采集一滴新生兒足跟血，將從中提取的核酸樣本經(jīng)擴(kuò)增放大后注入一片長(zhǎng)7.5厘米、寬2.5厘米的載玻片上，放進(jìn)普通打印機(jī)大小的配套儀器里，就可得知受試者是否攜帶遺傳性耳聾基因。這項(xiàng)中國(guó)原創(chuàng)的全球首款遺傳性耳聾基因檢測(cè)芯片系統(tǒng)，使我國(guó)320多萬(wàn)名新生兒獲益，并已走出國(guó)門(mén)。其研發(fā)團(tuán)隊(duì)清華大學(xué)、中國(guó)人民解放軍總醫(yī)院和博奧生物集團(tuán)近日獲得2018年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。
早期診聾防聾誕生中國(guó)“芯”
聽(tīng)力障礙是我國(guó)第二大出生缺陷疾病。我國(guó)現(xiàn)有聽(tīng)力殘疾人2054萬(wàn)，其中0～6歲兒童超過(guò)80萬(wàn)人，且每年新增3萬(wàn)名聾兒。研究表明，約60%的重度耳聾由遺傳因素導(dǎo)致；正常人中有4%～5%的耳聾基因攜帶率，是造成成人后天聾和生育下一代聾兒的主要原因。傳統(tǒng)的耳聾篩查和診斷技術(shù)操作繁瑣、通量低且耗費(fèi)人力物力。
遺傳性耳聾基因診斷芯片系統(tǒng)項(xiàng)目第一完成人、中國(guó)工程院院士程京說(shuō)：“要解決這些問(wèn)題，先要找到中國(guó)人群的致聾基因，然后解決現(xiàn)有檢測(cè)芯片和設(shè)備問(wèn)題。”
從2003年起，項(xiàng)目合作單位解放軍總醫(yī)院陸續(xù)收集到7630例耳聾臨床病例和2898例正常個(gè)體樣本，進(jìn)行遺傳性耳聾高危人群的分子病因?qū)W研究，確定了GJB2、SLC26A4、12SrRNA、 GJB3為中國(guó)人群主要的遺傳性耳聾致病基因及其上9個(gè)突變熱點(diǎn)。這些基因和位點(diǎn)就是檢測(cè)需要瞄準(zhǔn)的“靶子”。
有了“靶子”就要升級(jí)“槍”，“槍”的核心就是芯片。項(xiàng)目組發(fā)明了高精度的多重等位基因特異性擴(kuò)增及通用芯片技術(shù)、在擴(kuò)增引物的適當(dāng)位置巧妙引入人工錯(cuò)配堿基技術(shù)、磁珠分離富集單鏈DNA技術(shù)、利用表面張力精確控制雜交技術(shù)，將這四大技術(shù)整合在一起，設(shè)計(jì)出了高精度、高靈敏度、高通量的突變位點(diǎn)檢測(cè)芯片。
程京說(shuō)：“芯片靈敏度低就需要采集大量樣本，這對(duì)于新生兒來(lái)說(shuō)創(chuàng)傷大且不易實(shí)現(xiàn)。磁珠分離富集單鏈DNA技術(shù)將芯片檢測(cè)靈敏度提高了25倍。如此一來(lái)，一滴足跟血、一點(diǎn)口腔唾液、頭發(fā)毛囊就夠用。”
圍繞芯片核心技術(shù)，項(xiàng)目還發(fā)明了全自動(dòng)液體工作站、芯片掃描儀、芯片雜交儀、芯片洗干儀、芯片點(diǎn)樣儀5種配套儀器，覆蓋了樣品制備、雜交反應(yīng)、雜交后清洗及掃描等過(guò)程。“這樣一整套儀器及解決方案，適合大規(guī)模篩查應(yīng)用，能夠檢測(cè)先天性耳聾、藥物性耳聾、遲發(fā)性耳聾的耳聾基因位點(diǎn)。”程京透露，遺傳性耳聾基因芯片的檢測(cè)能力從第一代的4個(gè)基因9個(gè)位點(diǎn)，擴(kuò)展到第二代的4個(gè)基因15個(gè)位點(diǎn)，未來(lái)還將研發(fā)出覆蓋更多基因和位點(diǎn)的芯片產(chǎn)品，為罕見(jiàn)病診斷提供更得力的工具。
320萬(wàn)新生兒篩查耳聾基因
針對(duì)新生兒、耳聾遺傳高危人群進(jìn)行篩查，有利于避免藥物致聾并降低遲發(fā)性耳聾和后代聾兒出生率。程京說(shuō)，育齡期女性尤其要重視藥物性耳聾篩查，因?yàn)樗幬镄远@基因通過(guò)母系遺傳，追蹤母系成員并發(fā)放用藥指南，可以給予整個(gè)家族保護(hù)。此外，檢測(cè)出的先天性耳聾孩子及早植入人工耳蝸，有助恢復(fù)聽(tīng)力，不錯(cuò)過(guò)語(yǔ)言發(fā)育的關(guān)鍵期。
2009年，博奧生物生產(chǎn)的遺傳性耳聾基因檢測(cè)芯片系統(tǒng)投入市場(chǎng)，在婚育指導(dǎo)、產(chǎn)前篩查、新生兒和高危人群篩查、耳聾病因診斷等領(lǐng)域推廣應(yīng)用。2012年4月，北京市開(kāi)展新生兒遺傳性耳聾基因篩查工作，成為全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)新生兒耳聾基因篩查的城市。一年后，北京市衛(wèi)生計(jì)生委委托衛(wèi)生經(jīng)濟(jì)學(xué)專家對(duì)北京耳聾基因項(xiàng)目篩查實(shí)施情況進(jìn)行評(píng)價(jià)。“結(jié)果令人振奮。”程京說(shuō)，“篩查的成本效益比率為1∶7.27，即早期篩查可節(jié)約發(fā)病后因治療造成的約7倍損失。”
此后，成都、鄭州、福州、太原、南通、東莞、濟(jì)南、新疆等20多個(gè)省（區(qū)、市）相繼實(shí)施新生兒遺傳性耳聾基因篩查，并將其納入政府民心工程。截至2018年年底，全國(guó)接受遺傳性耳聾基因篩查的新生兒超過(guò)320萬(wàn)名，檢出總突變率為4.4%，其中藥物致聾基因攜帶者有8400多人，直接避免受檢者和家庭成員約8萬(wàn)多人因使用藥物不當(dāng)而致聾。
中國(guó)技術(shù)邁出國(guó)門(mén)
遺傳性耳聾基因診斷芯片技術(shù)已受到國(guó)際關(guān)注。
2014年，全美第二大醫(yī)療中心、美國(guó)邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院向項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)發(fā)起請(qǐng)求。程京說(shuō)，應(yīng)美國(guó)邁阿密大學(xué)請(qǐng)求，團(tuán)隊(duì)采用自主研發(fā)的微流控陣列芯片技術(shù)平臺(tái)，研發(fā)出首款用于檢測(cè)白種人遺傳性耳聾的基因檢測(cè)芯片和配套試劑，該芯片可以同時(shí)檢測(cè)與白種人常見(jiàn)遺傳性耳聾相關(guān)的5個(gè)基因9個(gè)位點(diǎn)。目前，芯片已經(jīng)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，成果獲得國(guó)際同行高度認(rèn)可。
美國(guó)外科學(xué)院院士、美國(guó)邁阿密大學(xué)醫(yī)學(xué)院遺傳性耳聾中心主任劉學(xué)忠教授在第十屆亞太人工耳蝸植入及相關(guān)科學(xué)大會(huì)、2015年華人遺傳學(xué)大會(huì)等國(guó)際會(huì)議上介紹該成果時(shí)指出，“基于分子病因?qū)W研究結(jié)果研發(fā)耳聾芯片并應(yīng)用于大規(guī)模耳聾篩查，為聾病早期診斷和預(yù)防提供了新途徑”。
2016年年初，遺傳性耳聾基因診斷芯片產(chǎn)品獲得臺(tái)灣地區(qū)衛(wèi)生福利部頒發(fā)的醫(yī)療器械許可證，進(jìn)入臺(tái)灣市場(chǎng)。2017年7月，遺傳性耳聾基因診斷試劑盒獲得泰國(guó)國(guó)家公共衛(wèi)生部食品藥品監(jiān)督管理局核發(fā)的醫(yī)療器械注冊(cè)證書(shū)。
程京說(shuō)，為進(jìn)一步提高效率，團(tuán)隊(duì)已成功研制出基于先進(jìn)微流控芯片技術(shù)的一體機(jī)系統(tǒng)，15分鐘～20分鐘可自動(dòng)快速完成雜交、清洗和掃描等操作過(guò)程，雜交、清洗時(shí)間比以前縮短約4倍。初步實(shí)驗(yàn)表明，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程可以在兩個(gè)小時(shí)內(nèi)全部完成。