周代星：无创DNA产前检测的开创者

2011年12月22日 08:48
来源：家庭医生在线

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编者按：我国为出生缺陷的高发国，在每年约2000万的新生儿中，先天性致愚致残缺陷儿占每年出生人口总数的4%-6%，总数高达120万，占全世界每年500多万出生缺陷儿童的五分之一。我国政府每年支付82亿元左右的经费用于唐氏综合征患儿的医疗和社会救济，代价昂贵。但随着基因技术以及高通量测序技术的飞速发展，中国首个无创DNA产前检测临床试验于日前顺利完成。就此，丁香园特采访了参与该项技术研发的北京贝瑞和康生物公司创始人周代星博士，很感谢周博士能百忙中接受采访，分享这项技术的研发过程和点点滴滴。

前不久，中国首个无创DNA产前检测临床试验由北京贝瑞和康和湖南湘雅医院产前诊断中心合作顺利完成，这是一个很振奋人心的消息。周总，您作为主要研发机构，能为谈谈该技术对临床检测的意义吗？

这个技术的临床应用具有划时代的意义，是人类历史上首次可以用简易而又精确的方法准确检测胎儿的遗传性疾病。拿唐氏综合征来做个例子，唐氏综合征早在1838年就被法国的一位医生发现；1866年以英国的医生唐约翰命名；1959法国的另一位医生杰拉米发现了致病机理：21号染色体三体。但是，传统的检测方法要么与发病原因没有直接联系因而不准确，要么临床操作难度大且风险高。无创DNA产前检测是对胎儿染色体拷贝数进行直接检测，直接与致病原因相关，且操作起来简便易行，是人们梦寐以求的方法。从生物学的角度来说，这是人类基因组计划在2001年完成之后第一个具有非常大社会意义的实际应用。它的潜在社会影响力将会大大超过我们目前的想象。

了解了无创DNA产前检测技术的研发历史，发现这项技术也是历时5年才成功完成，请问周总，是什么动力坚定您研发这项技术的决心？在试验过程中是否遇到哪些困难，如何解决？

经你这么提醒，这技术我们还真研发5年了，好像是转瞬之间。坦白的讲，5年前我的工作与无创DNA检测没有多大的关系。我太太怀了孕去医院检查，说是高龄产妇自动变成了高危人群，只能做超声看透明带的厚度来断定是否怀唐氏胎儿。几番折腾后，医生拿着我看不懂的图片跟我说应该没什么事。我问她有几成把握，她说她也说不清，但那已经是当时的技术所能做到的最好结果。你可以想象从那刻起到小孩出生后，我和我太太有过多少次不眠之夜。就在我和那大夫谈完话后，我回家自己查阅了些资料，觉得传统方法，除了风险比较高的羊水穿刺外，都有些不靠谱。唐氏综合征是由21号染色体三体而引起的，而这些方法（羊水穿刺除外）都不看21号染色体的拷贝数。从那时刻起，我决定研发直接检测染色体拷贝数的技术。看了香港中文大学Dennis Lo关于母体血浆中存在胚胎DNA的文章后，我决定研发无创DNA产前检测技术，并在从旧金山飞往中国的飞机上提出了最早期比较粗糙的数学模型。那是在2007年5月份。

把一个理论付诸实践常常不容易。况且当时我已不在研发部门（我当时是美国Illumina公司亚太日本区测序市场的负责人）。没有人，没有实验室，没有样本，没有经费。我飞到深圳找了行业内某知名企业开过讨论会，几经努力但最终没能说服他们往这方面发展。到了2007年9月份，我直接去香港找到Dennis Lo。经过几番交流，终于在2008年1月说服他送一些样本到我在美国弗杰尼亚邦联大学（VCU）的朋友高远处做双盲实验。高远经过三个月的努力，终于在4月份得到了结果。我们开了一次电话会议。Dennis Lo在电话里激动异常，高远的结果百分百准确！

无创DNA产前检测离不开新一代测序技术，周总，您作为新一代测序技术领域的早期研发的重要人员之一，见证了这一领域的发生和发展，能跟我们分享一下该领域发展生的历史背景和发展过程吗？您在这个过程中做了哪些工作？

的确，目前看来，没有新一代测序技术，就没有无创DNA产前检测技术。新一代测序领域是我的老本行。众所周知，人类基因组项目（Human Genome Project)在2001年结束，历时13年，耗费30亿美元。人类基因组项目让许多研究人员觉得必须研发出高通量低成本的新一代测序技术。恰好我博士后导师的导师，也就是我的祖师爷，哈佛大学的丹尼尔博士（Daniel Branton）从1996年到2002年发表了一系列关于纳米孔（Nanopore）测序的文章。这些引导我进入新一代测序的领域，并于2002年加盟美国林克斯公司（Lynx Therapeutics）。2003年，和团队一起设计了目前拥有70%市场占有率的第二代测序技术。林克斯公司与英国的索列沙公司（Solexa）在2004年底合并。合并的公司于2006年底被美国的亿明达公司（Illumina）收购。从2002到2006年底第一台高通量测序仪器上市前，测序的通量增高了近万倍，成本降了近100倍。测序技术的革新速度超过了以著名的摩尔定律来衡量的计算机领域！这个速度一直保持到今天。将来是否还会以这个速度发展，我们拭目以待。有了技术上的基础，我们从2006年起研发它的应用。这几年来，新一代测序技术给生物领域带来了我们当时没法想象的革命性变化。它的应用之广让我都觉得惊奇。

为什么贝瑞和康致力于临床重大遗传疾病产前检测领域？

除了以上提到的个人原因外，公司的核心团队以前大多从事遗传疾病研究，了解这方面的社会需求和目前检测的困境。举个例子，产前诊断的最好办法，也就是业内说的金标准，是羊水穿刺加细胞核型分析。Seeing is believing，这是看得见，摸得着的方法。但是因为要穿刺取样，孕妇的心理压力会很大，也有一定的流产风险。国际上建议35岁以上的孕妇以及唐筛高危的孕妇都作一下羊水穿刺。按这个标准，我们估算国内一年需要穿刺的人数是一百七、八十万左右，而全国一年实际能做的穿刺量估计仅有十万份，这就产生了供不应求的局面。再加上这几年各省的唐筛量在迅速增加，这使供不应求的局面越来越严重。贝瑞和康的团队聚集一批有志于改变这种局面之士，有的人在这方面已经做了近十年的努力。

无创DNA产前检测技术，是贝瑞和康与湖南湘雅医院、美国约翰霍普金斯大学、香港中文大学等顶尖单位合作完成，周博士是如何想到这种合作研发模式的？

这项技术的研发幸亏有了这几个顶尖的合作单位。前面提到我当时找香港中文大学Dennis Lo教授和VCU高远博士合作的经历。Dennis是母体血浆中存在胚胎DNA的发现者，是无创DNA检测的开山鼻祖。高远是我多年的朋友，曾当过IBM的程序员，师出测序行业的泰斗George Church之门，什么技术难题都会在他手上迎刃而解。他后来搬到美国约翰霍普金斯大学任教。湖南湘雅医院的夏家辉院士是中国医学遗传学的奠基人。夏院士一生的志愿就是寻求一种简便易行又能准确地科学地诊断出胚胎遗传疾病的方法。夏院士和中南大学的邬伶仟教授一直在关注着无创DNA产前检测技术。我和邬教授于2008年5月在广州见了一面，当时就一拍即合，确认无创DNA产前检测作为我们共同的研究方向，并开始在国内收集临床试验样本。

与传统胎儿染色体非整倍体疾病产前诊断技术相比，基于高通量测序的无创DNA产前检测技术有什么不同，优势体现在哪里？技术原理是什么？

我想也该比较一下无创DNA产前检测技术与传统筛查技术的差异。以上我们略微提到了传统胎儿染色体非整倍体疾病产前诊断技术，即羊水穿刺加细胞核型诊断技术的优缺点：金标准，但要穿刺，有一定风险，而且对于临床来说不易扩大规模。至于筛查，国内以血清筛查为主，所筛查的血清蛋白和产物与21或18号染色体并没有直接关系， 所以灵敏度和特异性都很不理想，举例来说，一般筛出来100个高危孕妇才会有一个人会怀有唐氏小孩，更可怕的是筛查在实际操作时还会存在一定的漏诊率，目前漏诊率在30%上下波动吧。无创DNA产前检测技术只需要抽取母亲几毫升血，直接检测血浆流离DNA中胚胎染色体的拷贝数，与羊穿相比几乎没有风险，与血清筛查相比灵敏度和准确率都高得多。用我们自主研发的技术易于规模化，在检测量上弥补了羊穿的不足。

无创DNA染色体非整倍体疾病产前诊断技术看似很神奇，能从母体血浆检测出胚胎的疾病，其实原理不难解释。原理基于前面提到的Dennis Lo的发现：母体血浆中存在胚胎DNA。当胎儿染色体是非整倍体时，该染色体的总剂量会发生微量变化。新一代测序技术的灵敏度非常高，我们自主研发的实验流程可以将每批的试验误差稳定控制在0.5%以下，足以检测出这些微量的变化，因而能检测出胎儿染色体是否是异倍体。

目前三倍体综合症，已经不仅仅局限于唐氏综合征（21号染色体疾病），无创DNA产前检测技术对于爱德华氏综合征（18号染色体疾病）和帕陶氏综合征（13号染色体疾病）的检出率以及准确率如何？

检测18号染色体三体和13号染色体三体确实不像21号染色体那么直截了当，需要在技术上做相当大的改进。我们用了几年时间来思考这个问题，终于在去年底找到了一些规律，并在和湘雅合作的临床试验中得到验证，达到这次临床试验中的100%的检出率和近100%的准确率。我今年3月份在香港和Dennis Lo在他的办公室里讨论这个问题，知道他和他的团队也在积极寻找解决方案。他们最近公布的试验数据表明他们的方法对18号染色体三体的检出率也达到了很高水准，92%，对13号染色体的检出率跟我们一样，可以达到100%。他们方法的准确率对这两条染色体均可以达到98%。所以我们相信技术上对这两条染色体的检出率和准确率均能达到与21号染色体三体一样的水平。

可以说，无创DNA产前检测技术研发在临床应用领域是具有创造性的突破，那么，接下来贝瑞和康在新产品开发上，有何新的计划吗？对未来发展有何展望？

我们的长远目标是能把绝大部分的遗传疾病，尤其那些严重致愚致残致死的遗传疾病，在中孕期乃至早孕期通过母体血浆DNA检测出来，所以在近期的产品开发上还会集中在遗传疾病的产前检测。比如说，我们正在研发地中海贫血病的无创产前检测。地中海贫血病在我国南方的发病率比较高。广西有20%左右的人群是携带者。地中海贫血病给家庭和社会带来的负担可想而知。能够对地中海贫血病进行无创DNA产前检测具有很大的社会价值。展望未来，我们希望能将许多其他遗传疾病加到我们的检测单上。为此，我们坚持与国内外的顶尖机构进行合作。比如我们前一阶段完成的与联想投资的合作和与美国的Illumina公司达成长期合作协议都将会极大的推动我们其他重大遗传疾病检测项目的研发进程。