拉斯克临床医学奖获得者卢煜明：外周血游离DNA的发现历程和应用前景

2022年9月28日，被誉为诺贝尔奖风向标的拉斯克奖(The Lasker Awards)公布，其中“2022年拉斯克临床医学奖”授予香港中文大学李嘉诚健康科学研究所所长及化学病理学系系主任卢煜明教授，以表彰其在母体外周血中发现胎儿游离DNA并实现无创产前检测（NIPT）。同天，卢煜明在JAMA Health Forum期刊发表综述，回顾了外周血游离DNA的发现历程及应用前景。

壹· 需求

        传统的获取胎儿组织进行产前检测的方法（如羊膜穿刺术）具有侵入性，尽管对胎儿的影响很小但是不能忽视其中的风险。

        自20世纪60年代以来，研究者不断尝试使用母体外周血的胎儿游离细胞进行无创产前检测。但是由于检测到的胎儿细胞很稀少，不容易取得，从而阻碍了早期该方法在临床上的应用和发展。

贰· 启发

        1996年9月，Nature Medicine杂志刊登文章提到癌症患者的血浆中能检测到游离的肿瘤细胞DNA。由于肿瘤与子宫内植入和生长的胎盘之间有相似之处，这点启发了卢煜明教授。

他将仅存在于男性胎儿中的Y染色体用作母体血浆和血清中胎儿DNA的遗传标记信号。卢煜明研究小组开始在孕妇的血浆和血清中展开试验，并成功发现和检测到了游离胎儿细胞DNA，该成果于1997年8月发表在知名期刊《柳叶刀》（The Lancet）上。

叁· 取样定量

        卢煜明教授进而对胎儿游离DNA进行定量，他们发现在妊娠11至17周采集的样本中，血浆中的胎儿DNA浓度高于血清中，更适合作为后续NIPT采样类型。母体血浆中胎儿DNA的浓度平均值为3.4%，在妊娠晚期采集的样本中为6.2%。

这些浓度比母体血液中胎儿细胞的浓度高几个数量级，（从数量和当时技术的灵敏度上）这足以对胎儿做基因检测。

        为了进一步研究分娩后依旧长期存在于母体外周血的胎儿细胞是否与胎儿游离DNA有关，卢煜明对剖腹产后的母体血液开展了一系列分析，发现在分娩后的2小时后，便无法在母体血液中检测到胎儿的游离细胞DNA，其半衰期为16分钟。这意味着，不应担心游离的胎儿细胞DNA对随后妊娠中NIPT的准确性产生的不利影响。

        胎儿染色体非整倍体检测（译者注：对应唐氏综合征、唐氏综合征、爱德华氏综合征、帕陶氏综合症等染色体异常疾病）是孕妇寻求产前检测的最常见原因。然而，由于颈项透明层和母体血清生化检查等技术的阳性预测值相对较低，大多数筛查结果为阳性的妇女在进行羊膜穿刺术时都有整倍体胎儿。因此，如果可以使用游离胎儿细胞DNA来开发一种具有更高阳性预测值的检测，对产前检测的发展非常有意义。

肆· 检测技术

        于是，卢煜明研究小组开始了不同方法的尝试。由于母体血浆含有来源于母体和胎儿的核酸混合物，（译者注：在全基因组测序还不成熟的时候）他们最初试图利用胎儿表观遗传的变化进行相关方法学的开发，如DNA甲基化和胎盘mRNA表达。

然而，这些方法有明显的技术缺陷，例如许多甲基化检测方法的破坏性和mRNA的不稳定性，因此并不实用。（译者注：甲基化虽然当时对于无创产前基因筛查意义不大，但后来启发并逐步深入用于其他液体活检，例如癌症早筛。）

        另一种思路是分析母体血浆中的DNA，但不进行胎儿成分和母体成分的区分。该方法的关键需要开发一个高精度的定量平台，能够检测胎儿不同染色体的基因组序列比率的微小变化。他们发现，数字聚合酶链反应（dPCR）能够实现精确测量。由于dPCR仅计算PCR引物靶向的血浆DNA分子的一小部分，血浆DNA中携带的大部分有价值信息可能会被忽略。

        通过大规模平行测序（NGS）对数百万血浆DNA分子进行随机测序，可以最大限度地利用母体血浆中存储的信息。随后，卢煜明研究小组基于NGS进行了NIPT第一次大规模临床试验，21-三体的产前检测敏感性和特异性分别达到了100%和97.9%。此后，多项临床研究证实了NIPT检测胎儿21-三体的高灵敏度和特异性。

伍· 临床应用

        NIPT技术于2011年下半年推出，随后得到多个专业机构的认可，目前已在数十个国家使用。NIPT不仅应用于21-三体的检测，N已扩展到其他染色体非整倍体的检测，包括18-三体、13-三体和性染色体非整倍体，甚至亚染色体区域的（sub-chromosomal）畸变。

        为了探索NIPT的应用极限，卢煜明研究小组于2010年开发了一种利用母亲血液对胎儿基因组测序的方法，将NIPT扩展到多种单基因疾病（如β地中海贫血、先天性肾上腺增生）检测。

        除应了应用临床诊断外，卢教授的这项工作还报告了胎儿游离DNA和母亲游离DNA大小分布的详细信息。2004年的一项研究表明，胎儿游离DNA的大小分布比母体游离DNA更短。2010年他的团队还报告了核小体结构与游离细胞DNA片段之间的关系，为后续开发细胞游离DNA片段的组学技术奠定了基础。

陆· 未来前景

        NIPT目前在全球的临床应用，加速了对血浆游离DNA在其他诊断方向上的应用研究，例如现在被熟知的液体活检，尤其值得一提的是，在循环肿瘤基因组中的应用。例如使用分散在基因组中的DNA甲基化标记物进行癌症筛查和定位。

        液体活检影响的另外一个领域是器官移植检测。卢煜明在1998年发现，在接受移植的患者血浆中可以检测到供体来源的DNA，因此体液中供体来源DNA的测量可以用于监测移植后的排斥反应。

        总之，生物体体液中的游离DNA是分子诊断的宝库，为人类健康探索打开了一扇窗户，开启无创基因检测的广阔视野。

（注：最终以英文原文为主，此翻译仅供研究学习交流。）

英文原文：Lo YMD. Discovery of Cell-Free Fetal DNA in Maternal Blood and Development of Noninvasive Prenatal Testing: 2022 Lasker-DeBakey Clinical Medical Research Award. JAMA. Published online September 28, 2022. doi:10.1001/jama.2022.14982

作者丨卢煜明  翻译丨远方

编辑 | 屈烨  首发丨基因慧

关键词 | NIPT 卢煜明