用于单基因病无创诊断的游离DNA单分子标签检测技术:β-地中海贫血的应用评价

无创产前检测(NIPT)近几年已经成为临床上染色体非整倍体筛查的常规手段,但是单基因遗传病的无创产前诊断在临床实践中还存在一系列挑战。区别于NIPT检测染色体的非整倍体变异,单基因遗传病的基因突变更具复杂性,致病突变类型包含碱基变异(SNV)、小的插入-缺失(indel)及拷贝数变异(CNV)等,突变由父母遗传给胎儿。孕妇外周血中既含母体血浆DNA,又有胎儿DNA,大量母体DNA的干扰和胎儿DNA含量的个体差异(从3%-20%不等),这些都会给无创单基因遗传病的诊断带来困难。目前针对无创单基因疾病检测的研究,在展示其临床检测的技术可行性和应用潜力的同时,还存在较大的局限性。例如,多数方案都是针对某一些位点定制的有限检测,检测流程复杂、周期长和方法缺乏普适性,且一般都需要先证者加上父母的基因型甚至单倍体型。

为了克服这些缺点,南方医科大学徐湘民教授团队联合湖南省基因信息大数据应用技术工程研究中心(依托单位:人和未来生物科技有限公司)宋卓博士团队开发了一种基于新一代测序(NGS)的血浆游离DNA等位基因分子计数系统,即游离DNA单分子标签检测技术(简称cfBEST),首次实现了在不需要父源基因型信息的情况下,利用孕妇外周血即可同时精准鉴定母亲和胎儿基因型的检测目标。

该方法利用7个碱基对的简并序列单分子标签技术构建预文库,将预文库分为上下游两部分,利用半锚定巢式PCR实现血浆游离DNA中目标位点的富集,并采用优化的靶引物设计和信息分析去除非靶位点的“噪音”序列分子对真实靶分子的影响,从而实现游离DNA中等位基因分子数的精确定量。该方法通过独特的扩增和去噪大幅度提高了原始血浆DNA分子的利用率,该技术可检测出cfDNA中0.05%的低丰度突变,其精准度与ddPCR检测水平相当。

为了验证cfBEST技术在无创单基因疾病检测中的有效性,研究团队以β-地中海贫血为对象,以传统分子诊断方法为参照,采用盲法分析对143例β-地中海贫血高风险妊娠孕妇进行基因型检测。结果显示,检测胎儿等位基因的敏感性为99.2%,特异性为99.9%。研究表明cfBEST技术可以通过精确计量等位基因分子数来实现对母胎外周血cfDNA中母胎基因型组合的检测。在技术体系建立和β-地中海贫血样本的应用评价的基础上,提出了研发这一技术的通用解决方案和关键指标,如一套用于胎儿DNA准确定量的SNPs设计,人外周血gDNA片段用作体系定量参考品的制备,去除“噪音”序列的分析手段,最低胚胎DNA含量为5%,模板起始量为10ng,以及1000X检测深度。

在该项研究中,基于cfBEST技术进行的β-地中海贫血检测,实现了在不需要父源基因型的情况下,仅用孕妇的外周血即可同时精准鉴定母亲和胎儿基因型的目标;该技术具备无创、精准、便捷等技术优势,无需羊水穿刺等侵入性取样技术,可避免因为常规有创采样给孕妇造成的心理压力。β-地中海贫血是常染色体隐性遗传病的重要代表性疾病,本项研究的意义在于,针对β-地中海贫血点突变的技术方案展示了其扩展到更多单基因疾病应用,及开发无创产前检测技术产品的可能。论文还讨论了进一步发展针对导致a-地中海贫血大片段缺失等拷贝数变异的技术方案,在完善和提高技术性能的基础上,这一技术有望成为未来应用于单基因病无创诊断的可选择的通用检测手段之一。

该研究以”A Cell-free DNA Barcode-Enabled Single Molecule Test for Noninvasive Prenatal Diagnosis of Monogenic Disorders: Application to β‐Thalassemia”为题,发表在Advanced Science(DOI: 10.1002/advs.201802332)上。第一作者为南方医科大学杨兴坤博士生和暨南大学的周庆华博士,人和未来的宋卓博士和南方医科大学的徐湘民教授为该论文通讯作者。参与该项研究的合作单位还有南方医科大学附属南方医院及附属佛山妇幼保健院、广西壮族自治区妇幼保健院、钦州市妇幼保健院、耶鲁大学遗传系等机构。