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下一代分子诊断技术如何助力全民健康医药事业发展?
——中国科学院赵国屏院士、上海师范大学王金博士详解

2019-11-10 05:04:00 来源: 科技日报-中国科技网 作者: 桂楷东

前沿科技·精准医学

下一代分子诊断技术如何助力全民健康医药事业发展?

——中国科学院赵国屏院士、上海师范大学王金博士详解

下一代分子诊断技术创新与应用

/桂楷东

一提起“分子诊断技术”可能有人会觉得离我们的生活很遥远,其实早已不陌生。

相信不少人都有过体检和献血的经历,医护人员采血之后要检测血样中是否感染乙肝(HBV)、丙肝(HCV)和艾滋病(HIV)等病毒。

不少已婚女性的孕检,抽点血来产前筛查和新生儿筛查,看看胎儿是否会患有唐氏综合症或其他染色体异常的风险……这些其实都离不开分子诊断技术。

那么,什么是分子诊断技术?新兴的基因编辑技术如何带来新一代分子诊断的机遇?我国分子诊断产业如何抓住这个机遇,实现技术突破和产业创新?

近日,中国科学院院士、著名分子微生物学家赵国屏及上海师范大学的王金博士为大家详细解答了上述问题。

分子诊断技术:健康生活的重要帮手

“随着人类基因组计划的顺利完成,越来越多的基因组和蛋白组信息被人们用来服务于与临床诊断相关的实验工作中,与之对应的是多种分子诊断技术也不断涌现”。赵国屏院士介绍,到今天为止,体外诊断技术最有效的两个手段,一个是免疫手段,另一个是以核酸检测为基础的分子诊断技术。分子诊断技术由于其检测精准,灵敏度高,目前已广泛应用于传染病的诊断、流行病的调查、食品卫生检查、肿瘤和遗传病的早期诊断及法医鉴定等各个领域。

“核酸的聚合酶链式反应技术(PCR)的发明是分子诊断最重要的突破。它可以非常专一地、较快较简便地将非常少量的DNA迅速放大到百万倍至十亿倍,用于检测,从而提升了检测的灵敏度和专一性。当然,近年来开发的下一代高通量测序技术(NGS)在通量和未知DNA序列的检测方面也是另一个重大的突破。


下一代分子诊断:基因魔剪引发的技术革命

目前,尽管PCRNGS技术都比较成熟、应用也广,但是,由于该些技术的操作比较复杂、仪器和试剂昂贵,使得该些技术在现场和家庭检测领域以及传染病快速检测等应用中受到了极大限制。

为了克服现有技术的这些缺陷,王金博士团队利用近年发现的基因编辑系统(CRISPR)中的Cas12酶研发了一套全新的分子诊断系统——“HOLMES(福尔摩斯)。赵国屏院士介绍说,该技术最初的来源,实际上是细菌有一套把入侵者清除掉的CRISPR工具,作为对外来入侵DNA/RNA的识别和清除机制。在过去很多年里科学家掌握了这个机制,并用它来做基因编辑;从而有了“基因魔剪”的美称。王金博士团队在研究工作中首次发现了CRISPR/Cas12a酶具有被靶点专一结合激活后高效反式切割单链DNA探针的特征,并基于这个发现创新性开发了用于DNA分子诊断的“福尔摩斯”系统。

王金博士介绍,相比于现有的分子诊断技术,“福尔摩斯”技术更加灵敏、快速,能够有效提高传染病的检出率,也能极大缩短病原检测的窗口期。例如,从样本采集到出检测结果,“福尔摩斯”技术只需1小时,比现有常用的分子诊断技术都要快;其检测灵敏度极高(可达10个分子以下的水平);特异性高,可同时区分普通细菌和超级耐药菌;检测的试剂成本也非常低。由于有以上各种优点,该类技术在发明后不久便在2018年被美国科学杂志(Science)誉为“下一代分子诊断技术”。

王金博士透露,作为平台型的技术诊断技术,“福尔摩斯”可应用于多种检测场景,例如医院、海关、疾控中心、血站以及农业动植物检疫等等。

据悉,利用该技术进行传染病检测时无需特别复杂的仪器设备,且可由非专业人员在任意环境下进行检测;因此,他们认为未来该技术也可能会走进普通老百姓的家庭。

我国的机遇与挑战:如何抢占“下一代分子诊断技术”的发展先机?

未来,这种在家就能做诊断的分子技术,我国的研究水平又处于一个什么样的国际地位呢?

王金博士介绍,连他们在内,目前全世界共有三个研究团队(另两个团队在美国)在利用CRISPR-Cas蛋白的新活性发展原创型的下一代分子诊断技术。值得一提的是,王金博士团队的专利申请日期比美国对应团队的申请日期早了四个多月,如不出意外的话,这将是国内团队在整个分子诊断领域仅有的具有底层自主知识产权的原研专利技术。

据悉,在国内,王金博士团队正积极推动产学研结合和技术成果转化,努力推动该自主研发成果在国内落地,以期尽快抢占“下一代分子诊断”产业的发展高地。

赵国屏院士最后表示,越来越多的新型分子诊断技术,特别是像我们的下一代CRISPR分子诊断技术,必将逐步进入临床检验应用。经过不断的临床实践以及与临床共同开展的转化医学研究工作,新一代分子诊断技术将能促进一些疑难疾病的早期发现,早期诊断。随着该技术的不断成熟,未来最基层的医疗机构和家庭可用它来检测一些常见的传染病,并可在最短时间内判断是否需要隔离和如何治疗,目标是要能够有效保障百姓的身体健康。(完)

责任编辑: 陈龙
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