2013突破性科学技术之“产前基因测序”

2013-5-06 10:55 来源: tech2ipo
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  产前基因测序(Prenatal DNA Sequencing),是《MIT科技评论》评选的2013年十大突破科技之一。

  胎儿产前DNA测序将是基因革命的下一个研发重点。你是不是也想知道肚子里的孩子长大后的命运?

  2013年初,因生产全世界最广泛使用的基因排序机器而闻名的技术公司Illumina耗资5亿美元收购了一家几乎没有任何收入的创业公司Verinata。为什么Illumina愿意做这样的投资?因为Verinata手中握有的技术可以打破上帝的旨意:在人类婴儿出生之前对基因测序。

  目前美国一共有4家公司可以完成胎儿产前基因测序工作,而这4家公司推出这项服务的时间均不超过一年半,即从2011年底开始提供胎儿产前基因测序服务。胎儿产前基因测序服务可以从怀孕的母亲的血液中检测腹中的胎儿是否带有可以引发唐氏综合症(可导致认知和行为障碍)的缺陷基因。而在以前,检测胎儿是否将罹患唐氏综合症需要从胎盘或者羊水中提取细胞进行基因测序,过程中可能会导致流产。

  这种非侵入式的检测方式比传统基因测序方式更简单、更安全而且更快捷。Illumina收购了Verinata之后,希望可以将这种非侵入式胎儿产前基因测序向美国推广,此举或将使超过25万名孕妇免于遭受侵入式检查之苦。Verinata首席临床顾问、塔夫斯大学母婴研究中心主任Diana Bianchi说:“从用于实验室研究到普及推广,如此快的时间,实在是让人不可思议。非侵入式胎儿产前基因测序在其问世的第一年就产生巨大的影响力。”

  但,这也许只是胎儿产前基因测序的开始。

  Verinata等公司已经找到了如何在母亲的血液中发现有关胎儿缺陷的更多信息,其中包括找到完整的基因序列。这将是极具突破性的技术创新,而且也将是最有“钱景”的技术创新。在未来的某一天,胎儿产前检查将由抽取母亲的血液代替。

  北美著名的贝勒医学院的儿科医生、人类基因研究项目主人Arthur Beaudet说:“我认为,我们可以在3个月的时间内完成普通人的全部基因测序工作,或者至少是部分基因测序工作。”有了这种测序服务,以后人们不用等到疾病发生就可以知道自己将会患有何种疾病。“人类出生之前,就可以知道自己的命运。”

  不过这项服务可能还需要一阵子才能普及,因为检测胎儿的一种基因都需要多次抽取孕妇的血液,成本昂贵。(对成人的基因测序工作,Illumina收费9500美元,而检测胎儿的基因序列,价格更高)。而且目前的胎儿产前基因测序工作还存在技术问题:胎儿的基因测序结果并不精确,不能用作临床诊断结果。而且,从人伦角度来看,胎儿产前基因测序正在迈向一片雷区:如果我们在胎儿出生之前就知道了它的命运,我们会做出何种选择?对于一个有生理障碍的胎儿,我们选择抚养还是流产?

  华盛顿大学的基因科学家Jay Shendure说:“在付诸实践之前,我们首先要弄清楚我们要不要这么做。人类要是拿到了胎儿的完整基因,会做出何种行为。在实现之前,我们有很多障碍要消除。”Verinata的竞争对手Ariosa目前所做的基因测序血液样本均来自医院存样,并没有开始在人体上实验。但是Shendure说,华盛顿大学正与斯坦福大学合作开展人体实验。换句话说,今年将有一名特殊的婴儿出生,在它出生之前,人类已经知道了它的完整基因代码。

  完整基因组

  1977年,香港科学家卢煜明宣称孕妇的血液中含有数万亿个腹中胎儿的基因片段。这些基因片段主要再来胎盘中破裂的细胞或死亡的细胞。根据卢煜明的预测,孕妇血液中自由流动的DNA片段中的15%是胎儿的。所以,高速DNA测序可以将这些数以万亿计的基因片段变成丰富的信息。

  对孕妇血液进行基因测序可以得到完整的胎儿基因代码。

  为了检测唐氏综合症,实验人员需要对允许进行羊膜穿刺术获取一定数量的婴儿细胞,然后在显微镜下进行计数、分析。如果在细胞中发现了21号缺陷染色体,那么说明这名胎儿已经患上了唐氏综合症;在美国,有65%的女性得知结果之后选择流产。

  根据卢煜明的研究成果,现在只需要孕妇几毫升的血液就可以检测到缺陷染色体。实验人员随机对百万个DNA片段进行排序,每个片段只有50-500个基因字符长度,然后利用计算机程序让这些重排片段组合成人类基因组。接下来的工作很简单,只需要对比21号染色体,如果在这些基因片段中发现了与可能导致唐氏综合症的21号缺陷染色体一致,那么孕妇腹中胎儿可能已经患上了唐氏综合症。这种方法非常高效,因为不必担心孕妇的基因会对胎儿基因进行干扰,提高了胎儿基因的识别度。通过相似的方法还可以对18号和13号染色体进行对比检测,检测更多潜在疾病。

  去年7月,Verinata的科学创始人、斯坦福大学生物物理学家Stephen Quake向外界展示了如何检测胎儿完整的基因组信息。Shendure也完成了相似的工作。

  从血液中分散的基因片段检测并重构60亿基因组信息并不是一件易事。首先需要对孕妇的基因进行测序,而且成本非常高,Ariosa的报价为5万美元,Verinata报价相同但是速度更快。目前通过这种服务可以检测胎儿是否会患有囊胞性纤维症或地中海贫血等多种遗传性疾病。人类目前已知有3000多种遗传性疾病,均可通过这种方法检测。

  还有200多种缺陷疾病,比如说由基因重复或缺失导致的孤独症都可以通过胎儿产前基因测序得知。

  Stephen Quake认为依靠当前的技术,这些都是可以实现的。但是又将面临同样的道德问题,知道了这些信息后人们会对胎儿做什么?Stephen Quake目前正在改善技术以帮助医生检测大多数重要基因,但是获取胎儿产前基因测序全部信息真的有必要吗?

  为什么要担心?

  Illumina公司总裁Jay Flatley目前已经60岁,他一手完成了Verinata的收购。Illumina目前每年年收入11.5亿美元,去年他劝服股东拒绝了罗氏制药67亿美元的收购邀约,他向股东保证基因测序将成为未来人们生活的一部分,可以提高Illumina的利润。

  Flatley早在多年前就已经预测了基因测序将在临床上成为现实,未来所有的婴儿在出生之前就已经知道了自己的身体状况。“阻挡这项工作的不是技术问题,而是绝大多数人得知这种服务之后都是拒绝的。否则,胎儿产前基因测序可以在2年之内实现。”

  成人可以知道胎儿的基因序列,而胎儿却对自己的命运一无所知。

  问题是,通过这种途径获取的完整基因信息中绝大多数是医生和父母无法理解,也无法使用的。“完整基因测序将打开潘多拉的墨盒,”斯坦福大学研究生物伦理学的法学教授Henry Greely说:“知道了完整的基因序列,人们可以知道孩子长什么样子,未来能长多高。但是又有多少父母会因为胎儿有缺陷而选择流产呢?”目前可以在怀孕早期(6-8周)完成胎儿产前基因测序工作。

  伦理学家Morris Foster担心人们知道了胎儿的基因之后会做出不同的抉择。

  流产基因有缺陷的胎儿已经引发了争议。Verinata公司今年将提供克氏综合症(先天性睾丸发育不全)的基因测序,而此前的羊膜穿刺术也可以发现克氏综合症,得知缺陷基因的孕妇有一半会选择流产。如果Verinata的非侵入式胎儿产前基因测序得到推广,那么会有更多妇女做出流产的选择。

  卢煜明认为,胎儿产前基因测序虽然有效,但是服务提供商应该将检测范围限制在20个或最常见的疾病内,“我认为我们应该在道德允许的范围内使用这项技术,分析结果不应该对生命构成威胁。如果检测出胎儿会患糖尿病,他在40岁之前可能并不会影响身体健康。而且未来40年,或许会出现糖尿病的特效药,妇女不应该因为缺陷而选择流产。”

  奥克拉荷马大学得人类学教授Morris Foster目前担任Illumina公司伦理道德顾问,他跟公司总裁Flatley讨论过对未出生胎儿的基因测序工作:“Illumina应该遵照医师的要求进行基因测序服务。”

  医药公司依旧在为处理成人基因信息而烦恼,现在又来了胎儿产前基因测序。Foster认为胎儿产前基因测序会让医生更难做出临床决定,因为成人可以知道胎儿的基因序列,而胎儿却对自己的命运一无所知。与其说让人们对于这种测序感到忧虑,不如在一开始就对其用途做限制。

  而且Foster还担心人们会过分看重基因的作用:“我最担心的就是人们对基因发现的过分解读。医生可以根据基因来说病人将患糖尿病,也可以说病人不会得糖尿病,但是不知道会不会得。如果家长对胎儿进行了产前基因测序,检测到可能会得糖尿病,并对孩子进行针对性的防治,结果数年后发现是错误的。”

  到目前为止,Illumina只还只是针对成人和患病儿童进行基因测序,Verinata也只针对有医生许可的胎儿产前基因测序。即便如此,社会还是应该做些反应,比如说制定新的法律。胎儿产前基因测序现在面临的社会学问题,若要普及,先要回答“何时何地使用此技术”。