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近年來，分子診斷領(lǐng)域的發(fā)展遇到的契機(jī)，加之相關(guān)政策的制定與傾斜，更使其蓬勃發(fā)展。分子診斷以其快速、靈敏、的特點(diǎn)在疾病發(fā)生、發(fā)展、預(yù)后等各個階段均可發(fā)揮一定的作用而使其在醫(yī)療行業(yè)中得到了較廣泛的認(rèn)可。
一
分子診斷及分子診斷自動化概述
分子診斷是應(yīng)用分子生物學(xué)的技術(shù)和方法獲得人體生物大分子及其體系存在結(jié)構(gòu)或表達(dá)調(diào)控的變化水平，為疾病的防治、預(yù)測、診斷、治療和預(yù)后判斷提供信息和決策依據(jù)的新興的檢驗醫(yī)學(xué)分支學(xué)科[1，2，3]。
自20世紀(jì)70年代起，分子診斷領(lǐng)域的研究異軍突起、方興未艾，迅速成為體外診斷重要的領(lǐng)域之一，是體外診斷領(lǐng)域中技術(shù)要求高、發(fā)展快、富有挑戰(zhàn)性的一個分支[4]。分子診斷的發(fā)展史可分四大階段：1978年，簡悅威等應(yīng)用液相DNA分子雜交成功地進(jìn)行了鐮形細(xì)胞貧血癥基因診斷，標(biāo)志著分子診斷的誕生；到1985年，Kary Mullis博士發(fā)明PCR技術(shù)，標(biāo)志著分子診斷進(jìn)入了第二階段；1992年，美國Affymetrix公司制造出張基因芯片，標(biāo)志著分子診斷進(jìn)入生物芯片階段；2005年，454 Life sciences公司推出基于焦磷酸測序法的測序系統(tǒng)，開創(chuàng)了第二代測序技術(shù)的先河，分子診斷進(jìn)入檢測的高通量時代，應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展。
國內(nèi)分子診斷技術(shù)的發(fā)展歷史依然遵循著世界分子診斷發(fā)展的大方向，大致分為以PCR技術(shù)為基礎(chǔ)的萌芽階段，以實(shí)時熒光定量PCR技術(shù)、芯片技術(shù)為基礎(chǔ)的發(fā)展階段，以及以高通量測序、微滴式數(shù)字PCR和液體活檢等技術(shù)為基礎(chǔ)的黃金時代三個階段[5]。常規(guī)體液標(biāo)本逐漸被賦予新的內(nèi)容，循環(huán)腫瘤細(xì)胞(circulating tumorcell，CTC)、循環(huán)腫瘤DNA(circulatingtumor DNA，ctDNA)、外泌體(exosome)等遺傳信息載體的發(fā)展日新月異，令人充滿無盡的遐想[6]。
分子診斷自動化即全自動化集成式的分子診斷系統(tǒng)，主要包括樣本采集、樣品處理(細(xì)胞濃縮、細(xì)胞破碎)、核酸提取(DNA/RNA分離等)、基因擴(kuò)增、產(chǎn)物檢測(實(shí)時熒光定量、核酸雜交等)等檢測過程。由于分子診斷中樣本預(yù)處理過程復(fù)雜，常需的溫控系統(tǒng)，手工較難實(shí)現(xiàn)，分子診斷自動化系統(tǒng)便應(yīng)運(yùn)而生。其以通量大，重復(fù)性好、、封閉體系防污染、可實(shí)現(xiàn)的溫控及復(fù)雜的預(yù)處理過程，對實(shí)驗場地要求不苛刻等優(yōu)勢而備受關(guān)注。
二
分子診斷自動化系統(tǒng)的基本組成
及其應(yīng)用現(xiàn)狀
1．分子診斷自動化系統(tǒng)的基本組成：
依據(jù)功能分為3部分：樣本前處理系統(tǒng)、檢測處理系統(tǒng)和分析處理系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)由相應(yīng)的軟件和硬件緊密結(jié)合而成。系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括：樣本提取和處理技術(shù)、目的分子的獲取與放大技術(shù)、信號檢測技術(shù)和數(shù)據(jù)分析與人工智能輔助診斷技術(shù)。
分子診斷自動化的發(fā)展程度與儀器實(shí)現(xiàn)自動化檢測過程覆蓋的范圍密切相關(guān)，若將樣本前處理自動化系統(tǒng)稱之為分子診斷自動化的1.0時代，那么樣本提取檢測一體化系統(tǒng)可以稱之為分子診斷自動化的2.0時代，樣本提取檢測分析一體化系統(tǒng)可以稱之為分子診斷自動化的3.0時代，期望可以實(shí)現(xiàn)分析全過程的自動化處理，此外還可以利用人工智能實(shí)現(xiàn)報告綜合分析自動審核、輔助診斷、個體化診療方案及預(yù)后提示、自助進(jìn)行臨床大數(shù)據(jù)分析及疾病建模研究，我們姑且稱之為分子診斷自動化的MAX時代。
2．核酸提取的應(yīng)用現(xiàn)狀：
分子診斷研究的靶樣本種類繁多，包括核酸、蛋白質(zhì)、外泌體、細(xì)胞、組織等，臨床分子診斷現(xiàn)階段的研究對象集中于核酸。核酸提取技術(shù)是其涉及的關(guān)鍵技術(shù)之一，除包括常規(guī)DNA、RNA提取外還包括：ctDNA、血液游離DNA(cell-free fetal DNA，cfDNA)、微小RNA(micro RNA，miRNA)等特殊靶樣本的提取。從樣品中提取核酸的方法有很多種，其中，磁珠分離法是目前應(yīng)用廣、運(yùn)用于自動化處理系統(tǒng)中為成熟的一種方法[7]。
由于ctDNA、cfDNA在外周血中含量極低，因此對于提取、檢測技術(shù)有很高的要求。目前ctDNA、cfDNA的檢測主要包括分離富集和檢測。富集方法包括梯度密度離心法、過濾法和磁珠法(常用)，檢測方法包括免疫學(xué)相關(guān)技術(shù)、反轉(zhuǎn)錄聚合酶連鎖反應(yīng)技術(shù)、酶聯(lián)免疫斑點(diǎn)技術(shù)以及芯片技術(shù)。分離提取miRNA的主要方法有：差速離心法、超濾法和免疫親和層析法，各有優(yōu)缺點(diǎn)，采用多種方法聯(lián)合應(yīng)用分離提取miRNA，可提高產(chǎn)物純度，穩(wěn)定生物活性。
3．國內(nèi)外分子診斷自動化系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀：
1980年世界上臺臨床自動化樣本處理裝置的投入使用，標(biāo)志著臨床實(shí)驗室正式步入自動化時代。隨著時間的積累和技術(shù)的滲透，臨床分子診斷自動化拉開序幕。目前已面世且獲得CFDA及FDA認(rèn)證的各平臺中，樣本提取檢測一體化平臺僅有羅氏公司推出的cobas？ AmpliPrep/cobas？ TaqMan？ with Docking及cobas？ s201全自動核酸血液篩查系統(tǒng)兩款產(chǎn)品，基本實(shí)現(xiàn)了"樣本進(jìn)、結(jié)果出"的效果，因為實(shí)驗全程操作標(biāo)準(zhǔn)化、空間封閉，故可以做到低污染、率、高重復(fù)性，但平臺兼容性和可擴(kuò)展程度較低，檢測項目有限。
國內(nèi)分子診斷自動化產(chǎn)品的開發(fā)起步相對較晚，目前還沒有國內(nèi)公司推出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的樣本提取檢測一體化產(chǎn)品。國內(nèi)分子診斷設(shè)備公司為尋求自身發(fā)展，但苦于資金和技術(shù)等方面的限制，大多選擇和國外技術(shù)公司合作，以期在國內(nèi)迅速占領(lǐng)市場。博奧生物等公司先后推出過自動移液工作站、核酸提取儀、PCR儀等臨床分子診斷類產(chǎn)品，一定程度上*，但自主知識產(chǎn)權(quán)或技術(shù)含量不高、功能單一、*低是不爭的事實(shí)，需要再接再厲。
三
分子診斷自動化主要技術(shù)參數(shù)
絕大部分公司推出的分子診斷自動化產(chǎn)品均主要集中于樣本前處理階段，就目前階段而言，無論是國內(nèi)還是國外發(fā)達(dá)國家，分子診斷自動化仍然處于1.0時代，故以下我們將集中闡述樣本前處理自動化系統(tǒng)的技術(shù)特征。
樣本前處理系統(tǒng)依據(jù)其功能的豐富程度又包括自動移液工作站和自動核酸提取儀兩類平臺。自動化移液工作站是一種全自動、高精度移液系統(tǒng)。專門用于小體積的PCR/qPCR體系配置，能夠*替代手工，保證了配置實(shí)驗擴(kuò)增體系的正確性，精密度以及重復(fù)性，但是因為功能單一，臨床及科研應(yīng)用有局限。自動核酸提取儀是集成了自動移液工作站和標(biāo)準(zhǔn)耗材，在儀器預(yù)設(shè)程序控制下進(jìn)行核酸分離的儀器，這一類自動化系統(tǒng)在科研和臨床中應(yīng)用為廣泛。
四
分子診斷自動化的展望
1．人工智能：
近十年興起的微陣列芯片和二代測序等代表性技術(shù)，已經(jīng)成為一種重要的分子診斷工具，為這些代表性技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展提供強(qiáng)大支撐的學(xué)科就是人工智能。人工智能對分子診斷領(lǐng)域發(fā)展的具體影響已經(jīng)或?qū)w現(xiàn)在以下幾個方面：(1)快速篩選相關(guān)疾病更加有效的診斷靶點(diǎn)；(2)使分子診斷結(jié)果更加、快速、準(zhǔn)確和可視化；(3)優(yōu)化計算方法，提高測試重復(fù)性和精密度；(4)大數(shù)據(jù)與分子診斷預(yù)測；(5)模型重建與結(jié)果的深度解讀和挖掘等[8]。
2．POCT：
分子診斷自動化行業(yè)呈現(xiàn)出"戰(zhàn)國爭霸"的局面，但POCT的分子診斷繼承了自動化系統(tǒng)優(yōu)勢的同時，解決體積大、流程繁雜的缺點(diǎn)，(1)個體化、快速化、樣本少量化、裝備一體化、床旁化、設(shè)備小型化、手機(jī)化、app軟件化特點(diǎn)的POCT式分子診斷是大勢所趨；(2)芯片技術(shù)在POCT上的應(yīng)用使POCT式的分子診斷臨床*性突出，領(lǐng)域越來越寬；(3)國家政策支持：科技部、衛(wèi)生部制定的專項規(guī)劃中均明確提出"積極發(fā)展現(xiàn)場快速檢測儀器(POCT)等新產(chǎn)品"；(4)POCT市場規(guī)模不斷擴(kuò)大且保持30%的高速增長，預(yù)計到2020年產(chǎn)業(yè)規(guī)?？蛇_(dá)1200億元，將進(jìn)一步催化POCT與分子診斷的整合。
3．醫(yī)療：
談醫(yī)療離不開診斷，分子診斷是實(shí)現(xiàn)診斷的重要方法和途徑。醫(yī)療為分子診斷及分子診斷自動化帶來的機(jī)遇主要體現(xiàn)在以下方面：(1)我國醫(yī)學(xué)研究計劃的實(shí)施為該領(lǐng)域配套研究提供了政策支持；(2)分子診斷自動化是一個涉及多專業(yè)多行業(yè)的復(fù)合型應(yīng)用平臺，巨額資金的投入為相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的快速發(fā)展提供了有力保障。
4．行業(yè)技術(shù)水平：
技術(shù)層面的發(fā)展將呈現(xiàn)出"統(tǒng)一化""集成化""微型化"的態(tài)勢。"統(tǒng)一化"指的是從行業(yè)層面制定規(guī)范、統(tǒng)一、適宜的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。CLSI已經(jīng)開始致力于制定分子診斷自動化設(shè)備的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。"集成化"和"微型化"是利用微電子、微流控等新興技術(shù)達(dá)到使系統(tǒng)空間上縮小集成，功能上放大可擴(kuò)展的效果，多學(xué)科交叉、高含金量技術(shù)疊加是必然趨勢[9]。
5．行業(yè)管理水平：
管理層面所面臨的問題主要在于管理體系的制定、完善和實(shí)施，完善體系，分子診斷蓄勢待發(fā)。隨著國家政策的不斷完善、衛(wèi)生監(jiān)督部門對分子診斷重要性認(rèn)識的不斷深入，管理水平的提升也會使分子診斷自動化在未來出現(xiàn)革命性的進(jìn)步。當(dāng)前發(fā)展階段解決問題的關(guān)鍵是在規(guī)范各項規(guī)章制度的前提下，建立國家和區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)化分子診斷實(shí)驗室和標(biāo)準(zhǔn)化自動化操作程序(包括分析前、分析中、分析后)，盡早制定出一個符合中國國情的分子診斷自動化監(jiān)管體系[10，11]，使我國分子診斷事業(yè)朝著健康有序的方向發(fā)展，更好地為臨床患者提供高質(zhì)量的分子檢測服務(wù)。(生物谷）
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