。因此，我已經(jīng)開(kāi)發(fā)了類(lèi)似于相應(yīng)的胎兒DNA測(cè)試，使用實(shí)時(shí)PCR（39），DNA甲基化標(biāo)記（40），血漿mRNA標(biāo)志物（41）等的癌癥測(cè)試。最近，由于等離子體的成功用于檢測(cè)胎兒染色體異常的DNA測(cè)序（31,42），我的小組也探索了一種類(lèi)似的方法來(lái)試圖開(kāi)展癌癥的普遍檢測(cè)。我們最近在這一領(lǐng)域的數(shù)據(jù)非常有希望（43,44），并且已經(jīng)表明這種方法可用于使用血液樣本檢測(cè)多種類(lèi)型的癌癥。我們的結(jié)果得到了其他團(tuán)體的支持（45,46）。

在過(guò)去的17年里，我一直為在無(wú)創(chuàng)產(chǎn)檢的進(jìn)展而激動(dòng)，我證明了胎兒DNA在母體血漿中的存在并且開(kāi)發(fā)出了分子診斷技術(shù)來(lái)研究這個(gè)領(lǐng)域。我和我的研究團(tuán)隊(duì)也非常受到鼓舞，因?yàn)槲覀兛吹竭@項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到應(yīng)用，使產(chǎn)前檢測(cè)對(duì)孕婦的壓力更小，對(duì)嬰兒也更安全。這同時(shí)也是一個(gè)適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)讓我們各界探討這項(xiàng)新技術(shù)（47）的相關(guān)的各種社會(huì)的、法律的和倫理的話題，并探討這個(gè)新技術(shù)更好地融入我們的醫(yī)療體系。

作者貢獻(xiàn)：所有作者證實(shí)他們對(duì)本文的知識(shí)內(nèi)容作出了貢獻(xiàn)，并符合以下3個(gè)要求：（a）對(duì)概念和設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集或數(shù)據(jù)分析和解釋作出重大貢獻(xiàn); （b）起草或修改有關(guān)知識(shí)內(nèi)容的文章; （c）最后批準(zhǔn)已發(fā)表的文章。

作者的披露或潛在的利益沖突：在手稿提交時(shí)，所有作者完成了作者的披露表格。披露和/或潛在的利益沖突：

就業(yè)或領(lǐng)導(dǎo)：Y.M.D. Lo，Xcelom Limited，臨床化學(xué)，AACC。

顧問(wèn)或咨詢角色：Y.M.D. Lo，Sequenom，Inc.

股權(quán)所有權(quán)：Y.M.D. Lo，Xcelom Limited，Sequelom，Inc

榮譽(yù)：沒(méi)有宣布。

研究經(jīng)費(fèi)：Y.M.D. Lo，大學(xué)教育資助委員會(huì)優(yōu)異獎(jiǎng)計(jì)劃（AoE / M-04/06），李嘉誠(chéng)基金會(huì)，S. Yee基金會(huì)，Sequenom公司，香港研究資助局和創(chuàng)新及科技基金。

專(zhuān)家證詞：沒(méi)有聲明。

專(zhuān)利：Y.M.D. Lo，20多項(xiàng)專(zhuān)利或?qū)＠暾?qǐng)，都在無(wú)創(chuàng)產(chǎn)前檢測(cè)領(lǐng)域。

致謝：科學(xué)研究是集體的努力。在這方面，我要感謝我的研究團(tuán)隊(duì)和合作者在過(guò)去多年與我的合作。我也要感謝參加這個(gè)研究計(jì)劃的懷孕的母親。這篇文章的早期版本是在費(fèi)薩爾國(guó)際國(guó)際醫(yī)藥獎(jiǎng)2014年發(fā)表的時(shí)候發(fā)表的，并在費(fèi)薩爾國(guó)王基金會(huì)的許可下發(fā)表在這里。

 

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