从遗传病角度谈转化检验医学ppt课件.pptx

从遗传病角度谈转化检验医学 广东省妇幼保健院转化医学中心 张亮博士 科技日报 今年1月30日 美国总统奥巴马在白宫正式宣布美国启动 精准医学 研究计划 什么是精准医学 美国启动的精准医学研究计划的主要内容是什么 关于精准医学的最新进展 曹雪涛 精准医学是以个体化医疗为基础 随着基因组测序技术快速进步以及生物信息与大数据科学的交叉应用而发展起来的新型医学概念与医疗模式 本质上是通过基因组 蛋白质组等组学技术和医学前沿技术 对于大样本人群与特定疾病类型进行生物标记物的分析与鉴定 验证与应用 从而精确寻找到疾病的原因和治疗的靶点 并对一种疾病不同状态和过程进行精确亚分类 最终实现对于疾病和特定患者进行个性化精准治疗的目的 提高疾病诊治与预防的效益 诊断 关键是需要获得Biomarker 早期诊断 以便早期干预 往往只能采集血样个性化治疗 已经诊断出疾病 往往可以采集到病变组织样本 多用于肿瘤的个性化治疗 临床上能提供的样品 外周血样本 脑脊液等其他体液粪便 尿液等排泄物新鲜组织样本 石蜡包埋组织样本 围绕外周血样本的医学研究 血浆 游离的DNA 游离的RNA 蛋白 细胞内DNA 细胞内RNA 细胞内蛋白 血浆中生物分子的用途 血浆 游离的DNA 无创产前筛查 肿瘤早期诊断 肿瘤治疗疗效评估 游离的RNA 蛋白 无创产前筛查 肿瘤早期诊断 肿瘤治疗疗效评估 血浆中游离DNA的用途之一 无创产前筛查 方法学 第二代测序 和高密度SNP芯片技术 要检出21 13 18三条染色体的三体 高度甲基化的Septin9基因是结直肠癌癌变过程中 特异性早期诊断的标志物之一 在结直肠癌发病早期 已高度甲基化的Septin9基因被癌细胞释放到外周血中参与血液循环 通过检测外周血中Septin9基因的甲基化程度 可初步判断受检者患有结直肠癌的风险 肿瘤细胞 正常细胞 注册号 国械注进20143405186 生产厂商名称 EpiGenomicsAG 德国 产品名称 Septin9基因甲基化检测试剂盒 PCR荧光探针法 由于只需要检测一个基因的甲基化 我国批准的第一个从DNA甲基化来早期诊断肿瘤的诊断产品 结直肠癌的癌变与Septin9基因甲基化 肿瘤细胞 正常细胞 未甲基化 血浆中游离DNA的用途之三 肿瘤治疗疗效的监测 ScienceTranslationMedicine 19February2014 vol6ctDNA circulatingtumorDNA ctDNA监测肿瘤的治疗效果 ctDNA的含量 肿瘤组织体积 左图 经过化疗后肺癌组织的体积没有明显变化 但是ctDNA消失 结果22个月后 病人没有出现复发 右图 经过化疗后肺癌组织的体积明显缩小 但ctDNA含量上升 结果在12个月后发现肿瘤转移 13个月病人死亡Newman A Metal NatureMedicine 2014 20 5 548 556 研究外周血中游离DNA的关键因素 要找到病变组织特征的biomarker 例如DNA甲基化 DNA点突变 非先天性的体细胞突变 例如乳腺癌病人癌组织中若存在BRAF基因突变 则可以通过血浆检测到 方法学 第二代测序 和数字PCR技术 肿瘤患者抽取5ml外周血 提取其中的ctDNA 能检出含量低至0 01 的突变DNA 上万倍稀释 每个油包水颗粒中最多含有1个DNA拷贝 VIC荧光通道 dPCR荧光检测 FAM荧光通道 突变型DNA 野生型DNA 阴性液滴 数字PCR的技术原理 围绕外周血样本的医学研究 血浆 游离的DNA 游离的RNA 蛋白 细胞内DNA 细胞内RNA 细胞内蛋白 血细胞DNA指征遗传性 细胞内DNA 细胞内RNA 细胞内蛋白 致病性突变 易感性基因 基因的致病性突变 单基因遗传病 地中海贫血 血友病 DMD 新生儿呼吸窘迫综合征中的ABCA3 SFTPB SFTPC FOXF1 NKX2 1 CSFR2A CSFR2B基因突变都可以致病弱精患者中 GALNTL5基因突变基本特征都是 基因突变改变了编码蛋白质的功能致病性突变 多态性 临床意义尚不明确的突变 核酸碱基改变 也会改变氨基酸序列 但是否会改变蛋白质功能尚不明确 基因芯片在地贫基因突变检测上的应用 基因芯片 膜基质的基因芯片 玻璃基质的基因芯片 基于流动微珠的基因芯片 液相芯片 地贫基因突变检测液相芯片技术 1 目前市面上已经有若干地贫基因突变检测试剂盒 为什么还要研发基于液相芯片的试剂盒 2 为什么地贫在我国广东 广西 海南等热带沿海一代 直至地中海沿海一代高发 3 随着地贫基因检测的不断推广 重型地贫患儿的出生越来越少 地贫基因检测逐步变得不重要了 目前 地贫点突变主要的诊断方法 斑点反相膜杂交技术 目前 地贫缺失的诊断方法 Gap PCR 反相斑点膜杂交方法的缺陷 1 样本通量不够 自动化程度低 2 结果的判读需要实验者积累了较长的经验 3 点突变和缺失突变检测分成不同的试剂盒检测 尤其在新筛项目中加大工作量 国内2004年就有单位认为液相芯片开发地贫基因诊断具有很好的前景 基于反相斑点杂交的地贫诊断原理示意图 被检基因片段 玻璃片或者硝酸纤维素膜 探针 23 1 2 3 可多达100种微球 被检基因片段 液相芯片杂交原理示意图 自动化程度高 检测样本量大 结果准确 达安Luminex 100种编码 不同的红外材料混合 25 反相斑点杂交 行与列位置编码 基因组DNA PCRA体系 扩增点突变 PCRB体系 扩增缺失突变 Tag序列 生物素 A体系和B体系的PCR产物混合 在8联排管或者96孔板中用MAGPIX实现自动化检测 MAGPIX液态悬浮芯片技术检测地贫基因突变的技术路线 全部过程在6小时内完成 广东省妇幼保健院研发了地贫液相芯片 在广东省做了分子流调 14 332个家庭 共计40808个样本 广东省户籍人群地贫基因平均携带率为16 8 其中13 31 的 地贫突变 4 53 的 地贫突变 地贫液相芯片技术的应用 全省地贫基因携带分子流调 以上分子流调是基于自有专利液相芯片试剂盒技术 AmJHematol 2014Aug13 doi 10 1002 省妇幼发表的Luminex液相芯片方法学文章 液相芯片的优点包括 1 由于完全在液态的环境中完成芯片反应 结果重复性好 准确度高 2 自动化程度高 一套系统每天可完成500人份样本的检测 检测能力是目前方法的8倍以上 3 检测突变位点多 共计中国人群常见的23个突变位点 包括 地贫的17个点突变 地贫的3个点突变 以及 地贫的3个缺失突变可一次检完 4 结果通过数据化处理自动给出 无需人工肉眼凭借经验来评判 Luminex还开发了呼吸道病原体液相芯片 血细胞DNA指征遗传性 细胞内DNA 细胞内RNA 细胞内蛋白 致病性突变 易感性基因 但迄今为止 通过GWAS方法找到了两个与子痫前期相关的易感基因 STOX1和ACVAR2A 即使统计学意义上显著 风险系数OR值不超过1 5倍 没有实际的临床应用价值 很多疾病具有一定的遗传性 例如妊娠期疾病 我们期盼女性在怀孕前通过分析血样的DNA 就能预测其怀孕时发病的可能性 以做到提前干预 基因的易感性SNP位点 如何评估易感性基因是否可做临床应用 安徽医科大学张学军团队 银屑病易感性基因GWAS研究NatureGenetics 2009 VOL41PSORS1基因的rs1265181位点 p 1 93 10 208 OR 22 62 所用的临床样本数目和种族统计学p值风险系数OR值 多囊卵巢综合征 早产 唇腭裂迄今都没有发现可临床应用的易感基因 即使是明确的易感性基因 例如BRCA1 A2基因 基因的易感性突变 Plon S E etal HumanMutation 2008 a1 b5 b4 b2 b3 b6 b1 c1 Male Female Breastcancer a2 目前42岁 尚未发现乳腺癌 43岁诊断出乳腺癌 37岁诊断出乳腺癌 35岁诊断出乳腺癌 c2 现32岁 现38岁 现6岁 现4岁 c3 现14岁 表示BRCA2基因的一个突变位点 一个家族性乳腺癌 外周血有核细胞基因表达RNA的科研价值 细胞内DNA 细胞内RNA 细胞内蛋白 基因芯片技术 以及第二代测序技术可以同时检测外周血有核细胞3万多个基因的表达信息 机体环境的改变 例如肿瘤细胞出现分泌出特有的化学因子 刺激外周血中有核细胞的基因表达改变 从外周血中筛选肺结核菌感染活性状态的基因表达标签 Nature 19August2010 大多数人感染结核后无症状 处于潜伏期 只有10 的人会发展成活性状态的肺结核 目前没有方法能检测哪些人可能会发展成活性的结核 实验样品来源 第一批testset病人 59名参与者 在分析过程中有19名被排除 包括1名病人年龄超过实验设计 5名活性TB病人的培养物中没有发现TB 7名潜伏TB病人IGRA检测阴性 2名健康对照TST检测阳性 1名对照IGRA结果不能确认 在实验中 一名参与者的RNA提取后不够 也排除分析之外 最终有42名参与者 包括12名正常对照 17名TB潜伏者 13名活性TB病人 第一批validationset病人 75名英国London地区参与者 在分析过程中有21名被排除 包括8名活性TB病人培养阴性 1名活性TB病人的血样不够 1名活性TB病人HIV阳性 7名潜伏期人IGRA检测阴性 1名健康对照TST阳性 3名健康对照IGRA阳性 最终54样本参与分析 包括12名对照 12名潜伏的TB病人 以及21名活性TB病人 第二批validationset病人 来自南非CapeTown地区85名参与者 也有32名不符号各种标准 最后有51名人参与 分为潜伏期TB31名 活性期TB病人30名 没有设置健康对照 筛选得到的基因能反应治疗的疗效 这393个基因的表达改变会随着活性病人的治疗而消失 说明通过监测外周血的表达变化能监测治疗的疗效 ThusthebloodtranscriptionalsignatureofpatientswithactiveTBcouldbeusedtomonitorefficacyoftreatment andisreflectiveofthehostresponsetoinfectionwithM tuberculosis 筛选针对TB感染所特异的基因 先期找到的这393个基因可能反应的是很多疾病中都出现的共同的炎症反应 因此作者又筛选出86个基因 通过和其他细菌感染性疾病和炎症疾病比较 是TB病人所特异的 筛选出来的TB specific的86个基因仍然能很好反应出疾病的差异 这86个基因也能吻合地反应治疗的效果 文章结论 ThissignatureofactiveTB activedin10 20 ofpatientswithlatentTB mayidentifythoseindividualswhowilldevelopactivedisease facilitatingtargetedpreventativetherapy butlongitudinalstudiesareneedtoassessthis 48 不明病原体高通量筛查基因芯片技术的历史发展 国际上已经在不明病原体引发的突发疾病方面开发快速检测芯片技术进行了尝试 但还局限在美国 例如美国加州大学旧金山分校DeRisi实验室研发的能检测1500多种病毒的Virochip芯片 1 美国哥伦比亚大学Lipkin实验室和美国军方合作研发的能同时检测1710种病毒 135种属细菌 73种属真菌 以及63种属的寄生虫的GreeneChip芯片 2 和美国劳伦斯 利弗莫尔全球安全国家实验室研发的MDA芯片 3 也可以同时检测所有已经测序过的细菌和病毒都已经在实际临床应用中解决了大量不明病原体检测的问题 4 1 Chiu C Y etal JClinMicrobiol 2007 45 7 2340 3 2 Palacios G etal EmergInfectDis 2007 13 1 73 81 3 Gardner S N BMCGenomics 2010 11 668 4 McLoughlin K S BriefingsinFunctionalGenomics 2011 10 342 353 49 国内研发的高通量病原体筛查芯片 广东省妇幼保健院参与文章署名 50 1 芯片上共计6万条探针 可检测2 554种以脊椎动物为宿主的病毒 124个属的细菌 38个属的真菌 47个属的寄生虫 并且每种病原体检测指标都设计了多条探针 充分利用了生物芯片的高通量 2 能检测到在目前已知病原体基础上发生变异产生的新病原体 主要得力于芯片上探针的设计是具有一定兼容性的寡聚核苷酸长探针 并且针对病毒的科 属 种不同层次上都设计了探针 3 检测周期短 判读结果直观 从获得样本到给出结果可控制在48小时以内 基于每种病原体有多条探针 以及临床没有症状的样本作为阴性背景 判读结果不仅仅基于芯片探针的杂交信号强弱 更基于探针信号富集度的判断 生物芯片一次检