NIPT之父盧煜明教授:未來科學大獎背后的漫漫科研路

2017年1月15日,未來論壇2017年會暨首屆未來科學大獎頒獎典禮在北京舉行。香港中文大學醫學院副院長、李嘉誠健康科學研究所所長及化學病理學系系主任盧煜明教授,因開創的無創DNA產前檢測(NIPT)技術在人類重大出生缺陷防控領域的杰出貢獻,獲頒“2016年未來科學大獎-生命科學獎”并發表主題演講,介紹了他在NIPT領域的多年歷程及目前正在進行的研究。

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NIPT作為一種安全、準確、快速檢測胎兒重大遺傳疾病的新型產前檢測技術,可避免傳統產前檢測技術存在的弊端,目前已應用于全球90多個國家,使數百萬孕婦受惠(僅在中國,每年就有一百多萬孕婦接受NIPT),大大減少了出生缺陷的發生。正如謝曉亮教授主持“未來科學大獎”頒獎典禮時所說,“我們并不是經常能看到這樣最重大的科學發現最終能產生這么大的社會影響,在任何其它地方這都是不常見的”。的確,這一革命性技術的背后,是讓人贊嘆的永不言棄的研究過程中的不斷思考與嘗試。

從醫者仁心到“八年抗戰”科研路

NIPT的緣起,追溯到盧煜明教授尚在牛津大學讀醫科時對聚合酶鏈式反應(Polymerase Chain Reaction,PCR)技術的興趣以及在婦產科實習過程中的察覺。孕婦如果想知道胎兒是否患有染色體疾病,最準確的方法就是做羊水穿刺,但該技術可能有0.5%的機會對胎兒造成傷害。“有沒有可能用一些安全的方法,比如采用孕婦的血液檢測胎兒是否正常?能否將PCR技術應用到產前檢測?”這是盧煜明教授當時萌生的一個想法。“PCR的目標是胎兒DNA,胎兒DNA存在于胎兒細胞,問題是,孕婦血液中是否存在胎兒細胞?如何才能知道孕婦血液中的細胞是胎兒的,而不是母體自身的呢?”這些問題都是想法背后需要探索的。

靈感總是來自善于思考的人。有一次同學一起吃飯的時候,大家談論將來要不要孩子,男孩還是女孩,一下子觸動了盧教授,“如果胎兒是男性的話,可以在孕婦的血液中找到男性的細胞”。經過幾個月的研究,發現孕婦血液中確實存在男性胎兒的細胞,而且研究結果很快發表,但是胎兒細胞的信號非常弱且不穩定,檢測存在很多假陽性、假陰性。

為了解決這一問題,盧煜明教授在畢業后一年的實習期結束后,放棄了成為一名專職醫生的機會,決定重返牛津讀博士的同時繼續NIPT的研究。盧教授沒想到的是,實驗過程并不是想像的那么簡單,孕婦血液中的胎兒細胞數量非常少,做來做去,也沒有找到一個很準確的方法。

拿到博士學位后,盧煜明教授進入醫院做醫生,必須要做一些臨床的工作,很幸運的是在那個時候,英國的科研資助機構Wellcome Trust有一個新的Career Development,允許他一邊做醫生,一邊做研究,但遺憾的是,直至1997年回香港前,也一直沒有得到很好的結果。

從1989年在孕婦血漿中發現胎兒細胞到1997年,這一做就是八年,永不言棄是盧煜明教授的真實寫照。

從煮公仔面到胎兒游離DNA的發現

1997年香港回歸,盧煜明教授夫婦遂從英國回到香港,這次繼續NIPT的研究,盧教授決定要找不同的方向。

命運巧合。1996年9月《Nature Medicine》發表的兩篇文章報道了在癌癥患者的血漿中檢測到了腫瘤的DNA。這讓盧煜明教授產生了一個大膽的想法,“胎兒在母體內生長,與腫瘤在癌癥患者體內生長,是有相似性的,既然癌癥患者的血漿中存在腫瘤的DNA,那么在孕婦的血漿中也應該存在胎兒的DNA”。如何將微量的胎兒DNA從母體血漿中提取出來,是盧教授接下來研究的重點。

當時盧煜明教授并沒什么資金,只能用一些很便宜的方法。他在煮公仔面的時候,突然奇思妙想,“如果把孕婦血漿拿來煮會有什么變化”。后來他真的做了試驗,結果在母體血漿中檢測到了胎兒DNA。這一發現,讓研究了八年胎兒細胞的他激動萬分,“怎么都沒想到,做了八年都沒有結果,是因為一直在錯誤的地方尋找想要的東西”。

在母體血漿中檢測到胎兒DNA只是研究的第一步,善于思考的盧煜明教授繼續通過當時先進的實時定量熒光PCR(Rreal-time PCR)技術(據盧教授回憶,real-time PCR平臺是他請示他在香港中文大學的第一個老板資助的)繼續研究了孕婦血漿中胎兒游離DNA的含量、片段大小、半衰期等特點,并成功利用胎兒游離DNA解決了一些簡單的臨床問題,比如檢測胎兒的性別(因為有些遺傳病是跟性別有關的)、胎兒的血型等。

這一年,柳暗花明,煮公仔面煮出了名堂,篇名為“Presence of fetal DNA in maternal plasma and serum(母體血漿和血清中存在胎兒DNA)”的文章很快發表在《柳葉刀》上,成為NIPT歷史上里程碑意義的重大發現。

從PCR技術的NIPT到高通量測序(NGS)技術的NIPT

如何利用孕婦血漿中的胎兒游離DNA檢測唐氏綜合征等染色體疾病,是盧煜明教授接下來一直思考及研究的重點。像胎兒性別、胎兒血型的檢測,屬于DNA的定性檢測,也就是判斷有或無,相對簡單;而唐氏綜合征的檢測卻是DNA的定量檢測,也就是判斷多或少,這是有一定難度的,因為孕婦血漿中大部分DNA是母體自身的。

那么,是否存在胎兒DNA獨有的一些表觀遺傳學或RNA水平的生物學標記呢?經過研究,是存在一些這樣的生物學標記,但是研究結果顯示,通過檢測這些生物學標記判斷染色體疾病是不夠準確的。那又是否存在一種不需要RNA等標記就可以檢測唐氏綜合征等的方法呢?盧教授提到,當時研究首先嘗試數字PCR技術檢測孕婦血漿中的總DNA并通過一定算法判斷胎兒是否患有唐氏綜合征,研究成果于2007年發表,但是數字PCR技術的準確性也不是很好,最好的方法應該是采用NGS技術

幸運的是,無獨有偶,時任亞太區測序部門總監的周代星博士也在思考,如何將NGS這樣先進的技術應用于染色體疾病的檢測。而他的動力,源自于陪太太產檢后強烈的家庭責任感。據周代星博士回憶,“當時醫生說我太太因為年齡原因屬于唐氏篩查的高危人群,需要通過超聲觀察透明帶厚度的方式來斷定是否懷唐氏胎兒。經過咨詢和反復研究,發現除了有創的羊水穿刺外,其他方法都有點不靠譜,原因在于這些方法都不看21號染色體的拷貝數。”從那時起,周博士毅然決定研發直接通過NGS技術檢測染色體疾病。

2007年的5月,盧煜明教授與周代星博士一拍即合,開始了他們的第一次合作,2008年,盧教授與周博士合作完成了NIPT實驗室的初步驗證,在PNAS上發表了《Noninvasive prenatal diagnosis of fetal chromosomal aneuploidy by massively parallel genomic sequencing of DNA in maternal plasma 》,文章采用NGS技術對14例21-三體及14例正常樣本測序,結果100%吻合。在全球范圍內,這是NIPT在臨床上的可行性與可信性首次在實驗室的完美驗證,百分之百的準確性開啟了“NIPT時代”,盧煜明教授也因此被業內人士贊譽為“NIPT之父”。

基于NGS技術的NIPT,開啟了產前檢測的新時代,也開啟了盧煜明教授與周代星博士的長期合作。2010年,周代星博士在中國大陸成立了貝瑞和康,將盧教授的這一偉大發現轉化為簡單易行的醫學檢測項目推向廣大中國孕婦,也因此有了“中國無創檢測第一人”的美譽。2014年,貝瑞和康又與盧煜明教授合作,在香港創辦了“雅士能基因科技有限公司(Xcelom)”,為香港地區的孕婦提供NIPT服務,隨后Xcelom獲得香港中文大學NIPT專利權,最終實現了盧煜明教授最初踏上NIPT科研路的醫者仁心。

從《哈利·波特》到胎兒全基因組圖譜

基于胎兒游離DNA的NIPT檢測已成功應用于臨床檢測,“接下來還有什么可以做?能否將整個胎兒的基因圖譜做出來?”善于鉆研,永不止步,就是對盧煜明教授的最好詮釋。

人類基因圖譜有60億個密碼,盧煜明教授剛開始并不知道怎么做。2009年夏的一天,盧教授為了散心,與太太一同走進影院觀看最新上映的3D大片《哈利·波特與混血王子》。當片頭中“Harry”的“H”從屏幕緩緩飄出時,像閃電似的一下子擊中了盧教授。“H”,形似DNA雙螺旋結構,讓他想起一個眾所周知卻一直被忽視的點:孩子的遺傳物質來自雙方父母,因此可以用父母的基因組數據作為藍本,將胎兒的DNA碎片連接起來。這一剎那的頓悟宛如夏夜驚雷,為胎兒全基因組圖譜的繪制打開了一條全新的途徑。

很快,2010年底,盧教授帶領的團隊與合作多年的美國科學家Charles Cantor一起,首次在孕婦外周血漿中獲得了胎兒的全基因組圖譜。

從唐氏綜合征等到更多疾病的產前檢測

盧煜明教授介紹,他帶領的研究團隊,40%的時間做NIPT研究,40%做癌癥基因診斷研究,20%做其他疾病的研究。

在NIPT領域,除了檢測唐氏綜合征等染色體非整倍體疾病外,目前已實現了染色體微缺失微重復的檢測。2015年,在傳統NIPT基礎上,Xcelom公司在貝瑞和康提供的技術支持下在香港推出NIPT-Plus,即升級版NIPT,一次報告14種重大染色體疾病,胎兒游離DNA劃時代的科學發現在臨床應用上又得到進一步延展。

除此之外,盧煜明教授還做了無創產前單基因病檢測的深入研究。目前已開發無需已知單基因病家族史即可進行無創產前單基因病的檢測。該方法應用10X Genomics的Linked Read技術對父母雙方基因組單倍型分型并對單基因病突變位點附近有效SNP進行區分,之后通過對母親外周血DNA進行測序并應用Relative Haplotype Dosage (RHDO) 分析法推斷胎兒是否存在相關遺傳突變。為確保該技術在臨床上的有效性,下一步該技術將進入臨床試驗階段。

對單基因病的無創產前檢測,可以說是NIPT應用的一大突破。在此之前,每種單基因病的檢測對應一種實驗方法。而現在可以用一種方法完成對多種單基因病的檢測,可謂是一種無創檢測一次性解決千種單基因病;另外,是采用無創方式進行單基因病的產前檢測。目前,許多國家都會對本地區高發的單基因病進行檢測。比如,美國對囊性纖維化疾病和鐮狀細胞血癥進行檢測,東南亞國家對地中海貧血癥進行檢測。若父母雙方均為單基因病攜帶者,則建議他們進行羊水穿刺或絨毛穿刺等有創檢測,而這些有創檢測都具有一定的流產風險。

目前已發現的單基因病多達7000多種,由于種類繁多,綜合發病率高,是一類對人類健康造成嚴重損傷(致死、致殘或致畸)而且缺乏有效診治手段的頑疾,給社會以及家庭造成沉重的負擔。隨著無創產前檢測技術的進一步臨床驗證及臨床轉化,相信在不久的未來,無創產前單基因病檢測將惠及更多的孕婦。

盧煜明教授劃時代意義的胎兒游離DNA的發現,加上NGS技術的發展,催生了NIPT的不斷研究及臨床轉化,有望在將來改變遺傳疾病的診療方式。新的科學發現結合新的技術,帶動整個產業革新,在不斷的發現與變革的歷史必然過程中,不斷推動人類健康事業的蓬勃發展。