日前,來自中國廣州醫(yī)科大學(xué)等機構(gòu)的科研人員報告了一種基于半導(dǎo)體的DNA測序平臺可能有助于增加胎兒遺傳病檢測的速度并減少成本,研究報告被發(fā)表在5月5日的PNAS網(wǎng)絡(luò)先行版上。
為什么叫做半導(dǎo)體的DNA測序?
半導(dǎo)體DNA測序平臺是使用半導(dǎo)體生物傳感器芯片,對DNA復(fù)制期間產(chǎn)生的氫離子進(jìn)行實時測定。芯片上密布了數(shù)百萬個微孔,每個微孔都是單獨的反應(yīng)器,包括一個待測序的DNA模板片段(一種微流控芯片技術(shù))。在加入一種dNTP后,如果加入的這種dNTP和模板中的引導(dǎo)核苷酸互補,就會形成互補鏈。在形成互補鏈過程中釋會放出一個氫離子(H+),從而引起PH值的改變。通過實時測定PH值變化值逐步將遺傳信息(DNA)翻譯成DNA序列組合信息。
胎兒遺傳病檢測發(fā)展:從熒光檢測到氫離子檢測
傳統(tǒng)的檢測方法而言,大多在懷孕12周左右進(jìn)行。這些介入性方法有兩大缺點:一是時間長,需要2周到3周才能出結(jié)果;二是穿刺針有不到1%的幾率扎到胎兒,可能引發(fā)感染甚至流產(chǎn)。對于這樣傳統(tǒng)的檢測方法費時又不能避免絕對的安全,科學(xué)家們對此經(jīng)過多年的研究與實驗,自從1977年第一代測序技術(shù)出現(xiàn)之后,經(jīng)過了30多年發(fā)展, 第三代測序技術(shù)已經(jīng)初露端倪,并向著更快、更準(zhǔn)、更便宜的方向發(fā)展。目前稱得上第三代測序技術(shù)主要是Helicos公司的單分子測序技術(shù)、Oxford Nanopore Technologies公司的納米孔單分子測序技術(shù)等。然而納米孔單分子測序技術(shù)因為測序量較低而不能用于孕婦的胎兒DNA產(chǎn)前檢測。
這種檢測原理是,只需抽取孕婦2毫升血樣,當(dāng)試劑通過繼承的流體通路進(jìn)入芯片中,密布于芯片上的反應(yīng)孔立即成為上百萬個微反應(yīng)體系。這種獨特的流體體系、微體系機械設(shè)計和半導(dǎo)體技術(shù)的組合,使得研究人員能夠在兩個多小時內(nèi)獲取從10Mb到1Gb以上高精確度序列。
這中技術(shù)就能診斷與染色體異常有關(guān)的先天缺陷,包括最常見的唐氏綜合征、導(dǎo)致形體和器官多種異常的愛德華氏綜合征等。這項研究的負(fù)責(zé)人、加州大學(xué)圣迭戈分校遺傳醫(yī)學(xué)研究所所長Kang Zhang說,這種高通量測序技術(shù),能一次對幾十萬到幾百萬條DNA(脫氧核糖核酸)進(jìn)行序列測定。可把診斷提前到懷孕第9周,4天便能出結(jié)果,準(zhǔn)確率也非常高。
半導(dǎo)體測序在產(chǎn)前檢測中的優(yōu)點:迅速、便捷、成本低
這項研究中的基于半導(dǎo)體的實驗臺測序平臺,可在2-4個小時里每秒獲取50億個數(shù)據(jù)點,因此也就增加了迅速、便攜而且具有成本效益的胎兒非整倍性產(chǎn)前診斷的效率。研究人員通過對515名孕婦測試診斷靈敏度和特異性從而驗證了這個測序平臺,這些孕婦來自中國的兩所醫(yī)院,此前通過核型分析獲得了她們的非整倍性數(shù)據(jù)。研究人員報告稱,這個平臺發(fā)現(xiàn)了全部55例唐氏綜合征、16例愛德華綜合征、3例Patau綜合征——它們的特點都是有額外的染色體拷貝——而特異性和靈敏度在99%到100%之間。此外,這種方法幫助識別出了15名性染色體非整倍性的胎兒。之后,研究人員將這一平臺應(yīng)用到了1760名沒有核型分析數(shù)據(jù)的孕婦身上,結(jié)果檢測到了15例唐氏綜合征、愛德華綜合征或Patau綜合征,以及1例X染色體非整倍性。
為什么半導(dǎo)體測序檢測DNA序列速度更快?
第二代測序(Illumina/Solexa Genome Analyzer測序)的基本原理是邊合成邊測序。采用不同顏色的熒光標(biāo)記四種不同的dNTP,當(dāng)DNA聚合酶合成互補鏈時,每添加一種dNTP就會釋放出不同的熒光,根據(jù)捕捉的熒光信號并由計算機軟件處理,從而獲得待測DNA的序列信息。測序過程包括:測序文庫的構(gòu)建、錨定橋接、預(yù)擴(kuò)增、單堿基延伸測序和數(shù)據(jù)分析5個步驟。由于DNA合成過程中釋放氫離子引起的pH值變化,半導(dǎo)體傳感器芯片就是對DNA復(fù)制期間產(chǎn)生的氫離子進(jìn)行實時的測定,不需要修飾核苷酸,也不需要激光器或光學(xué)檢測設(shè)備,因此速度較快。
該項研究課題人員表示:隨著大齡母親越來越多,新生兒出生缺陷幾率呈上升趨勢。這種微流控檢測設(shè)備將越來越成為家庭的需要,基于半導(dǎo)體的實驗臺測序平臺能提高診斷速度,降低檢測成本,不僅為將來“由醫(yī)院直接完成所有檢測”提供了可能性,而且為節(jié)省具有特異性的產(chǎn)前遺傳診斷的時間和成本鋪平了道路,更為以后的科研發(fā)展、技術(shù)完善做出更大貢獻(xiàn)。迅速、便捷、成本低,這些詞依然成為微流控的代名詞,微流控芯片技術(shù)快便,時效高,成本低,將取代眾多繁復(fù)的傳統(tǒng)檢測方法。