分子诊断技术的发展历程 2016/05/01

导读:体外诊断是指在机体外,通过实验对机体成分及其附属物(血液、体液、分泌物、组织、毛发等)进行检测,从而获取疾病预防、诊治、监测、预后判断、健康及机能等数据的行为。按照检验原理或检验方法,体外诊断主要包括生化诊断、免疫诊断、分子诊断、微生物诊断等,其中生化诊断、免疫诊断、分子诊断是体外诊断主要的三大领域。而分子诊断作为体外诊断的重要领域之一,是体外诊断行业中技术要求最高、发展最快的子行业。

体外诊断是指在机体外,通过实验对机体成分及其附属物(血液、体液、分泌物、组织、毛发等)进行检测,从而获取疾病预防、诊治、监测、预后判断、健康及机能等数据的行为。按照检验原理或检验方法,体外诊断主要包括生化诊断、免疫诊断、分子诊断、微生物诊断等,其中生化诊断、免疫诊断、分子诊断是体外诊断主要的三大领域。而分子诊断作为体外诊断的重要领域之一,是体外诊断行业中技术要求最高、发展最快的子行业。 

分子诊断的主要原理是通过分子生物学方法来检测患者体内遗传物质的结构或表达水平的变化以做出诊断的技术,其材料包括DNA、RNA和蛋白质。而核酸分子诊断是分子诊断的主要组成部分,其涉及的技术包括PCR、分子杂交、生物芯片、核酸序列测定等分子生物学中的高尖端技术。相较目前技术已十分成熟的生化诊断和技术水平日趋成熟的免疫诊断,分子诊断拥有更高的技术水准。

分子诊断在临床上起初应用于传染病诊断和器官移植配型。但随着技术的不断成熟,分子诊断逐渐应用于遗传病、肿瘤的早期筛查与诊断,应用范围不断拓宽。

技术的沿革与进步

第一阶段:以分子杂交技术为基础的基因诊断

20世纪60年代至80年代的20年间,分子杂交技术得到了迅猛的发展,由于当时尚无法对样本中靶基因进行人为扩增,因此只能通过已知基因序列的探针对靶序列进行捕获检测。主要应用于遗传病的基因诊断,通过在婴儿的胚胎期进行产前诊断,以便超早期预知某些疾病的发生、发展和预后。

第二阶段:以PCR技术为基础的DNA诊断

1985年,美国化学家Kary Mullis发明了PCR技术,并迅速得到发展与改进,使得传统的基因诊断(DNA诊断)概念发展到更全面的分子诊断(DNA诊断和RNA诊断)新概念,分子诊断也进而步入第二个阶段。 

PCR技术可有效地测定微量而不稳定的mRNA,使基因诊断从原先局限在DNA水平上鉴定和分析基因的结构缺陷,发展到在RNA水平上检测缺陷基因的表达异常。目前,PCR技术中最先进的是实时荧光定量PCR技术,其在封闭体系中反应以杜绝污染和动态监测荧光信号进行定量的优势,广泛应用于疾病检测、临床应用、商品检疫、法医鉴定、新药品开发等。

第三阶段:以生物芯片技术为代表的高通量密集型检测技术

1991年,Affymetrix公司的Fordor利用其研发的光蚀刻技术制备了首个以玻片为载体的微阵列,从而标志着生物芯片正式成为可实际应用的分子生物学技术。

该技术解决传统核酸印迹杂交技术操作复杂、自动化程度低、检测量少、通量低等不足,为基因功能研究及现代医学科学和医学诊断学的发展提供强有力的工具,将会使新基因的发现、基因诊断、药物筛选、给药个性化等方面取得重大突破。 目前,生物芯片主要应用于疾病诊断、药物筛选、个体化医疗、基因表达检测、基因测序、突变检测、基因组多态性分析、基因文库作图和生物信息学研究等医学诊断与治疗、生命科学研究与应用等诸多领域,是分子诊断中的尖端技术。

第四阶段:以核酸序列测定技术为代表的高通量自动化检测技术

测序反应是直接获得核酸序列信息的唯一技术手段,是分子诊断技术的一项重要分支。虽然分子杂交、PCR技术和生物芯片在近几年已得到了长足的发展,但其对于核酸的鉴定都仅仅停留在间接推断的假设上,因此对基于特定基因序列检测的分子诊断,核酸测序仍是技术上的金标准。

目前市面上应用最广的是第二代高通量平行测序方法,该技术可以对基因组、转录组等进行真正的组学检测,在指导疾病分子靶向治疗、绘制药物基因组图谱指导个体化用药、感染性疾病的病原微生物宏基因组鉴定及通过母体中胎儿DNA信息进行产前诊断等方面已经取得了喜人的成绩。然而,由于该技术需要对DNA进行片段化处理,测序反应读长较短,需要对数据进行大规模拼接,因此对分子诊断工作者掌握生物信息学知识提出了更高要求,以利于后期的测序数据分析。

展望

21世纪是生物技术的世纪,体外诊断技术是生物技术在医疗领域的集中体现之一,是医疗服务和医学变革的前沿,在一定程度上反映医疗水平的高低。体外诊断试剂在20多年的发展过程中,先后经历了化学、酶、免疫测定和探针技术等发展阶段。全球体外诊断试剂的应用领域不断拓展,不仅疾病预防发挥重要作用,而且在疗效和预后的判断、治疗药物的监测、健康状况的评价以及遗传性预测等领域开始发挥其技术优势。同时,体外诊断呈现出自动化、便携化以及与计算机网络技术相结合趋势,这些技术的结合正不断扩宽行业应用方向和研究领域。

而由于分子诊断技术可针对产生疾病的相关基因进行准确诊断,又可以在发病前对疾病易感性做出估计,相较于其他体外诊断技术具有速度更快、灵敏度更高、特异性更强等优势,因此分子诊断不但可以广泛应用于传染性疾病、血液筛查、遗传性疾病、肿瘤分子诊断等领域,还能在部分应用领域替代其他体外诊断技术,成为体外诊断技术中重要的发展和研究方向。

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