孕妇外周血中的游离DNA中基于多重微液滴数字PCR的胎儿染色体非整倍体无创产前检测方法检测方案(PCR)

From the journalAnalyst A Multiplex Droplet Digital PCR Assayfor Non-invasive Prenatal Testing ofFetal Aneuploidy Chianru Tan Xihua Chen， FangWang， Dong Wang， Zongfu Cao. Xiurui Zhu. ChaoLu. Wenjun Yang. Na Gao. Huafang Gao， Yong Guo and LingxiangZhu dPCR用于NIPT 研究，Analyst, 2019导读2019年1月8日，清华大学医学院生物医学工程系郭永实验室合作在《分析学家》（Analyst）在线发表题为《基于多重微液滴数字PCR的胎儿染色体非整倍体无创产前检测方法》（A Multiplex Droplet Digital PCR Assay for Non-invasive Prenatal Testing of Fetal Aneuploidy）的研究论文，该研究利用数字PCR技术检测孕妇外周血中的游离DNA，建立了一种胎儿染色体非整倍体无创产前检测的新方法。转化医学网第一时间联系了本文第一作者陈芊如进行了访谈。研究背景及内容胎儿染色体非整倍体异常是严重的出生缺陷，最常见的包括21-三体综合征（即唐氏综合征，其未干预的综合发病率高达1/750，且随着孕妇年龄增加风险急剧增大）、18-三体综合征和13-三体综合征等。这类疾病将导致新生儿出现智力低下、生长发育迟缓、多发畸形乃至死亡，且尚无有效治疗手段，而产前筛查和诊断可最有效的避免此类患儿的出生。自孕妇外周血中发现游离胎儿DNA以来，研究人员对其展开大量研究，发展出基于二代测序技术的无创产前检测技术（NIPT），此技术比传统唐氏综合征血清学筛查更准确，比羊水穿刺更安全。因为其无创、安全、准确的特点，受到医生和孕妇的认可并被临床快速接受，是目前二代测序技术最为成功的临床应用。然而，基于二代测序的无创产前检测技术尚存在检测周期长，需要1-2周出检测报告、技术门槛高、检测费用贵等不足，阻碍了其替代传统产前筛查方法成为全面普查项目。为了解决上述不足，在这项研究中，研究人员使用具有单分子检测灵敏度和绝对定量能力的数字PCR技术，开发了一种简单有效的染色体非整倍体的无创产前检测新方法。该研究使用孕妇外周血，能够对一个样本在约4.5小时完成无创产前检测（图1）。研究人员首先通过理论计算，研究能够精准分辨21-三体综合征的影响因素和边界条件；接着设计40对引物和2个锁核酸（LNA）通用探针扩增21号和18号染色体上的各20个片段，验证了理论预测的可靠性，评估了检测方法的性能指标；最后通过60例临床样本对方法的准确性和临床适用性进行了初步评估，结果显示所有临床样本检测结果与基于二代测序技术的无创产前检测结果一致率为100%。基于数字PCR的染色体非整倍体无创产前检测方法流程图访谈内容转化医学网第一时间联系了本文的第一作者陈芊如，并进行了访谈，请她对行业关心的问题进行了解答，以下为访谈内容。转化医学网问：您是如何想到将数字 PCR 技术应用到无创产前检测中的？答：无创产前检测染色体非整倍体（例如21-三体综合征）的关键在于定量待测染色体（例如21号染色体）和参考染色体（例如除了21号染色体以外的常染色体），然后计算待测染色体和参考染色体数量的比例，以确定样本是否为染色体非整倍体。理论上，若胎儿正常则比例为1，若胎儿有染色体三体则比例大于1。由于胎儿游离DNA占孕妇外周血中游离DNA很小一部分（在不同孕周有波动，比如4%-20%），因此定量的方法需要具有足够的精准度才能实现可靠的检测。数字PCR技术具有单分子灵敏度和绝对定量的能力，能够区分微小差异，很适合用来进行无创产前检测。转化医学网问：对比于现有的二代测序技术无创产前检测，您的发现最大的突破点在哪里？它将为患者们带来如何积极的影响？答：首先，基于数字PCR技术的无创产前检测能够在一天内给出检测结果，而二代测序技术一般需要1-2周；第二，数字PCR技术的操作流程和所需仪器相较于二代测序简单了许多，因此较容易在一般医院的临床实验室开展；第三，基于数字PCR技术的无创产前检测有望实现更低的检测成本，因为其仪器、试剂的成本都较二代测序的低，当检测价格足够低，就有机会覆盖更大的人群。转化医学网问：这一技术是否还有其他的应用方向？答：数字PCR技术在生物、医学、农业、检验检疫领域有广泛的应用，比如基因表达差异、拷贝数变异、核酸标准物质定标、转基因检测、基因编辑验证、二代测序建库和验证、器官移植排斥监测、感染性疾病早期检测等。由于其灵敏度高、准确性强、绝对定量的优势，特别适合于肿瘤液体活检、无创产前筛查这些对于灵敏度和准确性要求高的领域。转化医学网问：这一技术离推广到临床应用还有多长的路要走？答：目前的报道，我们在原理上完成了初步验证，建立了一种较为稳健的检测方法。后续还需要进一步优化，包括进一步提高可靠性与准确性、进行更多临床样本的验证、实现更多染色体非整倍体（21、18、13、X、Y）的检测。研究展望该研究为无创产前检测领域提供了一种新的实用性思路，对于如何用数字PCR技术进行无创产前筛查的诊断试剂开发给出了可行的设计原则。下一步，研究者们将对此方法进行进一步的优化，包括进一步提高可靠性与准确性、进行更多临床样本的验证、实现更多染色体非整倍体（21、18、13、X、Y）的检测。在医疗控费的背景下，开发快速简便的方法对于在大规模人群开展无创产前检测具有重要意义。随着国内数字PCR平台的自主研发与技术创新，基于数字PCR的无创产前检测技术有望实现准确、快速、简便的产前筛查。后记陈芊如和陈西华为该论文的共同第一作者，祝令香研究员和郭永研究员对该研究进行了指导，这项研究得到了国家卫健委科学技术研究所和北京新羿生物科技有限公司的大力支持。本课题得到国家自然科学基金、中央公益性科研机构基金、企业横向合作课题等的经费资助。郭永博士和祝令香博士一直致力于微液滴数字PCR技术的开发和转化研究。下一步，会推动多指标、自动化、低成本数字PCR技术发展，与合作单位一起开展数字PCR在在重大疾病体外诊断的应用研究。来源：转化医学网