浅谈精准医疗之“精准高通量测序平台”

  新年伊始，奥巴马代言的“精准医疗”就火遍各大媒体版面，成为医疗届最热门的话题。广义的精准医疗是指根据个体差异进行个性化预防和治疗的方案，这并不是一个全新的概念。而近年来技术的飞速发展，让我们看到精准医疗切实可行的方向之一，基于基因组测序和生物信息学的个体化诊疗。对于精准医疗的范畴，美国国立卫生研究院（NIH）现任主任弗朗西斯·柯林斯(Francis Collins) 认为“精准医疗计划分为两个方面：近期对癌症治疗的关注以及长远对健康和疾病整个范围知识应用的认识。”前不久，中国政府也释放加大精准医疗投入的信号，同时发布了肿瘤诊断与治疗项目高通量基因测序技术临床试点单位名单。这意味着，在以肿瘤治疗为近期目标的精准医疗或将成为推动未来医疗领域的动力。
  显然，精准医疗是理想，实现理想则需要缜密的落地方案，这不仅需要科研成果进行临床转化，在转化过程中的技术实现方式同等重要。以肿瘤分子检测为例：肿瘤发生为分子损伤的累积，同一种肿瘤存在着不同的分子变异类型，甚至于同一种肿瘤亚型，也存在各种各样变异的肿瘤细胞。而肿瘤细胞中所发生的变异，往往是非常微小的插入或缺失，如果没有足够精准和强大的基因测序平台，将纷繁复杂的肿瘤分子信息有效呈现出来几乎是个神话。
  幸运的是，高通量测序技术的超常规发展将神话变成了现实。目前，国际公认的测序金标准为Illumina公司的边合成边测序为原理的测序技术。Illumina不但拥有完备的基因测序仪产品线，可以覆盖所有基因测序的业务范围，并将70%以上的全球测序市场收入囊下，而且其中MiseqDx还获得了美国FDA的资质认证。英国政府开展的“10万基因组计划”、美国的“百万基因组计划”等重大人类基因组项目也都是建立在Illumina测序技术的基础之上。在医疗领域，Illumina的技术广泛服务于Laboratory Corporation of America、 Counsyl、Emory、Baylor、贝瑞和康等公司。在肿瘤和新药研发方面，Illumina的平台也在为诸如强生(Johnson & Johnson)、赛诺菲(Sanofi)、阿斯利康(AstraZeneca)和药明康德（WuXi AppTec）这样的行业领先企业提供技术支撑。在国内获得CFDA准入的基因测序仪中，贝瑞和康的NextSeq CN500也是采用Illumina的测序技术原理。
  精准医疗的基因组学研究平台，我们可以从准确和高效两个方面来探讨。
  一方面，精准的结果是实现精准医疗的首要条件。Illumina采用边合成边测序（SBS）的化学原理，通过专利的可逆末端阻断技术，可以在DNA合成过程中，对携带不同颜色荧光的碱基进行捕获，通过“颜色序列”获得DNA序列。基于此方法，就能保证在单核苷酸被合成进DNA时准确检测到该碱基信息，并确保上百万条DNA片段同时进行大规模平行测序。该测序原理，不仅能够通过加大测序深度来消除随机误差，还能有效避免由于测序技术本身带来的系统性错误，消除由于匀聚物（一连串连续的重复核苷酸）造成的测序错误，这一点对肿瘤组织的检测尤为重要。因为肿瘤组织往往发生插入突变，鉴于Illumina的测序技术能够准确测定均聚物序列，结合Mate-Pair双端测序的技术，将大幅度降低肿瘤插入突变的测序错误。因此Illumina测序平台总是能够为不同的测序项目得到完美的测序质量值（Q值）。斯坦福大学HanleeJi教授就曾表示：“Illumina的高通量测序系统是很有帮助的工具。它在序列质量上的提高和成本上的显着下降将继续推进肿瘤学和基因组医学的进步。”
  另一方面，高通量测序的高效性。高效不仅仅要考虑测序速度，还应当考虑卫生经济学效力。在合理的检测通量下，用最短的时间得到最多、最准确的检测结果。如果以在中国获得CFDA资质的NextSeq CN500为例，其测序芯片的最大通量为120Gb，而一个人类的基因组大小约为3Gb，这意味着这台仪器可以对一个人类基因组重复测序40次。对于实验人员来说，简便快捷的操作同样是效率的体现。NextSeq CN500无需额外进行簇生成操作，测序结束后仪器自动进行清洗。这意味着工作人员只要在操作面板设置好参数，然后将制备好的上机样品和试剂直接加载到试剂仓就可以了。节省掉至少十几个复杂的分子生物学操作步骤和超过一天的工作量。加上桌面式的小巧设计，NextSeq CN500真正意义上实现了高通量的基因测序平台从大型基因组项目向小型医疗实验室的完美转身。
  在以“全民健康”为总目标的卫生事业发展规划下，基于目前测序平台所能实现的精准检测，我国政府也加大对基因检测项目的投入力度。卫计委先后出台了关于植入前胚胎遗传学诊断、产前筛查与诊断、遗传病诊断、肿瘤诊断与治疗的试点单位和实施办法。同时还对贝瑞和康、华大基因、达安基因、博奥基因等企业申报的基因测序仪及相关试剂下发了市场准入许可。让以高通量测序为技术核心的医学检测项目从仪器试剂、资格单位、诊疗范围都有了一个暂行依据。如何使用正确的工具和正确的使用工具，将是成就精准医疗时代的关键所在。

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  1.Yong Wang, Jill Waters, Marco L. Leung, Anna Unruh, Whijae Roh, Xiuqing Shi, Ken Chen, Paul Scheet, Selina Vattathil, Han Liang, Asha Multani, Hong Zhang, Rui Zhao, Franziska Michor, Funda Meric-Bernstam & Nicholas E. Navin. Clonal evolution in breast cancer revealed by single nucleus genome sequencing. Nature, 30 July 2014; doi:10.1038/nature13600

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