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GEN：納米孔測(cè)序——傳染病診斷的新“前鋒”

發(fā)布時(shí)間：

2015-05-07

假設(shè)你是Doctors?Without?Borders組織中在西非工作的一名醫(yī)生，一個(gè)發(fā)熱、頭疼、疲勞的小孩被帶進(jìn)你的診所。根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和季節(jié)，最可能被診斷出的就是瘧疾或埃博拉。然而，這兩種疾病都不能給病人一個(gè)積極的預(yù)后。埃博拉病毒能夠快速傳播給其他人，需要將患者盡快隔離。???????這種情況下，確診時(shí)間和準(zhǔn)確性都非常重要。因?yàn)榘２├腥镜目只疟燃膊”旧韨鞑サ倪€要快。如果你的預(yù)后錯(cuò)誤，那么任何埃博拉療法都將是完全無(wú)效的。這些焦灼的場(chǎng)景很多醫(yī)生每天都需要面對(duì)，不僅僅在不發(fā)達(dá)的地區(qū)。???????傳染病很容易通過(guò)醫(yī)院、學(xué)校、交通等途徑傳播。雖然我們目前的檢測(cè)系統(tǒng)能夠相對(duì)有效的隔離和識(shí)別這些惡性的微生物，但在診斷儀器領(lǐng)域永遠(yuǎn)歡迎更快、更強(qiáng)的伙伴加入。這些新成員不僅擁有及時(shí)鑒別傳染病爆發(fā)病因的能力，還可以鑒別出病源的物種、耐藥性以及相關(guān)的基因異常。這些信息對(duì)臨床醫(yī)生以及公共衛(wèi)生工作者都十分寶貴。???????像PCR、ELISA分析這樣的技術(shù)能夠?yàn)閭魅静〉谋l(fā)提供準(zhǔn)確的臨床評(píng)估，但很多需要幾天的時(shí)間。雖然下一代測(cè)序（NGS）平臺(tái)的出現(xiàn)填補(bǔ)了以上技術(shù)在診斷測(cè)試領(lǐng)域的空白，但NGS平臺(tái)在提供大量與傳染病相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，不僅需要面對(duì)大多數(shù)檢測(cè)都有時(shí)間問(wèn)題，還要解決購(gòu)買(mǎi)和操作儀器高昂的費(fèi)用的難題。???????那么，問(wèn)題來(lái)了。有沒(méi)有一種技術(shù)，既能提供與傳染病源相關(guān)的大量數(shù)據(jù)，又能及時(shí)操作。答案是肯定的，這種創(chuàng)新技術(shù)叫做納米孔測(cè)序。???????納米孔測(cè)序曲折發(fā)展之路???????納米孔測(cè)序是一種相對(duì)簡(jiǎn)單但先進(jìn)的技術(shù)，能夠閱讀天然DNA很長(zhǎng)的片段。近年來(lái)，該技術(shù)逐漸走進(jìn)大眾的視線，很大程度上要?dú)w功于英國(guó)公司Oxford?Nanopore?Technologies的測(cè)序儀MinION。???????MinION只有4英寸長(zhǎng)，普通U盤(pán)大小，由一個(gè)傳感器芯片，專(zhuān)用集成電路和一個(gè)完整的單分子感應(yīng)測(cè)試所需的流控系統(tǒng)構(gòu)成；平均讀長(zhǎng)為80K?bp，并且具備很高的測(cè)序速度。但由于MinION通量低，該設(shè)備較適用于測(cè)序細(xì)菌和病毒的基因組，或簡(jiǎn)單的真核生物。事實(shí)上，盡管在過(guò)去的幾年中科學(xué)家和一些公司對(duì)納米孔測(cè)序技術(shù)的興趣迅速上升，但其實(shí)這并不是一個(gè)新的概念。早在1995年，哈佛和MIT的著名遺傳學(xué)家George?Church就提交了納米孔設(shè)備的最初專(zhuān)利。???????早期階段，納米孔技術(shù)并沒(méi)有被廣泛接受，許多科學(xué)家甚至認(rèn)為它不可能發(fā)展成一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)夢(mèng)想者們所期望功能的儀器。經(jīng)歷了許多失敗的嘗試后，包括加州大學(xué)的生物化學(xué)教授David?Deamer在內(nèi)的一些科學(xué)家能夠測(cè)定核苷酸穿過(guò)納米孔通道的電壓變化。???????在納米孔測(cè)序技術(shù)發(fā)展的路上，一直有很多懷疑者，他們認(rèn)為該技術(shù)的生物物理概念是錯(cuò)的。當(dāng)然，樂(lè)觀者們認(rèn)為這些問(wèn)題只是很難解決，但并不是不能解決。在這些夢(mèng)想家的共同努力，納米孔測(cè)序已經(jīng)從學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室中拼湊起來(lái)的設(shè)備轉(zhuǎn)變成了為更多人使用的有價(jià)值的技術(shù)平臺(tái)。???????傳染病前線的新力量???????現(xiàn)在，回到文章的開(kāi)頭，我們可以看到納米孔測(cè)序在西非快速運(yùn)作的場(chǎng)景。它不僅能夠迅速區(qū)分患者是否感染了埃博拉病毒，還能夠快速鑒定出病毒的來(lái)源。這正是今年4月，European?Mobile?Laboratory?Project（EMLP）和?NIH將納米孔測(cè)序帶到埃博拉疫情前線發(fā)生的故事。???????使用MinION測(cè)序儀，EMLP團(tuán)隊(duì)在48小時(shí)內(nèi)測(cè)定了14名患者感染的埃博拉病毒的基因組。這些研究結(jié)果幫助臨床醫(yī)生診斷埃博拉病人、快速確定感染源。AllSeq的CSO?Shawn?Baker博士說(shuō)：“納米孔測(cè)序儀有三大特性：速度、讀長(zhǎng)和可移動(dòng)性；這些特質(zhì)都非常適合傳染病市場(chǎng)。”???????從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，納米孔測(cè)序已經(jīng)能夠在傳染病一線為醫(yī)院人員提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。那么，納米孔測(cè)序是不是可以取代目前的NGS系統(tǒng)呢？答案是否定的。雖然現(xiàn)在納米孔測(cè)序已經(jīng)取得了一些積極的成果，但在應(yīng)用范圍和準(zhǔn)確率上還需要很大地改善。???????今年3月，Oxford?Nanopore?Technologies公司宣布，它重新開(kāi)放了MinION測(cè)序儀的早期試用計(jì)劃，希望吸納更多用戶(hù)來(lái)參與。

　　假設(shè)你是Doctors Without Borders組織中在西非工作的一名醫(yī)生，一個(gè)發(fā)熱、頭疼、疲勞的小孩被帶進(jìn)你的診所。根據(jù)當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境和季節(jié)，最可能被診斷出的就是瘧疾或埃博拉。然而，這兩種疾病都不能給病人一個(gè)積極的預(yù)后。埃博拉病毒能夠快速傳播給其他人，需要將患者盡快隔離。
        這種情況下，確診時(shí)間和準(zhǔn)確性都非常重要。因?yàn)榘２├腥镜目只疟燃膊”旧韨鞑サ倪€要快。如果你的預(yù)后錯(cuò)誤，那么任何埃博拉療法都將是完全無(wú)效的。這些焦灼的場(chǎng)景很多醫(yī)生每天都需要面對(duì)，不僅僅在不發(fā)達(dá)的地區(qū)。
        傳染病很容易通過(guò)醫(yī)院、學(xué)校、交通等途徑傳播。雖然我們目前的檢測(cè)系統(tǒng)能夠相對(duì)有效的隔離和識(shí)別這些惡性的微生物，但在診斷儀器領(lǐng)域永遠(yuǎn)歡迎更快、更強(qiáng)的伙伴加入。這些新成員不僅擁有及時(shí)鑒別傳染病爆發(fā)病因的能力，還可以鑒別出病源的物種、耐藥性以及相關(guān)的基因異常。這些信息對(duì)臨床醫(yī)生以及公共衛(wèi)生工作者都十分寶貴。
        像PCR、ELISA分析這樣的技術(shù)能夠?yàn)閭魅静〉谋l(fā)提供準(zhǔn)確的臨床評(píng)估，但很多需要幾天的時(shí)間。雖然下一代測(cè)序（NGS）平臺(tái)的出現(xiàn)填補(bǔ)了以上技術(shù)在診斷測(cè)試領(lǐng)域的空白，但NGS平臺(tái)在提供大量與傳染病相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，不僅需要面對(duì)大多數(shù)檢測(cè)都有時(shí)間問(wèn)題，還要解決購(gòu)買(mǎi)和操作儀器高昂的費(fèi)用的難題。
        那么，問(wèn)題來(lái)了。有沒(méi)有一種技術(shù)，既能提供與傳染病源相關(guān)的大量數(shù)據(jù)，又能及時(shí)操作。答案是肯定的，這種創(chuàng)新技術(shù)叫做納米孔測(cè)序。
        納米孔測(cè)序曲折發(fā)展之路
        納米孔測(cè)序是一種相對(duì)簡(jiǎn)單但先進(jìn)的技術(shù)，能夠閱讀天然DNA很長(zhǎng)的片段。近年來(lái)，該技術(shù)逐漸走進(jìn)大眾的視線，很大程度上要?dú)w功于英國(guó)公司Oxford Nanopore Technologies的測(cè)序儀MinION。
        MinION只有4英寸長(zhǎng)，普通U盤(pán)大小，由一個(gè)傳感器芯片，專(zhuān)用集成電路和一個(gè)完整的單分子感應(yīng)測(cè)試所需的流控系統(tǒng)構(gòu)成；平均讀長(zhǎng)為80K bp，并且具備很高的測(cè)序速度。但由于MinION通量低，該設(shè)備較適用于測(cè)序細(xì)菌和病毒的基因組，或簡(jiǎn)單的真核生物。
事實(shí)上，盡管在過(guò)去的幾年中科學(xué)家和一些公司對(duì)納米孔測(cè)序技術(shù)的興趣迅速上升，但其實(shí)這并不是一個(gè)新的概念。早在1995年，哈佛和MIT的著名遺傳學(xué)家George Church就提交了納米孔設(shè)備的最初專(zhuān)利。
        早期階段，納米孔技術(shù)并沒(méi)有被廣泛接受，許多科學(xué)家甚至認(rèn)為它不可能發(fā)展成一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)夢(mèng)想者們所期望功能的儀器。經(jīng)歷了許多失敗的嘗試后，包括加州大學(xué)的生物化學(xué)教授David Deamer在內(nèi)的一些科學(xué)家能夠測(cè)定核苷酸穿過(guò)納米孔通道的電壓變化。
        在納米孔測(cè)序技術(shù)發(fā)展的路上，一直有很多懷疑者，他們認(rèn)為該技術(shù)的生物物理概念是錯(cuò)的。當(dāng)然，樂(lè)觀者們認(rèn)為這些問(wèn)題只是很難解決，但并不是不能解決。在這些夢(mèng)想家的共同努力，納米孔測(cè)序已經(jīng)從學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室中拼湊起來(lái)的設(shè)備轉(zhuǎn)變成了為更多人使用的有價(jià)值的技術(shù)平臺(tái)。
        傳染病前線的新力量
        現(xiàn)在，回到文章的開(kāi)頭，我們可以看到納米孔測(cè)序在西非快速運(yùn)作的場(chǎng)景。它不僅能夠迅速區(qū)分患者是否感染了埃博拉病毒，還能夠快速鑒定出病毒的來(lái)源。這正是今年4月，European Mobile Laboratory Project（EMLP）和 NIH將納米孔測(cè)序帶到埃博拉疫情前線發(fā)生的故事。
        使用MinION測(cè)序儀，EMLP團(tuán)隊(duì)在48小時(shí)內(nèi)測(cè)定了14名患者感染的埃博拉病毒的基因組。這些研究結(jié)果幫助臨床醫(yī)生診斷埃博拉病人、快速確定感染源。AllSeq的CSO Shawn Baker博士說(shuō)：“納米孔測(cè)序儀有三大特性：速度、讀長(zhǎng)和可移動(dòng)性；這些特質(zhì)都非常適合傳染病市場(chǎng)。”
        從目前的應(yīng)用情況來(lái)看，納米孔測(cè)序已經(jīng)能夠在傳染病一線為醫(yī)院人員提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。那么，納米孔測(cè)序是不是可以取代目前的NGS系統(tǒng)呢？答案是否定的。雖然現(xiàn)在納米孔測(cè)序已經(jīng)取得了一些積極的成果，但在應(yīng)用范圍和準(zhǔn)確率上還需要很大地改善。