分子診斷標準品在分子診斷中的意義與應(yīng)用

分子診斷是指通過分子生物學(xué)的檢測手段，檢測患者體內(nèi)基因結(jié)構(gòu)或表達水平的技術(shù)。由于其檢測速度快、靈敏度高和特異性強等特點，被廣泛應(yīng)用于血液篩查、 遺傳性疾病、傳染性疾病、腫瘤伴隨診斷等領(lǐng)域。比如現(xiàn)今與我們息息相關(guān)的新冠核酸檢測，就屬于分子檢測的應(yīng)用實例。分子診斷的檢測往往需要標準品，作為對照，校正系統(tǒng)誤差，確保結(jié)果的準確性。下面就和大家分享分子診斷的背景知識和標準品的應(yīng)用意義吧！

 

應(yīng)用于分子診斷中的檢測技術(shù)

分子診斷主要檢測基因的序列結(jié)構(gòu)和表達水平，主要的檢測技術(shù)包括PCR、高通量測序、熒光原位雜交（FISH）、基因芯片等。其中，PCR與高通量測序等應(yīng)用最為廣泛。

 

PCR技術(shù)的原理是以樣品DNA為模板，在聚合酶、引物和dNTP等擴增體系下復(fù)制出大量的子代DNA。第一代PCR通常在擴增后，采用瓊脂糖凝膠電泳對產(chǎn)物進行檢測，一般需要結(jié)合一代測序才能對基因型做定性分析。第二代熒光定量PCR（Real-Time PCR），也叫做qPCR，在反應(yīng)體系中加入熒光物用于指示反應(yīng)進程，利用熒光信號的變化來監(jiān)測擴增產(chǎn)物的變化，通過熒光曲線來判斷結(jié)果，并可以借助Cq值和標準曲線來定量。第三代PCR 微滴式數(shù)字PCR（Droplet Digital PCR, DDPCR）也用于定量分析，相比于二代PCR靈敏度更高，能測定基因拷貝數(shù)。其原理是將反應(yīng)體系分為成千上萬個納升級的微滴，其中每個微滴或不含待檢核酸靶分子，或者含有一個至數(shù)個待檢核酸靶分子。經(jīng)過擴增后，再通過檢測熒光信號，并根據(jù)泊松分布原理及陽性微滴的個數(shù)與比例計算出模板數(shù)量。

 

二代測序由于通量高，在檢測多個樣品和多個位點時，能節(jié)省時間、降低成本，所以在分子診斷中有巨大的應(yīng)用潛力。其原理是通過模板DNA 分子的化學(xué)修飾，將其錨定在納米孔或微載體芯片上，利用堿基互補配對原理，在 DNA 聚合酶鏈反應(yīng)或 DNA 連接酶反應(yīng)過程中，通過采集熒光標記信號或化學(xué)反應(yīng)信號，實現(xiàn)堿基序列的解讀，一次性可完成幾十萬至上百萬條序列的測定。

 

分子診斷的應(yīng)用領(lǐng)域

分子診斷的應(yīng)用場景很多，如今主要應(yīng)用的領(lǐng)域有無創(chuàng)產(chǎn)前檢測（NIPT）、伴隨診斷、腫瘤早篩和傳染病檢測等。

 

NIPT是通過高通量測序等手段，檢測母體內(nèi)的胎兒遺傳信息，判別胎兒是否患染色體異常疾病，包括21 三體綜合征（唐氏綜合征）、18 三體綜合征（愛德華氏綜合征）、13 三體綜合征 （帕陶綜合征）。NIPT具有檢測準確率高、周期短、漏診率低和對母體損害低等優(yōu)點。

 

伴隨診斷是分子診斷的另一個應(yīng)用領(lǐng)域。在使用分子靶向藥前，需要先檢測患者是否存在藥物靶點，提高用藥的準確性。常用的檢測方法有PCR、NGS、FISH和免疫組化（IHC）等，其中PCR測序是常用的檢測手段，具有快捷準確等特點。

表1. 分子診斷各技術(shù)在伴隨診斷中的應(yīng)用特點。

 

在腫瘤早篩中也會應(yīng)用到分子診斷技術(shù)。腫瘤形成的其中一個重要原因是基因突變。因此盡早篩查出這類人群，開展預(yù)防和治療是很重要的。現(xiàn)階段多通過內(nèi)鏡、組織活檢等手段檢測，但操作麻煩、準確性不高且存在漏篩。而基于 PCR、NGS 等分子診斷技術(shù)的液體活檢則具有很大的應(yīng)用潛力，其原理是通過檢測從轉(zhuǎn)移灶釋放到血液中的腫瘤細胞或者DNA。具有取樣方便、靈敏度高、非侵入性、有效應(yīng)對腫瘤異質(zhì)性、在疾病發(fā)展的不同階段可重復(fù)取樣等優(yōu)勢。

 

分子診斷在傳染病篩查的應(yīng)用主要體現(xiàn)在新冠檢測和血液篩查。在新冠篩查中，主要應(yīng)用qPCR檢測，能快速準確地篩查出感染者，是減少新冠傳播的有力手段，具有精準度高和辨識度強等特點。血液篩查是為了確保血液制品的質(zhì)量、避免交叉污染和保護工作人員的安全，防止相關(guān)疾病的感染者進入供血隊伍。這些疾病包括：人類免疫缺陷病毒（HIV）、乙型肝炎病毒（HBV）、丙型肝炎病毒 （HCV）、梅毒螺旋體、丙氨酸氨基轉(zhuǎn)移酶（ALT）等。早期以酶免檢測（ELISA 技術(shù)）為主，但是靈敏度低。而以 PCR 技術(shù)為主的核酸檢測（NAT）具有更高的靈敏性和特異性，能顯著降低輸血感染病毒帶來的風(fēng)險。

 

標準品在分子診斷中的應(yīng)用

分子診斷的流程具有多個環(huán)節(jié)，從樣品樣本提取到變異檢測，每個環(huán)節(jié)都存在不確定因素和不可規(guī)避的系統(tǒng)誤差，這使得分析結(jié)果存在假陽性或假陰性的可能。因此需要標準品，來檢測與校對分析體系的準確性。

 

分子診斷標準品應(yīng)該具備以下3個特征:

1.  代表性。標準品需要與待測樣品在基因遺傳背景、細胞類型、組織類型和處理方式等方面高度相似，才能模擬待測樣品的檢測過程，以分析實驗體系的精準度和判別待測樣品結(jié)果。

 

2. 可量化。標準品需要具備突變頻率階梯性，將編輯細胞與野生型細胞以不同比例混合，用于模擬不同疾病或檢測系統(tǒng)的檢測上下限。

 

3. 持續(xù)穩(wěn)定。標準品需要能持續(xù)且穩(wěn)定生產(chǎn)。

 

在PCR檢測變異的流程中，可以用標準品來驗證試劑盒的提取效率、變異檢測的準確度、試劑盒的靈敏度等。在核酸提取步驟中，樣本經(jīng)過不同的處理往往對核酸提取率有影響，比如經(jīng)過福爾馬林、石蠟包埋等處理等。如果存在與患者樣本處理方式、材質(zhì)、細胞復(fù)雜性和結(jié)構(gòu)特性相似的標準品，例如FFPE標準品，則可以在提取環(huán)節(jié)中得知提取效率。如果更換提取體系時，只要使用相同的標準品，還可以比較不同提取體系的提取效率。同理，標準品在文庫構(gòu)建階段和測序階段也發(fā)揮著相同的作用，用于確定建庫效率和測序質(zhì)量。

 

生信分析位點變異情況時，由于標準品的突變位點、突變基因型和突變頻率等信息都是通過人為修飾且已知，所以如果信息分析流程得出的變異檢測結(jié)果與此不符，就需要調(diào)整參數(shù)，以得到準確的分析體系，同時還能準確判斷患者樣品的實際變異情況。

 

點突變細胞在分子診斷中的應(yīng)用

基因點突變通常指單個堿基的替換或插入缺失。隨著CRISPR-Cas9技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，不管是基于同源重組（HDR）或單堿基編輯系統(tǒng)的基因點突變修飾變得更加容易實現(xiàn)。全球有超過50000種人遺傳疾病，其中大部分是由基因組的點突變引起的。例如罕見病，點突變引起的占了50%。對于這些疾病的分子診斷就顯得更為重要。同樣的，這些基因點突變疾病的分子診斷也會面臨上述的問題：需確保分析體系的準確性。此時以點突變細胞作為分子檢測的標準品，便可以解決。

 

小結(jié)

隨著精準醫(yī)療的概念不斷深入人心，分子診斷越來越貼切我們的生活，同時由于技術(shù)的不斷發(fā)展，PCR、高通量測序等技術(shù)的靈敏度、精確性和成本都不斷再改善，促使分子診斷行業(yè)快速發(fā)展。但由于檢測系統(tǒng)存在不可消除的系統(tǒng)誤差或不確定因素，檢測結(jié)果可能出現(xiàn)假陽性或假陰性。那么設(shè)置分子診斷標準品，消除系統(tǒng)誤差則顯得十分重要。