首页->知识中心

二代测序技术在临床中的应用

  日期:2014-08-27  浏览:3

DNA测序技术正在走进临床应用,在很多领域都已经占据了一席之地,比如肿瘤分子的诊断、遗传病的筛查、产前诊断、感染性疾病和公共卫生的监测等。在这些领域中,DNA测序技术从科研实验室过渡到临床检测,最终成为一种广泛应用的基因检测手段,为临床疾病的诊断、治疗提供指导,这正是得益于DNA测序技术高速发展所带来的检测成本降低以及检测通量提高的结果。

    自从世界上首台新一代测序仪2005年问世以来,新一代测序(NGS)技术已经迅速被应用到如火如荼的医药领域当中。到2013年11月19日,来自美国Illumina公司正式宣布,其MiSeqDx系统已获得美国FDA的上市前许可(premarket clearance),这是首个获得FDA许可的高通量DNA测序仪。同时获批的还有用于遗传病囊性纤维化的诊断试剂盒MiSeqDx Cystic Fibrosis 139-Variant Assay、MiSeqDxCystic Fibrosis Clinical Sequencing Assay和通用性试剂盒MiSeqDxUniversal Kit。

    因此,可以预见在未来的3年至5年之内,不论应用于何种疾病,新一代测序技术都将在个性化医疗领域占据重要阵地。

    随着新一代测序变得更快速、更廉价、也更可靠,它在临床应用也呈现了非常广阔的前景,有望在多种疾病和临床状况的诊断、疗效和毒副作用预测、预后判断、复发监测等重要事件节点中提供线索,为医生实施个体化的精确诊断和治疗提供帮助。

1、肿瘤分子诊断

   目前,采用新一代的测序技术对临床癌症患者进行研究,通过测定患者的个体基因组信息,从而能够在肿瘤分子诊断(cancer molecular diagnostics)上对患者实行个性化的治疗工作。以下为近年来开展的一些国际肿瘤研究项目:


研究项目

项目赞助人

国际临床试验注册NCT

项目开始时间

研究疾病

项目简介

采用的测序技术

血浆乳腺癌特异性DNA检测项目

Dartmouth-Hitchcock医学中心Dartmouth-Hitchcock Medical Center

NCT01617915/6

201210

乳腺癌

分析乳腺癌细胞内的染色体重排和基因组异常情况

全基因组测序

唐氏综合症及急性髓细胞样白血病全外显子组测序研究项目

儿童癌症组织(Children’s Oncology Group)

NCT01507441/10

20122

白血病

对白血病和唐氏综合症患儿的DNA标本进行检测,发现其中的异常情况

全外显子组测序

研究儿童肾上腺皮质肿瘤患者标本里的基因

儿童癌症组织(Children’s  Oncology  Group)

NCT01528956/10/

20122

肾上腺皮质肿瘤

对肾上腺皮质肿瘤患者的基因进行研究

全基因组测序

开展定向测序及全基因组测序临床研究的可行性探讨

多伦多大学的教学医院联盟(University  Health  Network, Toronto)

NCT01345513/150/

20113

实体瘤

发现癌症患者体内的突变基因

全基因组测序

利用全基因组测序技术对晚期癌症患者进行的辅助性中试

美国斯科特斯戴尔医护中心(Scottsdale Healthcare)

NCT01443390/10/

20119

晚期癌症

对使用了尚处于临床试验1期阶段的抗癌药物的肿瘤患者进行调查,了解其疗效

全基因组测序

癌症基因组分析项目

韩国首尔国立大学医院(Seoul National University Hospital

NCT01458604/100/

20118

恶性肿瘤

发现与药物相关的遗传变异,并对其进行分析

定向测序、全外显子组测序以及RNA测序

在急性髓细胞样白血病婴儿患者的组织标本中寻找RNA生物标志物

儿童癌症组织(Children’s Oncology Group

NCT01229124/20/

201010

白血病

分析患者的组织样品,寻找新的RNA生物标志物

RNA测序

对实体瘤进行分子学分析

圣裘德儿童研究医院(St. Jude Children’s  Research Hospital

NCT01050296/360/

20101

儿科实体瘤

分析肿瘤的基因表达谱,寻找遗传突变

全基因组测序

对乳腺癌的转录组(Transcriptome)进行深度测序

美国阿肯色大学(University of Arkansas

NCT01141530/30/

20099

乳腺癌

研究雌激素受体(ER)、孕激素受体(PR)及人表皮生长因子受体2HER-2)三阴性乳腺癌的转录组调控情况

RNA测序

数据来源:DerekShyr and Qi Liu. Next generation sequencing in cancer research and clinicalapplication. Biological Procedures Online 2013, 15:4


随着肿瘤细胞基因组数据的不断积累,我们对肿瘤基因组的认识也会不断加深,通过生物信息学家的帮助,临床医生们可以根据患者的检测结果选定特异性的肿瘤标志物,利用这种标志物,医生能够随时监控患者的病情,而患者每天所需要做的仅仅是进行简单的血液检测。随着肿瘤项目研究的不断深入,将来的临床医生能够利用 基因组数据库中的数据来发现更多的肿瘤标志物,开发更多的靶向治疗药物,实施个性化诊疗工作。

2、遗传性疾病

    对于有家族遗传病史的患者来说,基因检测是诊断和预测疾病的最佳手段。例如,有肿瘤家族史的人可能会错过挽救生命的筛查检测或治疗,一个简单的检测就能让整个家族远离绝症。但基因检测目前并未能够在孟德尔遗传病的致病基因检测、以及复杂疾病的易感基因筛查中得到广泛利用,其中Sanger测序价格昂贵、检查流程和结果分析复杂是最重要的三个制约因素。

    随着新一代测序技术的日益成熟、价格不断下降,使得遗传性疾病基因检测的广泛推广成为可能,对于新生儿孟德尔遗传病致病基因检测和筛查非常有帮助。临床医生一般都会根据表型与基因型的关系,甚至仅采用Sanger测序,就可以对一些简单的单基因遗传病进行检测,以此来明确诊断;但很多孟德尔遗传病都以非常复杂的形式存在:同一种表型可能由多个基因决定,其中甚至还可能存在目前尚未被发现的基因。在这种情况下,仅采用Sanger测序、针对单基因进行检测就显得无能为力了。

    可新一代测序技术解决这种复杂的遗传病问题毫不费力。2011年6月15日,贝勒大学医学院的研究人员及来自圣地亚哥和密歇根大学安娜堡分校的专家通过对一对双胞胎及其家人进行全基因组测序和对比分析,找到了引起这对患有多巴反应性肌张力障碍(Dopa-Responsive Dystonia)疾病的突变基因,使医生能够对病症进行针对性治疗。最近儿童慈善医院(Children's Mercy Hospital)的学者们还通过全基因组的测序技术、成功的在50个小时内筛检了592种罕见的儿童疾病,这种大规模的筛查能力,如果没有新一代的测序技术,是无法想象能在如此短时间内完成的。

3、药物基因组学

    药物基因组学是新一代测序的另一个有待开发、而且充满机遇的领域。通过对基因组信息的充分利用,有助于为每一位患者选择最适的药物及最适的剂量。美国FDA已经要求120多种药物在其标签中标明药物基因组学信息,这些说明信息包括不同药物反应的基因组学背景,有些还给出了药物使用前应进行遗传检测的推荐。

    然而,药物基因组学的最重要的潜在能量还未释放,其主要原因是目前还没有建立相关的遗传学信息与指导处方药使用之间的广泛对应关系。如果最终能够在患者的电子病例中写入基因组信息,同时整合药物基因组学信息分析和解读系统,将会为个体化医疗提供最直接的指导依据。

4、妇幼与生育健康

    传统的产前诊断对孕妇有较高的流产风险,同时对胎儿也有一定的损伤,以二代DNA测序技术为依托的无创产前DNA检测、能够仅通过抽取孕妇的一点点血液就达到检测的目的,其基本的原理也是通过对血液中的胎儿DNA进行测序,然后通过生物信息学的分析方法来检测唐氏综合症、18三倍体和13三倍体等染色体非整倍体畸形的情况。

5、感染性疾病和公共卫生监测领域

    新一代测序技术还可以用于感染性疾病和公共卫生监测等领域。美国NIH曾经采用新一代测序成功跟踪一次爆发疾病:2011年,中欧爆发的致命性的出血性肠道感染,当时NIH就使用ABI的 Ion PGM测序仪快速找到了致病元凶——一种致死性的大肠杆菌(E. coli)。在医疗机构里,也可以使用新一代测序技术来跟踪耐甲氧西林金黄色葡萄球菌MRSA(即所谓的超级细菌)的传播情况,目前英国有科研人员正在使用新一代测序技术为所有的MRSA菌株编辑、整理一个比对数据库。

6、其他潜在应用领域

    包括面向肠道、口腔、呼吸道等微生物群体的宏基因组检测,用于骨髓移植后的嵌合率检测,用于HLA分型以及用于个体DNA指纹鉴定及家族谱系分析等等。

展望

    3月20日发表在《Genetics inMedicine》杂志上的研究成果,展示了利用新一代测序技术发现了一种新的遗传病,科学家通过全外显子测序的方法发现了并确定了这种新的遗传病,命名为NGLY1缺陷(NGLY1 deficiency),这代表了临床医学开展方式的彻底改变。

    最近Science撰文阐述外显子组目前对于“解码生命”重要意义,位于荷兰内梅亨的拉德伯德大学医学中心转化基因组学教授Joris Veltman 在研究和临床测序应用中采用了美国生命技术公司的 SOLiD 测序仪。他估算,他的实验室每年能够测出几千个外显子组,但只能测出50个左右的全基因组。“通量是我们选择外显子组的主要原因。”还有一个是可解释性。全基因组测序无疑会产生更多数据,包括外显子组不具备的非编码碱基、结构和单倍型相位信息。但人们不仅尚未弄清大多数核苷酸的作用,核苷酸改变后对功能产生的影响也是一个谜。然而,在蛋白编码基因中错义突变的涵义则更容易解读。“现在,外显子组是我们在基因组解读中所掌控的那部分。”