NAS：半導體測序助力胎兒遺傳病檢測

1、半導體測序是采用半導體傳感器芯片，對DNA復制期間產(chǎn)生的氫離子進行實時的測定。近日來自中國廣州醫(yī)科大學等機構的科研人員報告了一種基于半導體的DNA測序平臺具有迅速、便攜且成本低等特點，可能有助于增加胎兒遺傳測試的速度并減少成本。日前，來自中國廣州醫(yī)科大學等機構的科研人員報告了一種基于半導體的DNA測序平臺可能有助于增加胎兒遺傳病檢測的速度并減少成本，研究報告被發(fā)表在5月5日的PNAS網(wǎng)絡先行版上。什么是基于半導體的DNA測序？半導體DNA測序平臺是使用半導體生物傳感器芯片，對DNA復制期間產(chǎn)生的氫離子進行實時測定。芯片上密布了數(shù)百萬個微孔，每個微孔都是單獨的反應器，包括一個待測序的DNA模板片

2、段（一種微流控芯片技術）。在加入一種dNTP后，如果加入的這種dNTP和模板中的引導核苷酸互補，就會形成互補鏈。在形成互補鏈過程中釋會放出一個氫離子（H），從而引起PH值的改變。通過實時測定PH值變化值逐步將遺傳信息（DNA）翻譯成DNA序列組合信息。胎兒遺傳病檢測發(fā)展：從熒光檢測到氫離子檢測過去對于有必要接受染色體異常檢查的孕婦，傳統(tǒng)診斷多采用羊膜穿刺或絨毛膜采樣的方法，大多在懷孕12周左右進行。這些介入性方法有兩大缺點：一是時間長，需要2周到3周才能出結(jié)果；二是穿刺針有不到1的幾率扎到胎兒，可能引發(fā)感染甚至流產(chǎn)。自從1977年第一代測序技術出現(xiàn)之后，經(jīng)過了30多年發(fā)展，第三代測序技術已經(jīng)初

3、露端倪，并向著更快、更準、更便宜的方向發(fā)展。目前稱得上第三代測序技術主要是Helicos公司的單分子測序技術、OxfordNanoporeTechnologies公司的納米孔單分子測序技術等。然而納米孔單分子測序技術因為測序量較低而不能用于孕婦的胎兒DNA產(chǎn)前檢測。與第二代測序技術相類似，基于半導體的DNA測序平臺也屬于一種無創(chuàng)檢測，其操作基本步驟與二代相似。當試劑通過繼承的流體通路進入芯片中，密布于芯片上的反應孔立即成為上百萬個微反應體系。這種獨特的流體體系、微體系機械設計和半導體技術的組合，使得研究人員能夠在兩個多小時內(nèi)獲取從10Mb到1Gb以上高精確度序列。只需抽取孕婦2毫升血樣，就能診

4、斷與染色體異常有關的先天缺陷，包括最常見的唐氏綜合征、導致形體和器官多種異常的愛德華氏綜合征等。這項研究的負責人、加州大學圣迭戈分校遺傳醫(yī)學研究所所長KangZhang說，這種高通量測序技術，能一次對幾十萬到幾百萬條DNA（脫氧核糖核酸）進行序列測定。可把診斷提前到懷孕第9周，4天便能出結(jié)果，準確率也非常高。半導體測序在產(chǎn)前檢測中的優(yōu)點：迅速、便捷、成本低近來基于大規(guī)模平行測序的方法已經(jīng)促進了迅速的、非侵入式的出生前遺傳測試，這種測試通過分析母親血漿中流動的無細胞DNA從而測試，被稱為非整倍性的染色體拷貝數(shù)的異常。這項研究中的基于半導體的實驗臺測序平臺，可在2-4個小時里每秒獲取50億個數(shù)據(jù)點

5、，因此也就增加了迅速、便攜而且具有成本效益的胎兒非整倍性產(chǎn)前診斷的效率。研究人員通過對515名孕婦測試診斷靈敏度和特異性從而驗證了這個測序平臺，這些孕婦來自中國的兩所醫(yī)院，此前通過核型分析獲得了她們的非整倍性數(shù)據(jù)。研究人員報告稱，這個平臺發(fā)現(xiàn)了全部55例唐氏綜合征、16例愛德華綜合征、3例Patau綜合征它們的特點都是有額外的染色體拷貝而特異性和靈敏度在99%到100%之間。此外，這種方法幫助識別出了15名性染色體非整倍性的胎兒。之后，研究人員將這一平臺應用到了1760名沒有核型分析數(shù)據(jù)的孕婦身上，結(jié)果檢測到了15例唐氏綜合征、愛德華綜合征或Patau綜合征，以及1例X染色體非整倍性。為什么半

6、導體測序檢測DNA序列速度更快？第二代測序（Illumina/SolexaGenomeAnalyzer測序）的基本原理是邊合成邊測序。采用不同顏色的熒光標記四種不同的dNTP，當DNA聚合酶合成互補鏈時，每添加一種dNTP就會釋放出不同的熒光，根據(jù)捕捉的熒光信號并經(jīng)過特定的計算機軟件處理，從而獲得待測DNA的序列信息。測序過程包括：測序文庫的構建、錨定橋接、預擴增、單堿基延伸測序和數(shù)據(jù)分析5個步驟。其不足是讀長會受到多個引起信號衰減的因素所影響，如熒光標記的不完全切割。由于DNA合成過程中釋放氫離子引起的pH值變化，半導體傳感器芯片就是對DNA復制期間產(chǎn)生的氫離子進行實時的測定，不需要修飾核苷酸，也不需要激光器或光學檢測設備，因此速度較快。該項研究課題組KangZhang等人員表示，隨著大齡母親越來越多，新生兒出生缺陷幾率呈上升趨勢。基于半導體的實驗臺