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原文出处

Clinical Chemistry 61:1 32–37 (2015)

作者

Y. M. Dennis Lo (卢煜明)

作者和文献信息

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

当我在牛津读买球网院时，我对产前诊断领域产生了兴趣。我一直在追踪产前诊断血红蛋白病的进展， 这是加州大学旧金山分校（1）的Yuet Wai Kan教授和牛津大学的David Weatherall教授（2）的开创性工作。在买球网院课程的后续工作中，通过在病理学家肯尼思·弗莱明博士（图1）的团队工作，我也有幸获得了研究实验室的第一手经验。有一天，我听到了来自牛津大学买球网院的Regius名誉教授约翰·贝尔教授的讲座，当时他刚刚从斯坦福大学返回牛津大学。贝尔教授谈到了一种新的方法，聚合酶链反应（PCR），引起了我的注意。在讲课之后，我说服了贝尔教授教我这个方法。我很快就能体会到这种强大的方法的多功能性（3）以及潜在的缺点（例如，易受污染）（4）。 

我很快就对进一步改进产前诊断方法发生了兴趣。基于DNA的产前诊断方法的一个重要缺点是胎儿组织的侵入性取样，例如通过羊膜穿刺术，当时这是获得胎儿细胞进行进一步分析所必需的。这种侵入性取样对胎儿具有微小但是明确的风险。为了避免这种风险，许多科学家多年来一直梦想着进行无创产前诊断的可能性。为了实现这一目标，自20世纪60年代末以来一直在尝试分离已经进入母亲流通的胎儿有核细胞。然而，这种早期尝试是基于常规细胞遗传学（5）或染色（例如，用于雄性细胞的奎纳克林染色）（6,7）方法。我以为可以使用PCR的灵敏度来检测已经进入母体循环的胎儿细胞。我进一步假设，为了最大限度地获得成功的机会，可以将两个连续的PCR相结合。我将此称为双重放大系统，现在更普遍地称为嵌套PCR。使用这样的系统，我确实能够证明母体血细胞中胎儿DNA的检测（8）。其他工作者很快也报道使用PCR（9,10）和分子细胞遗传学方法（11），结合各种胎儿细胞富集技术检测循环胎儿细胞。然而，包括我自己在内的所有这些努力受到诸如假阳性和假否定性等问题的阻碍。造成这种困难的主要原因是母体血液中胎儿有核细胞的极度罕见（12）。另一个原因是某些胎儿细胞群从一个怀孕到下一个怀孕的持续存在（13）。事实上，我将花费未来8年在这方面工作，没有取得重大成功。到2002年，已经清楚的是，母体血液中胎儿有核细胞的罕见性将使得使用这种方法非常难以开发用于非侵入性产前检测的实用和有力的方法（14）。因此，对这种基于细胞的方法的兴趣已经下降。

一九九七年对于我的出生地香港来说， 是一个非常特别的一年。那是自1841年以来香港成为英国殖民地之后，再回到中国的那一年。虽然许多人因为未来不确定而在一九九七年前离开香港，但我和妻子决定现在回到家乡。知道我回到香港后，我需要建立新的职业生涯，所以我觉得这是尝试新事物，甚至是冒险的好时机。 1996年9月，在我返回香港前4个月，在《自然买球网》上有人发表了2篇关于肿瘤DNA在癌症患者获得的无细胞血液中的存在的文章（15,16）。我认为在癌症患者中生长的癌症有点类似于在母亲子宫内发育的胎儿，虽然在我的临床实践中还没有看到像8磅的宝宝一样大的癌症。因此，我认为买球网应该能够检测母体血液中的无细胞部分，即血浆或血清中的胎儿DNA。与牛津大学的血液学家James Wainscoat教授合作，买球网能够证明胎儿DNA确实存在于母体血浆和血清中（17）。事实上，大多数情况下，当母亲怀孕男性胎儿时，买球网只能使用10升煮沸的血浆或血清来获得强壮的胎儿Y染色体信号，表明这些样品中无细胞胎儿DNA的浓度应该非常高。

 

渴望了解在母体血浆和血清中可以发现胎儿DNA的浓度，我研究了DNA定量分析的方法。在1996年底，一种称为实时PCR的方法，其中一个将监测DNA扩增反应的进展，从而准确测量输入的DNA浓度，刚刚公布（18）。然而，为了执行这样的技术，将需要一种昂贵的仪器，其基本上是组合的PCR热循环仪和荧光相机。在一九九六年的拳击节，我被邀请到Magnus Hjelm教授在伦敦附件的家里聚会，Hjelm教授是我未来在香港的系主任。我决定请他在香港的新实验室安装一台实时PCR机。相当令人惊讶的是，赫杰尔教授几乎是不假思索第同意了我的要求，这是我一生中最好的圣诞礼物！

我于1997年1月开始在香港工作，并开始测定母体血浆和血清中胎儿DNA浓度的项目。母体血浆胎牛血浆DNA分数显着高于妊娠早期平均约3％，妊娠晚期为6％（19）。这些浓度远高于存在于母体血液中的胎儿有核细胞的相应数字，母体血液中每105个或106个母细胞通常为1个胎儿细胞水平或者更低。此外，对于在怀孕期间多次采样的孕妇队列的连续分析表明，早在孕周第七周，胎儿DNA就存在于母体血清中。总而言之，这些数据表明，母体血浆中的胎儿DNA将是非侵入性产前诊断的有价值的材料。其非常高的浓度将表明使用这种材料的产前检测潜在地比使用母体血液中的胎儿细胞更加坚固。此外，不同胎龄的胎儿DNA浓度范围将成为基于此材料建立诊断平台的基础。

如上所述，胎儿细胞在母亲血液中的使用是无创的产前诊断，因为某些胎儿细胞群从一个怀孕到下一个怀孕的持续存在是复杂的（13）。我想看看这种现象是否也会使母体血浆中无细胞胎儿DNA的诊断使用复杂化。因此，我招募了一些做剖腹产的妇女，并在分娩后的多个时间点取血。结果表明，分娩后胎儿DNA从母体血浆中迅速清除，半衰期约为16 分钟（20）。因此，这些数据表明，与母体血液中的胎儿细胞不同，在母体血浆中使用无细胞胎儿DNA进行产前诊断不会与以前的怀孕持续存在并存。

因此，通过上述3项研究奠定了该现象的基本生物学参数（17,19,20），我决定在胎儿蜕膜D血型的无创产前诊断中应用无细胞胎儿DNA检测方法，Rh D阴性。这种应用在临床上是有用的，因为Rh D阴性母亲如果胎儿是Rh D阳性可能是免疫敏感的，并且可能产生抗体以在随后的涉及Rh D阳性胎儿的怀孕中侵袭胎儿红细胞。因此，能够确定哪些维生素D阴性孕妇处于危险中，哪些不是。我能够证明用母体血浆和实时荧光定量PCR（21）可以高精度确定胎儿Rh血型。该测试现在已经在欧洲从2001年左右开始进行临床检测，几年后在美国出现，代表了基于DNA的无创产前诊断的第一个临床应用。

胎儿染色体非整倍体如唐氏综合征的产前诊断是怀孕妇女进行产前检测的最常见原因之一。我已经表明怀孕妇女携带唐氏综合征胎儿的血浆中无细胞胎儿DNA的浓度高于携带染色体正常胎儿的血液中的浓度（22）。因此，母体血浆DNA分析可用作胎儿唐氏综合征的筛查试验。挑战是在唐氏综合征组和正常组之间的浓度范围内存在一些重叠，因此在成为有价值的测试工具之前，需要改进测试的诊断灵敏度和特异性。然后我接下来的十年，探索可以增强这种测试的各种方法。

唐氏综合征是由21号染色体上遗传物质的剂量增加引起的，最常见的是由染色体的额外拷贝的存在引起。因此，唐氏综合征的无创性产前检测的关键是开发可以准确测量这种染色体剂量增加的方法。因为胎儿DNA通常作为母体血浆中发现的总DNA的较小部分存在（19），所以可以提高这种染色体剂量测量的性能的一种方法是将DNA分子的子集定位在母体血浆中到胎儿我推测来自不同组织的DNA分子可能对其DNA具有不同的生物化学修饰，因此可能会发现可以使胎儿与血浆中母体DNA区分开的修饰。这些修饰通常被称为表观遗传改变。研究类型最多的表观遗传变化是DNA甲基化。在2002年，我描述了一种基于DNA甲基化的方法，并证明其用于检测母体血浆中的胎儿DNA（23）。随后的实验表明，这种方法确实可以用于检测唐氏综合征（24）和另一种称为爱德华综合征的染色体紊乱（25）。

在我正在探索使用DNA甲基化的同时，我也并行研究了另一种方法。我认为在不同组织中的细胞之间，将被接通的基因将是不同的。因此，在胎儿组织中优先接种但在母体组织中被切断的基因将代表另一类胎儿特异性标记物，可用于母体血液中的检测。然后转向检测基因表达产物，即信使RNA（mRNA），并在2000年显示胎儿mRNA确实存在于母体血浆中（26）。母体血浆中胎儿mRNA的检测有些令人惊讶，因为当时的一般信念是mRNA非常脆弱，因此在存在各种核酸酶的血浆中极不可能存活。随后的研究表明，这种循环的mRNA分子被颗粒保护（27,28）。进一步的工作表明，血浆mRNA分析可用于唐氏综合征的无创性产前检测（29）。

而基于DNA甲基化和mRNA分析的方法代表检测胎儿染色体紊乱的可行方法，基于这种方法的良好标记物需要大量的优化努力，并且在许多情况下需要对DNA变异（例如单核苷酸多态性）的标记的伴随分析，不适用于所有胎母对。因此，我决定研究一种没有这种限制的方法。一种方法是开发极其精确的量化方法，使得可以测量胎儿染色体剂量变化（例如，唐氏综合征的情况下增加），即使这种变化被母体DNA的背景部分掩盖等离子体。

我认为可以实现这一点的一个方法是一次计数母体血浆中的DNA分子。使用这种策略，只要增加分子数量就可以达到任何程度的精度。我与香港中文大学的Rossa Chiu和Allen Chan合作（图2），买球网在2007年报告说，这种方法的确可以使用单分子PCR（更通常称为数字PCR）（30 ）。然后，买球网在2008年显示，大规模并行测序（也称为下一代测序）提供了超过数字PCR的实现这种计数方法的显着优点，并且将允许使用具有非常高的灵敏度和特异性的母体血浆检测胎儿唐氏综合征（31） 。然后，买球网对该技术进行了大规模的多中心验证研究，达到100％的诊断灵敏度和98％的特异性（32）。这项研究的结果已被其他组复制（33,34）。该技术于2011年下半年被引入临床服务，在接下来的3年中已经在50个国家进行了70万例母体血浆样品。这个进展代表了最快速采用的基因组测试之一。

在实现强大的无创产前检测唐氏综合症之后，我想探索推动这项技术有多远。因此，2010年，我的研究团队成功开发了一种从母体血浆测序整个胎儿基因组的方法（35）。这种方法是基于对母体血浆的深度测序，可以涵盖人类基因组几十次。然后从参考胎儿父亲和母亲的基因组序列的测序数据中推断胎儿基因组。这种方法已被其他工作人员证实（36,37）。超越基因组，在2013年，我的小组进一步表明，可以从母体血浆中确定胎儿表观基因组（38）。这种方法将是探索胎儿基因组生物化学修饰与生理或病理发展之间复杂关系的潜在有价值的工具。

由于我在血浆DNA中的工作最初受到癌症领域的工作的启发（15,16），我决定在我的胎儿工作的同时，继续使用血浆DNA进行癌症检测。因此，我已经开发了类似于相应的胎儿DNA测试，使用实时PCR（39），DNA甲基化标记（40），血浆mRNA标志物（41）等的癌症测试。最近，由于等离子体的成功用于检测胎儿染色体异常的DNA测序（31,42），我的小组也探索了一种类似的方法来试图开展癌症的普遍检测。买球网最近在这一领域的数据非常有希望（43,44），并且已经表明这种方法可用于使用血液样本检测多种类型的癌症。买球网的结果得到了其他团体的支持（45,46）。

在过去的17年里，我一直为在无创产检的进展而激动，我证明了胎儿DNA在母体血浆中的存在并且开发出了分子诊断技术来研究这个领域。我和我的研究团队也非常受到鼓舞，因为买球网看到这项技术已经在世界范围内得到应用，使产前检测对孕妇的压力更小，对婴儿也更安全。这同时也是一个适当的时机让买球网各界探讨这项新技术（47）的相关的各种社会的、法律的和伦理的话题，并探讨这个新技术更好地融入买球网的医疗体系。

作者贡献：所有作者证实他们对本文的知识内容作出了贡献，并符合以下3个要求：（a）对概念和设计，数据采集或数据分析和解释作出重大贡献; （b）起草或修改有关知识内容的文章; （c）最后批准已发表的文章。

作者的披露或潜在的利益冲突：在手稿提交时，所有作者完成了作者的披露表格。披露和/或潜在的利益冲突：

就业或领导：Y.M.D. Lo，Xcelom Limited，临床化学，AACC。

顾问或咨询角色：Y.M.D. Lo，Sequenom，Inc.

股权所有权：Y.M.D. Lo，Xcelom Limited，Sequelom，Inc

荣誉：没有宣布。

研究经费：Y.M.D. Lo，大学教育资助委员会优异奖计划（AoE / M-04/06），李嘉诚基金会，S. Yee基金会，Sequenom公司，香港研究资助局和创新及科技基金。

专家证词：没有声明。

专利：Y.M.D. Lo，20多项专利或专利申请，都在无创产前检测领域。

致谢：科学研究是集体的努力。在这方面，我要感谢我的研究团队和合作者在过去多年与我的合作。我也要感谢参加这个研究计划的怀孕的母亲。这篇文章的早期版本是在费萨尔国际国际医药奖2014年发表的时候发表的，并在费萨尔国王基金会的许可下发表在这里。

 

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