Science:基因芯片正走向臨床

　　“現在差不多有上百例的癥狀具有可以與特定表型相關聯的染色體重組。”牛津基因科技公司(Oxford Gene Techonology，英國牛津)臨床和基因組對策中心副總裁James Clough指出，“取決于受測群體，傳統顯微鏡核型檢測法診斷率為5~8%，而基因芯片的診斷率則是18~25%，而且芯片的分辨率遠高于傳統方法。”

　　但他接著說：“這里面的挑戰在于如何分辨出一個小的偏差是致病的還是非致病的，或者是未知顯著性的變異。”

　　為了幫助研究者更好的判別，牛津基因科技公司提供了一系列的基因芯片，例如：CytoSure ISCA 芯片能夠觀測到與已知癥狀有關的遺傳缺陷，像Prader Willi綜合征和Williams-Beuren綜合征等。

　　PerkinElmer公司(沃爾瑟姆市，馬薩諸塞州)研制的芯片能夠檢測染色體中與疾病相關的結構變化。例如，這家公司利用OncoChip產品，提供了腫瘤樣品的基因組檢測方案。

　　“這是一個高密度的全基因組芯片，靶定了超過1800個癌癥基因和臨床相關的平衡易位。”PerkinElmer 市場單元負責人Christopher Williams指出。這一芯片能夠揭示目標區域低至1萬個堿基長度的拷貝數目變異。

　　此外，來自昂飛公司的CytoScan HD細胞遺傳學解決方案提供了囊括拷貝數目變異和單核苷酸多態性(single nucleotide polymorphisms, SNP)的探針。其中拷貝數目變異探針能夠揭示臨床應考慮的染色體變化，而SNP探針則能幫助研究者評估確切變異的更多細節，特別是單個核苷酸水平的變化。

　　“這是市面上密度最高的基因芯片。”Last表示，“它用在細胞遺傳學的經典觀念中，(去檢測)可遺傳的紊亂，并逐漸用于腫瘤的增長性，特別是血液系統惡性腫瘤。”

　　這一芯片可以揭示出染色體片段中小至25000個核苷酸的拷貝數目變異。目前來說，盡管還只是專用于研究的工具，但昂飛公司已經開始開展臨床測試，以檢測這一平臺的體外診斷能力。

　　安捷倫公司(Agilent，加州圣克拉拉市)也研制了用于檢測拷貝數目變異的基因芯片，譬如CGH(比較基因組雜交)加SNP芯片。

　　“我們的文庫中已經定制了超過2800萬個探針，用戶甚至可以上傳他們自己的探針序列。”安捷倫公司細胞遺傳學產品經理Patricia Barco介紹。舉例來說，在一個外顯子內，這些芯片能夠檢測DNA片段中小至100個堿基對的拷貝數目變異。Barco指出：“這些可以用于產前產后的研究和癌癥研究。”

　　據安捷倫公司臨床軟件部產品經理Anniek De Witte介紹，其中最流行的格式包含了18萬個探針，分別分至四個樣品。她認為：“這是樣本數目和分辨率的最優平衡。”

　　此外，安捷倫的CytoGenomics 2.5軟件通過將這些芯片產生的結果與外源或內源數據庫進行比較，來區分普通的變異和會造成臨床狀況的變異。

　　創建定制工具

　　為了將基因芯片應用于臨床診療，醫生們需要那些經過認可的工具。Pathwork診斷公司(加州雷德伍德市)的Pathwork組織起源檢測中使用的經FDA認證的診斷工具，是利用昂飛芯片去判定病人癌癥起始的組織類型，如乳腺或結腸。

　　Pathwork 診斷公司產品研發和臨床事務部高級主任Raji Pillai說：“這項檢測利用福爾馬林固定并石蠟包埋(formalin-fixed, paraffin-embedded, FFPE)的病人腫瘤組織和2000個轉錄標記，來提供一個腫瘤基因表達模式的報告。利用數千份不同的腫瘤樣本和ZL化的計算機算法，Pathwork診斷公司的科研人員已經鑒定出能夠用于分辨15種腫瘤的2000余個基因。

　　當某個病理學家收到一個很難在表型上鑒定的癌癥樣本，他們可以將其送到Pathwork診斷公司。

　　“在四到五天時間內，我們就能報告出經過實驗室病理學家解析的結果。”該公司首席商務官David Craford表示。此外公司的病理專家也將會再次審閱這些結果以做出關于這項診斷的最真實的闡述。

　　該公司希望今后能夠繼續研發基因芯片檢測技術，不僅能夠獲知腫瘤組織的來源，而且能夠分辨出腫瘤亞型。這種高級檢測甚至能夠“提供信息，反映(病人)對某種特定治療方案可預測的反應”。

　　除了可以用于研究個體的遺傳特征外，基因芯片還可以用于探索不同群體和培養物間的遺傳差異。例如，加州圣地亞哥Illumina公司拓展經理 Jennifer Stone說：“我們研發出了名為Infinium HumanCore BeadChip的基因芯片家族，能夠提供群體水平或生物樣本庫研究的解決方案。”相關研究會涉及到數十萬的樣品。“這些遺傳學研究達到了空前的規模。”Stone指出。這些基因芯片能夠容納大量的樣本，讓科研人員可以實現強大的統計分析，這些分析能夠揭示健康和疾病群體間遺傳變異分布的差異。

　　HumanCore 基因芯片提供了一個超過30萬個SNP探針的標準組，涵蓋了整個基因組，也包括了一些額外的探針，專門聚焦于“群體中的存在并導致基因功能缺失的變異”的探針，Stone解釋說。這類新的基因芯片也能夠定制，這樣一來，科研人員就能夠研究源于他們自己進行的實驗或公共數據庫中存在的變異。

　　為了探索整個群體的遺傳變異，研究者需要一組多變的基因芯片。因此，HumanCore家族出現了第二個成員，這個名為Infinium HumanCoreExome BeadChip的產品涵蓋了超過30萬個SNP探針組，并附加了24萬個特別針對外顯子組的標記。利用這些組合標記，科學家可以比較樣品間的單核苷酸變異，并且能夠由基于外顯子組的標記潛在地判別它們如何影響蛋白的產生。

　　隨著這些公司開始越來越多地創制定制化工具，用什么來構成一個基因芯片這樣一種概念也開始演化。傳統上認為，基因芯片僅僅包含關聯在固體表面的核苷酸，但關于這一主題上的變化也存在。

　　例如，美國生命技術公司(Life Technologies，加州卡爾斯巴德市)研發出了TaqMan OpenArray 實時定量PCR平板，包含3072個小孔。

　　“這一芯片可以被制成一個包含八百萬個TaqMan芯片的大矩陣。”生命技術公司市場拓展經理Jami Elliott說。使用TaqMan探針的實時定量PCR芯片(因這些芯片依賴于Taq多聚合酶而定名)可以用來檢測基因的表達，鑒定生物標記以及其他方面的應用。

　　如果八百萬的選擇范圍仍然不夠，生命技術公司的商業拓展部遺傳分析單元主任Joshua Trotta說，“我們能夠專門定制設計一個。”

　　現實的數據窘境

　　不僅僅制作基因芯片，表達分析公司(Expression Analysis，北卡羅萊納州達勒姆)還利用芯片為客戶實施范圍更廣的研究，如基因表達模式等。為了做到這些，表達分析公司利用了多家供應商的生物芯片產品，包括昂飛、Illumina和位于加州三藩市的Fluidigm公司。

　　據表達分析公司研發部副總裁Pat Hurban介紹，“基因芯片作為一項技術已經十分成熟，但當與數據打交道時仍然存在許多挑戰，特別是當你想要深入到某些生物學問題中時。”

　　他還說：“一方面需要對數據進行統計處理，而另一方面又需要理解相關的途徑并轉化到生物學中去。”這家公司運用獲得ZL的工具集去為這種知識鴻溝架設橋梁。

　　事實上，Hurban建議科研人員在將最好的技術用于項目進展前，應該進行再次評估。“你們必須對基因芯片存在的技術缺陷保持警惕。”他表示。例如，他指出基因芯片是極好的發現工具，“用基因芯片去鑒定特定的基因并不罕見，”Hurban說。“當進入轉化研究領域時，問題就出現了：當越來越接近臨床時，是繼續利用基因芯片平臺還是轉化到更合適、更強大的技術上去，例如，(定量的)PCR或測序。”

　　在近期的一項研究項目中，表達分析公司與一名客戶進行了研究合作，這位客戶具有Hurban描述的“在一定的指示區域內能夠作為診斷工具，初步的基因特征模塊”。

　　表達分析公司的研究人員研究了送來的病人樣本，并將這些基因特征標記在基因芯片上。“我們證實了這一模塊的有效性。”Hurban說，“項目發起人希望最終能將這些特征標記轉化為一種診斷法，他們開始關注基因芯片的結果，因為精確性的確具有一定的挑戰。”

　　因此，客戶最終使用基于PCR的平臺作為最終的診斷法。Hurban說，結果就是，“你會在某些程度上用到基因芯片，然后轉向其他技術。”

　　明日之工具

　　測序技術的最新進展使得眾多專家開始預測基因芯片的消亡。例如，位于加州Aliso Viejo鎮的Ambry Genetics公司轉化醫學部主任 Elizabeth Chao說：“表達芯片我已經用了14年，它是一個不可多得的工具，但是在研究和轉化中，RNA測序技術正在開始取代基因芯片的位置。”她還認為，“盡管測序技術目前還沒有在臨床中取代基因芯片，但說不定很快就會取代它。”

　　測序所產生的數據既是有益的，又充滿挑戰。“測序能在短時間內提供巨大的數據量，但解析這么多的數據會比較困難。”不過Chao對數據解析能力的飛速發展充滿了信心，她說：“生物信息學已經迎頭趕上，新方法的拓展讓序列可以在整個基因組中縱橫。”

　　為了趕上技術的改變，一些公司開始提供服務，教授、科研人員使用不斷增長的數據量。例如，PerkinElmer研究和應用部高級負責人Todd Smith指出，“我們可以幫助人們從基因芯片過渡到DNA測序中去。”這可以包括處理大量數據的分析技術。按照Smith和他的同事們的說法，這些技術可能會相互補充。

　　“基因芯片可能在某些應用中表現的最好，而另一些則是測序更好。”Williams說，“也會有一些領域，測序技術發揮的作用不大，但基因芯片卻可以。”例如，Williams透露他們準備開展一項涉及160個樣品的研究，必須在一周左右的時間內處理完成的。

　　“如果我們想要通過測序來處理這個項目，并按時將它們轉化成有意義的數據，那是根本行不通的。”他說。同時，Smith認為在查找基因組中的結構變異時，基因芯片的功效也優于測序。

　　盡管專家們有著不同的意見，但他們在基因芯片的未來預測上基本達成共識：基因芯片將會繼續服務于基礎研究，并提供基因組學相關的臨床工具。最終，基因芯片將會在其功效發揮最出眾的領域繼續前進。