专访余永国:全基因组芯片技术破解医学难题

【字体: 时间:2012年07月05日 来源:生物通

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  “遗传病我们不可防,但是我们可以提前知道,甚至阻止该类疾病的发生。” ——上海儿童医学中心余永国博士

  

引子……

上海儿童医学中心儿科转化医学研究所。一个前来就诊的孤独症状患儿,还表现出营养不良,智力落后等异常情况,这引起了余永国医生的注意。余医生曾于美国哈佛大学医学院进修分子诊断多年,在遗传病罕见病的分子诊断方面有着极其丰富的经验。为了帮助极度焦虑的父母探究其中的原因,余医生决定开展细胞遗传学分析。46条染色体,超过30亿碱基对,问题出在哪里?在完全未确定目标的情况下,首先得做全局筛查。能不能找到,以及如何高效且经济地找到其中的遗传异常呢?

最终,通过全基因组芯片筛查这种高分辨率的技术找到了原因,原来这个患儿缺失了一种称为DHCR7的基因,这个基因缺陷会造成DHCR7酶功能缺损,从而导致体内胆固醇合成出现障碍,从而出现营养不良,智力落后。

找到这个原因之后,他们建议这个患儿的饮食中增多胆固醇的摄入,结果证明这种添加确实能缓解病症!或许,这个星儿有机会因此摆脱智力落后的宿命,日后获得能独立自理的人生(星儿泛指孤独症的孩子,活在自己的世界里,就像天上的星星,遥不可及,一人一世界,不受世俗浸染,独自闪烁),或许,这也为堕入痛苦深渊的父母带来一点希望之光。另外,这个遗传病筛查结果也指明了其家长再次生育出现此类情况的风险概率。

 

类似的,或者不同的悲欢,几乎每日都能在这个装备精良的研究所里看到,每日都在地球的不同角落不断重演着。环境,气候,饮食,各方面的综合原因,过去十年里被检测出来的儿童遗传病案例越来越多:有资料显示,约5%的人类妊娠可能带有遗传性疾病;发达国家的儿童医院长期住院患者中有36%53%存在遗传问题。虽然,单一种遗传病都很罕见,发病率高的也仅六百分之一左右(先天愚型),低的常低到数十万分之一,好像离我们很遥远。但是已知的人类遗传病多达3550种,所以遗传病的总发病率相当可观。这就是当前世界医学界对遗传性疾病予以特殊关注的原因之一。

 

遗传病我们不可防,但是我们可以提前知道,甚至阻止该类疾病的发生。博士这样说。

潘多拉的盒子最后出来的是希望
    
希望就在提前知道
    
不知道,根本无从谈起。

那么怎样经济有效检查出遗传异常?目前主流的方法有哪些,方法差异又在哪里?对于父母来说,什么情况下需要进行遗传病筛查,哪些类型的缺陷或者异常可能与遗传有关?在进行遗传病筛查的时候需要注意些什么?

带着这种种问题,生物通特联系了余永国博士,就各方面相关问题请教了他。


(余永国博士,图片来源:余永国博士)
余永国博士,上海儿童医学中心内分泌遗传科医生,同时兼任儿科转化医学研究所出生缺陷研究室副主任;曾于美国哈佛大学医学院博士后研究,主攻方向为分子诊断,尤其擅长遗传病罕见病的的分子诊断,比如智力落后,孤独症,多发畸形,肥胖,矮小等遗传病因;

 

遗传疾病诊断分析的方法和效果

相应的遗传诊断方法很多,比如单基因疾病主要采用Sanger测序的方法,而染色体异常常采用染色体核型分析,FISH或者现在的全基因组芯片检测;Sanger测序主要是针对基因的点突变检测,其缺点是不能检测大片段的缺失和重复;而染色体核型分析分辨率低,只能检测大于5-10Mb以上的大缺失和重复,FISH只能检测已知位点,且通量较小;全基因组芯片缺点是不能检测点突变和平衡易位。
                                                                   
——博士

生物通:孩子是父母的期望。作为在国内和国外从事儿童遗传病筛查已有多年经验的专家,您能介绍一下,一般哪些类型的缺陷或者异常可能与遗传有关?

余永国博士(以下简称余博士):广义遗传病的概念为由遗传因素参与引起的疾病,狭义的遗传病是指遗传物质改变所导致的疾病,比如单基因遗传病(比如血友病),多基因遗传病(比如身高,哮喘,肥胖等),染色体病(比如21三体,就是俗称的唐氏综合征)等。

生物通:遗传分析结果对遗传异常的及早干预或者对症下药会有哪些帮助?在您遇到的众多门诊案例中,您印象比较深刻的有哪些例子?

博士:遗传病我们不可防,但是我们可以提前知道,甚至阻止该类疾病的发生。

    遗传分析的结果对遗传咨询及临床治疗的指导意义大致有以下7个益处:

n         帮助鉴别诊断

n         共病及病程预测

n         再发风险评估

n         产前诊断

n         提前干预治疗

n         指导特别治疗方案

n         心理效益

  我们门诊诊断阳性遗传病近千例,主要做近50多种单基因疾病,脆性X综合征,DiGeoge综合征,脊肌萎缩症,不明原因智力落后,发育迟缓,各类综合征以及多发畸形等。印象比较深的例子之一就是前面提及的那个案例。

另外一个例子是一个21月男孩子,来医院要求发育评估,结果显示轻度发育迟缓,进一步芯片扫描发现是染色体疾病(2个变异,一个是10号染色体末端微缺失,另外一个是12号染色体末端微重复,而10号染色体微缺失的基因为肾脏发育关键基因,所以我们检查患者肾脏B超,发现有肾脏畸形,同时推测父母双方有一个是平衡易位才可能出现这个染色体疾病,父母的染色体检测证实了我们的结论,这样这对父母再生第二胎的完全正常的几率是3/8

生物通:“提前知道”和“阻止疾病发生”的关键在于及时和准确的诊断。现在主流的遗传诊断方法有哪些?分别用于检测哪些类型的遗传疾病?

博士:不同的遗传病遗传致病原因不同,检测方法也不同。比如遗传代谢病主要是点突变引起的,首选Sanger测序;而染色体病大都是由拷贝数变异引起,首选全基因组芯片或者FISH或者染色体核型分析检测,这些检测并没有先后之分,主要是根据临床疾病类型,所以详细的临床表型和临床诊断是进行遗传检测的前提。

常见的遗传病有三种类型:
A:
单基因病。单基因常常表现出功能性的改变,不能造出某种蛋白质,代谢功能紊乱,形成代谢性遗传病。单基因病包括显性遗传(父母一方有显性基因,一经传给下代就能发病,世代相传,如多指,并指,原发性青光眼等,子代每胎风险为50%);和隐性遗传(如先天性聋哑,高度近视,白化病等,之所以称隐性遗传病,是因为患儿的双亲外表往往正常,但都是致病基因的携带者,子代每胎风险为25%);性连锁遗传(性别有关,如血友病,其母亲是致病基因携带者。又如红绿色盲,母亲是致病基因携带者,而女儿发病是由父亲而来,但男性的发病率要比女性高得多)。这类遗传病一般需要用测序的方法检测。
B
:多基因遗传:是由多种基因变化影响引起,人的性状如身长、体型、智力、肤色和血压等均为多基因遗传,还有唇裂、腭裂也是多基因遗传。此外多基因遗传受环境因素的影响较大,如哮喘病、精神分裂症等。
C:
染色体异常:由于染色体数目异常或排列位置异常等产生;最常见的如先天愚型,这种孩子面部愚钝,智力低下,两眼距离宽、斜视、伸舌样痴呆、通贯手、并常合并先天性心脏病。这类遗传病一般用细胞遗传学方法检测。


生物通:哪种方法更好?各有什么长处和短处呢?在检测目标基因还无法确定时,如何有效地在全部染色体或者全基因组中筛查遗传异常?

博士:各有所长。

  单基因疾病主要采用Sanger测序的方法,Sanger测序主要是针对基因的点突变检测,其缺点是不能检测大片段的缺失和重复;

细胞遗传学主要研究染色体畸变。

  1. 染色体核型分析:可以从宏观上分析患者可见的染色体异常情况,如大片段的染色体缺失和扩增。但是,染色体图像分析的技术性非常强、且非常耗费人力;只能检测大于5-10Mb以上的大缺失和重复,略微细微的染色体片段的变化是无法通过核型分析检查的。因此直观是核型分析的优势,但是分辨率较低则是核型分析的无法逾越的缺点。

  2. 荧光原位杂交技术:FISH 可以准确定位基因组中多个同源位点,结果直观、可靠。只能有针对性地检测已知目标DNA变异区域,无法发现未知的染色体变异区域,2kb 以下的cDNA序列很难定位。FISH检测操作要求高,结果需要有经验的细胞遗传学家进行分析。

  3.基因组芯片杂交:最新细胞遗传学检测手段,一次杂交即可对样本染色体拷贝数量的变化进行检查。其优点是可在全基因组范围内检测到染色体的缺失和增加并能准确地测定其大小;可同时检测多种因染色体失衡而导致的疾病(比如杂合性缺失(LOH),单亲二倍体(UPD));可检测到10%水平的嵌合体;并且分辨率高,相比传统核型分析高出近千倍。全基因芯片缺点是不能检测点突变和平衡易位。


生物通:遗传病的诊断是否越早越好?有没有成功案例?

博士:遗传病我们不可防,但是我们可以提前知道,甚至阻止该类疾病的发生。

比较成功的例子如苯丙酮尿症,主要是苯丙氨酸羟化酶的缺乏导致苯丙氨酸在脑中积聚导致智力损害,早期明确诊断可以通过现在苯丙氨酸摄入,智力可以同正常人;还有小孩子可塑性非常大,针对不明原因智力落后患者,诊断明确,早期康复训练,患者智力水平要明显增加。


全基因组细胞遗传学芯片技术标准

“全基因芯片相对染色体核型分析和FISH有高通量,分辨率高等优势,确实可以真正的为临床解决问题。”
                                                 
——博士

生物通:您最近的一篇文章中选择采用了最新的全基因组细胞遗传学芯片技术平台。作为这一领域的专家,在国内和国外从事儿童遗传病筛查领域已有多年的经验,您选择的标准是什么?您认为这种技术优势在哪里?

博士:患者选择标准严格按照美国遗传学会2010年指南:不明原因智力落后/发育迟缓,孤独症,不明原因综合征(主要不是21三体,18三体或者9三体等),多发畸形等。

  全基因芯片相对染色体核型分析和FISH有高通量,分辨率高等优势,确实可以真正的为临床解决问题。

生物通:美国医学遗传协会已将基因芯片检测作为了多发畸形等几种疾病的一线检测首选技术,并进一步提出了设计标准。这个推荐的依据是什么?这些设计标准的重点是什么?是否同样也适用于中国?

博士:美国基因芯片应用于临床依据有5-6年的历史,目前技术和整个环节流程非常顺畅,根据积累的经验和数据,发现不明原因智力落后/发育迟缓,孤独症,不明原因综合征(主要不是21三体,18三体或者9三体等),多发畸形等更容易用芯片检测出异常,所以就出具了指南,要求上述疾病首选芯片检测,取代常规的染色体核型分析和FISH检测。

  中国的基因芯片应用于临床检测才刚刚起步,很多流程和规范尚待完善,但是全基因芯片的适应症应该也等同于美国,而不能滥用全基因芯片指针。我想中国人的上述疾病遗传背景应该略不同于美国。


主流基因芯片产品技术特点和差异

Affymetrix Cytoscan HD可以检测低于10%的嵌合体,对肿瘤样本的检测也有一定的效能,而Agilent芯片只能检测大于20-30%的嵌合体,对肿瘤的诊断效能不如Affymetrix Cytoscan HD芯片……”
                                                           
——博士

生物通:在基因芯片产品选择上,目前主流的技术产品有哪些?您认为它们分别具有哪些特点,适用于哪些方面呢?

博士:目前基因芯片主流的产品根据芯片探针类型分成两类,一类是比较基因组芯片(aCGH,它的原理是患者的拷贝数和正常人进行比较,患者探针颜色标记成绿色,正常人探针标记成红色,最后得到一个数值,这类产品以AgilentNimblegen芯片平台为代表;另外一个芯片平台是SNP探针进行检测,它的原理是患者的信号探针和人群的平均值进行比较,这类产品以AffymetrixIllumina平台为代表。

   芯片发展至今,都逐步走向高通量,即有SNP探针,也有CNV探针,比如agilent4X180K芯片,Affymetrixcytoscan HD芯片等。一些主流芯片平台并没有什么大的区别,细小的区别是比如Affymetrix Cytoscan HD可以检测低于10%的嵌合体,对肿瘤样本的检测也有一定的效能,而agilent芯片只能检测大于20-30%的嵌合体,对肿瘤的诊断效能不如Affymetrix Cytoscan HD芯片。但是agilent芯片价格便宜些。

生物通:开展芯片实验需要具备哪些条件?技术要求有多高?国内现在开展情况如何?开展芯片实验能给国内患者带来哪些好处?

博士:开展芯片的实验室必须具备三个条件,一个是资质,另外一个是设备,最后是数据诠释。芯片临床实验室必须有医疗资质,且实验室至少要通过基因扩增实验室资质认证,上岗人员必须有证书,目前上海市有基因芯片实验室审批指南;第二个是设备投资;最后一个是结果的解释,需要既有生物学背景又有临床遗传背景的专科医生,至少主治医生以上。

   我觉得技术门槛不高,主要是数据分析和结果解释门槛较高。

   国内基因芯片用于临床检测才刚刚起步,需要逐步推广并逐步规范,一方面是医疗体制及相关法律法规的问题,因为中国对于临床实验室的认证采用的是产品认证,需要进入实验室的仪器和试剂通过SFDA,而美国采用的实验室认证的方法,对于新的分子诊断技术进入临床比较有利;另一方面国内既有生物学背景又有临床背景的遗传咨询师人才比较欠缺,如何正确使用基因芯片用于遗传病的诊断及数据解读还是个难题,这种情况下难免受到部分销售人员的误导。

   比如我上个礼拜遗传门诊看见一个临床怀疑是Bartter综合征的患者,用过全基因芯片扫描,结果肯定是阴性的,因为Bartter综合征是点突变引起的,芯片不能检测,但是芯片公司给患者讲因为患者年龄小,需要长大后复查,我听后是苦笑不能,基因芯片用于临床需要逐步行业规范。

   正确恰当的使用芯片确实可以造福患者,比如我们在一个回顾性研究中发现,对于多发畸形伴或者不伴不明原因智力落后,常规的染色体阳性率是5.6%,而芯片的阳性诊断率高达31.7%,明显高于染色体核型分析。

遗传检测未来发展趋势

“……就诊,确诊和继后的遗传咨询规范还需要逐渐完善,遗传检测将是未来10年发展非常好的专业,但是相比国外我们还有很多很多差距……”
                                                      
——博士

生物通:在中国遗传病的发病趋势如何?目前就诊,确诊,以及预后情况如何?您认为这一领域研究未来的发展趋势是什么?相对于国外,国内还存在哪些差距?

博士:因为遗传病涉及到各个专业很多疾病领域,所以目前遗传病患者主要分散到各个专业。但是国内缺少一个专业:遗传咨询专业,在国外遗传咨询是一个很重要的专业领域,遗传咨询师主要是向患者解释每个遗传检测的适用范围,家系遗传概率计算以及遗传检测结果的诠释,目前国内遗传咨询师的工作主要是遗传医生或者各个专业的专科医生代替,但是因为国内的患者数量要远远高于国外,所以遗传医生或者各个专业的专科医生不可能有太多的时间向每个患者家庭详细的解释一个遗传病的来龙去脉,这些都限制了遗传专业的进一步规范化发展。

   随着遗传检测技术的发展和国家政府的扶持,我们认识的遗传病会被大量发现认出,但是就诊,确诊和继后的遗传咨询规范还需要逐渐完善,遗传检测将是未来10年发展非常好的专业,但是相比国外我们还有很多很多差距,医疗体制,医保报销范围,技术平台的发展以及临床规范都需要我们政府部门,专科医生,医院,公司,患者,培训机构协力合作,一起做大做强做规范这个非常非常新的领域。

生物通:除此之外,在您看来,儿童遗传病日益增多的可能原因会是什么?对于即将成为或已成为家长的读者,您认为需要注意些什么?

博士:儿童遗传病日益增多原因有两个方面:一是因为遗传诊断技术的长足发展。另外是环境的综合作用。

    
对于家长,当你孩子有不明原因智力落后,发育迟缓,多发畸形,类似综合征,或者家族有某类遗传病病史时需要到遗传科就诊;对于孕妇家庭,当有胎儿B超异常,不明原因流产,死胎等需要遗传门诊就诊。

  
遗传病我们不可防,但是我们可以提前知道,甚至阻止该类疾病的发生。

什么是遗传病

定义:主要由基因突变或染色体畸变引起的疾病,一般分为两大类,一类是基因病(genic disease,包括单基因病如高度近视,白化病,和多基因病如唇裂,哮喘等;另一类是染色体病(chromosomal disease)如先天愚型,智力发育不全等,相比之下这类遗传病患者的独立生存能力多数更差一些。虽然遗传病具有先天性、家族性、罕见性、终生性,目前无法根治,但是及早查明原因,提早干预,是有机会减缓病情和改善患者的生活质量的。

一般以下几种情况需要开展遗传分析:

  a:
临床怀疑某个疾病,需要基因诊断确诊,比如肾上腺皮质增生症,主要临床表现失盐(机体钠丢失)和女性男性化(男性性早熟,女性男性化),它可以是不同的酶缺陷,如21羟化酶,17羟化酶,11β羟化酶等,虽然临床可以根据生化检测大致区分,但是最终的诊断还是需要基因确诊;
  b:产前诊断:现在基本国内大部分孕妇在14-18周都进行唐氏筛选就属于一种遗传诊断;在怀孕期间如果胎儿B超现实胎儿异常,就需要更进一步的遗传诊断;
  c:家族性遗传病:一个家系很多患者发病,需要先判断遗传方式,然后决定用什么遗传检测手段。比如我们曾经看过一个家庭三个男孩子都是智力落后,而一个女儿智力正常,父母正常,我们做了这三个患者的全外显子测序,结果发现是X染色体上的一个基因突变所致,女儿没有此突变。
  d:临床诊断不明,常规检测手段没有办法明确,比如不明原因智力落后,发育迟缓,多发畸形等等。

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