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主流分子診斷技術全解析

2019-11-26 22:37:20點擊:
截止2019年3月,分子診斷產品獲批數量達1197項。按照技術原理,可以將上市分子診斷技術大致劃分為PCR技術、分子雜交、基因測序、核酸質譜、生物芯片5大類。
未來3-5年IVD行業最具發展潛力的產品線是什么?
答案無疑是分子診斷。狹義的分子診斷是基于核酸的診斷技術。

隨著基因組學、蛋白組學、代謝組學等新興學科的發展,分子診斷的內涵已經從DNA/RNA拷貝、突變等檢測,拓展到核酸與DNA片段、蛋白與多肽、抗原與抗體、受體與配體等生物大分子的檢測。

從目前市場分子診斷產品來看,基于核酸診斷技術的產品仍占主要。

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分子診斷技術體系

1. PCR技術


從各類技術類別來看,PCR技術由于壁壘相對較低,國產化程度高,國內企業布局相對較早,因此基于PCR技術的分子診斷產品占總產品量的70%以上。

PCR技術是一種用于擴增特定DNA片段的分子生物學技術,基本原理是在反應室中模擬細胞內的DNA復制,即人為創造核酸半保留復制條件,使目的DNA在細胞外完成擴增的過程。通過PCR技術進行分子診斷的流程如下:核酸提取——核酸擴增——核酸檢測。

按照靶標數量劃分,PCR技術平臺通??煞譃閝PCR和ddPCR。


1.1 實時熒光定量PCR(qPCR)

Real-time PCR,美國PE(Perkin Elmer)公司1995年研制出來的一種新的核酸定量技術,該技術是在常規PCR基礎上加入熒光標記探針來實現其定量功能的,與普通PCR相比,實時定量PCR具有許多優點:利用熒光信號的變化實時檢測PCR擴增反應中每一個循環擴增產物量的變化,最終對起始模板的定量分析。


1.2 ddPCR(數字PCR)
ddPCR系統利用油包水技術,在傳統的PCR擴增前將一個大的反應體系進行微滴化處理,將此反應體系分割為成千上萬個微滴,即成千上萬個獨立的PCR反應體系。在此過程中,樣品被稀釋至單分子水平,并被平均分配到這幾萬個反應體系中,每個微滴中不含或者含有至少一個待檢測的核酸靶分子,這樣也相當于變相的對靶基因進行富集。

目前,國內市場已現10余家數字PCR儀廠商,其中領航基因自主研發的數字PCR系統已獲NMPA認證,銳訊生物、新羿生物、STILLA、伯樂還在申報中。


2. 核酸測序

經典的Sanger測序技術,被稱作是測序屆金標準。隨著高通量測序技術應用拓展,基因測序技術將不斷升級,也將進一步提高占比,成為未來腫瘤檢測的主要技術。目前測序市場主流為NGS測序平臺。

2.1 NGS(下一代測序,也被稱為“二代測序”)

二代測序(NGS)在臨床領域的應用快速增漲,其在臨床上的應用主要包括疾病目標基因集測序(disease-targeted gene panels)、全外顯子組測序(whole exome sequencing , WES)和全基因組測序(whole genome sequencing , WGS)??傮w來說,NGS技術具有通量大、時間短、精確度高和信息量豐富等優點,可以在短時間內對感興趣的基因進行精確定位。

在二代測序領域,筆者知道的測序平臺就達三十多個,Illumina毫無疑問是行業巨頭,其市場規模甚至達到壟斷地步。目前已獲中國國家藥品監督管理局醫療器械批準的基因測序儀包括:Illumina MiSeq?Dx;華大智造BGISEQ-100、BGISEQ-1000、BGISEQ-500、BGISEQ-50、MGISEQ-2000、MGISEQ-200共6款基因測序儀。

2.2 單細胞測序

第三代測序技術的核心理念是以單分子為目標的邊合成邊測序,單分子測序平臺給測序技術帶來新思路,部分已經開始商業化推廣,但尚未達到NGS的規模。

相比二代測序,第三代測序技術在臨床上的應用有明顯優勢:第三代測序技術不需要PCR擴增,可直接對單個分子進行測序;樣品制備簡單,測序成本進一步降低;可直接讀取RNA的序列和包括甲基化在內的DNA修飾。這些優勢可以大大改善臨床基因測序的成本、速度和質量,但單分子測序有通量限制,所以并不適合獨立做全基因組測序,更適于針對有限的、個性化的、目標性的應用。

幾家重要的單分子測序平臺一覽:

Helicos BioSciences:第一臺真正的單分子測序儀

Pacific Biosciences(PacBio):首個單分子實時測序系統

Oxford Nanopore Technologies:納米孔測序、迷你測序儀


3. 分子雜交

核酸分子雜交技術是利用DNA 變性與復性的原理,把不同的DNA 單鏈分子或者DNA 與RNA 的混合物放在同一溶液中,在某種理化因素作用下DNA 雙鏈分子解鏈變性,這樣互補序列的DNA 之間或DNA 與RNA 之間形成雜化的雙鏈。

核酸分子雜交技術可分為Southern 雜交——DNA和DNA分子之間的雜交;Northern雜交——DNA和RNA分子之間的雜交。

蛋白雜交,也叫Western 雜交,蛋白質分子雜交是一種借助特異性抗體鑒定抗原的有效方法,即蛋白質分子(抗原—抗體)之間的雜交。

4. 核酸質譜

目前核酸分析所使用的質譜電離技術主要還是采用 ESI 和MALDI。 簡單來講,兩種電離技術都是軟電離,ESI 檢測的特點是生物大分子帶多個電荷,質荷比范圍基本在2000 Da 以下區間,從而能檢測幾萬乃至更大的生物分子;而MALDI 常得到單電荷峰,與飛行時間(TOF)分析器搭配,檢測范圍可以到幾十萬道爾頓。

質譜技術相比于其他檢測技術具有快速、準確、靈敏度高、高通量等優點,近年來在核酸的高級結構鑒定、寡核苷酸與小分子的相互作用、DNA 損傷與修飾等領域有著廣泛的應用。

由于生物樣品的復雜性,質譜技術還面臨著一些挑戰和困難。但生物質譜技術是科學研究的有力工具,隨著臨床實驗室對質譜的了解和應用不斷的加深,未來該檢測平臺或可成為規范實驗室不可或缺的標準裝備。

5. 生物芯片

5.1 微陣列芯片

也就是常說的基因芯片,又稱DNA微陣列(DNA micro-array)、SNP芯片,是把大量已知序列探針集成在同一個基片(如玻片、膜)上,經過標記的若干靶核苷酸序列與芯片特定位點上的探針雜交,通過檢測雜交信號,對生物細胞或組織中大量的基因信息進行分析。

與傳統的染色體核型分析技術相比具有更高的分辨率,可識別Kb級別以上的染色體細微失衡?;蛐酒壳耙殉蔀閲鴥韧馀R床遺傳學診斷的一項常規的技術,在遺傳病檢測、疾病篩查、疾病分型、病原體檢測、個性化用藥等方面均呈現出廣闊的應用前景。

全球知名的芯片公司有 Illumina、Affymetrix(于2016年被賽默飛收購)、安捷倫等。

5.2 微流控芯片

微流控芯片( microfluidic chip) 由微米級流體的管道、反應器等元件構成,與宏觀尺寸的分析裝置相比,其結構極大地增加了流體環境的面積/體積比,以最大限度利用液體與物體表面有關的包括層流效應、毛細效應、快速熱傳導和擴散效應在內的特殊性能,從而在一張芯片上完成樣品進樣、預處理、分子生物學反應、檢測等系列實驗過程。

目前使用微流控芯片進行指導用藥的多基因位點平行檢測是主要臨床應用領域。

分子診斷的高速發展離不開分子生物學技術日新月異的進步。

在過去的50 年中分子診斷技術取得了三大轉化與3項提升:報告信號檢測從放射核素標記向熒光標記轉化、操作方法由手工操作向全自動化轉化、檢測分析通量從單一標志物向高通量多組學聯合判斷轉化。

不僅如此,儀器檢測靈敏度、精密度、特異性的也有快速提升。隨著分子診斷技術的進一步發展,分子診斷將會出現理念的革命性進步,高通量技術將更多的進入臨床的實際應用中。具體如何發展,我們拭目以待。
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