NIPT之父卢煜明教授：未来科学大奖背后的漫漫科研路

2017年1月15日，未来论坛2017年会暨首届未来科学大奖颁奖典礼在北京举行。香港中文大学医学院副院长、李嘉诚健康科学研究所所长及化学病理学系系主任卢煜明教授，因开创的无创DNA产前检测(NIPT)技术在人类重大出生缺陷防控领域的杰出贡献，获颁“2016年未来科学大奖-生命科学奖”并发表主题演讲，介绍了他在NIPT领域的多年历程及目前正在进行的研究。

NIPT作为一种安全、准确、快速检测胎儿重大遗传疾病的新型产前检测技术，可避免传统产前检测技术存在的弊端，目前已应用于全球90多个国家，使数百万孕妇受惠(仅在中国，每年就有一百多万孕妇接受NIPT)，大大减少了出生缺陷的发生。正如谢晓亮教授主持“未来科学大奖”颁奖典礼时所说，“我们并不是经常能看到这样最重大的科学发现最终能产生这么大的社会影响，在任何其它地方这都是不常见的”。的确，这一革命性技术的背后，是让人赞叹的永不言弃的研究过程中的不断思考与尝试。

从医者仁心到“八年抗战”科研路

NIPT的缘起，追溯到卢煜明教授尚在牛津大学读医科时对聚合酶链式反应(Polymerase Chain Reaction，PCR)技术的兴趣以及在妇产科实习过程中的察觉。孕妇如果想知道胎儿是否患有染色体疾病，最准确的方法就是做羊水穿刺，但该技术可能有0.5%的机会对胎儿造成伤害。“有没有可能用一些安全的方法，比如采用孕妇的血液检测胎儿是否正常?能否将PCR技术应用到产前检测?”这是卢煜明教授当时萌生的一个想法。“PCR的目标是胎儿DNA，胎儿DNA存在于胎儿细胞，问题是，孕妇血液中是否存在胎儿细胞?如何才能知道孕妇血液中的细胞是胎儿的，而不是母体自身的呢?”这些问题都是想法背后需要探索的。

灵感总是来自善于思考的人。有一次同学一起吃饭的时候，大家谈论将来要不要孩子，男孩还是女孩，一下子触动了卢教授，“如果胎儿是男性的话，可以在孕妇的血液中找到男性的细胞”。经过几个月的研究，发现孕妇血液中确实存在男性胎儿的细胞，而且研究结果很快发表，但是胎儿细胞的信号非常弱且不稳定，检测存在很多假阳性、假阴性。

为了解决这一问题，卢煜明教授在毕业后一年的实习期结束后，放弃了成为一名专职医生的机会，决定重返牛津读博士的同时继续NIPT的研究。卢教授没想到的是，实验过程并不是想像的那么简单，孕妇血液中的胎儿细胞数量非常少，做来做去，也没有找到一个很准确的方法。

拿到博士学位后，卢煜明教授进入医院做医生，必须要做一些临床的工作，很幸运的是在那个时候，英国的科研资助机构Wellcome Trust有一个新的Career Development，允许他一边做医生，一边做研究，但遗憾的是，直至1997年回香港前，也一直没有得到很好的结果。

从1989年在孕妇血浆中发现胎儿细胞到1997年，这一做就是八年，永不言弃是卢煜明教授的真实写照。

从煮公仔面到胎儿游离DNA的发现

1997年香港回归，卢煜明教授夫妇遂从英国回到香港，这次继续NIPT的研究，卢教授决定要找不同的方向。

命运巧合。1996年9月《Nature Medicine》发表的两篇文章报道了在癌症患者的血浆中检测到了肿瘤的DNA。这让卢煜明教授产生了一个大胆的想法，“胎儿在母体内生长，与肿瘤在癌症患者体内生长，是有相似性的，既然癌症患者的血浆中存在肿瘤的DNA，那么在孕妇的血浆中也应该存在胎儿的DNA”。如何将微量的胎儿DNA从母体血浆中提取出来，是卢教授接下来研究的重点。

当时卢煜明教授并没什么资金，只能用一些很便宜的方法。他在煮公仔面的时候，突然奇思妙想，“如果把孕妇血浆拿来煮会有什么变化”。后来他真的做了试验，结果在母体血浆中检测到了胎儿DNA。这一发现，让研究了八年胎儿细胞的他激动万分，“怎么都没想到，做了八年都没有结果，是因为一直在错误的地方寻找想要的东西”。

在母体血浆中检测到胎儿DNA只是研究的第一步，善于思考的卢煜明教授继续通过当时先进的实时定量荧光PCR(Rreal-time PCR)技术(据卢教授回忆，real-time PCR平台是他请示他在香港中文大学的第一个老板资助的)继续研究了孕妇血浆中胎儿游离DNA的含量、片段大小、半衰期等特点，并成功利用胎儿游离DNA解决了一些简单的临床问题，比如检测胎儿的性别(因为有些遗传病是跟性别有关的)、胎儿的血型等。

这一年，柳暗花明，煮公仔面煮出了名堂，篇名为“Presence of fetal DNA in maternal plasma and serum(母体血浆和血清中存在胎儿DNA)”的文章很快发表在《柳叶刀》上，成为NIPT历史上里程碑意义的重大发现。

从PCR技术的NIPT到高通量测序（NGS）技术的NIPT

如何利用孕妇血浆中的胎儿游离DNA检测唐氏综合征等染色体疾病，是卢煜明教授接下来一直思考及研究的重点。像胎儿性别、胎儿血型的检测，属于DNA的定性检测，也就是判断有或无，相对简单;而唐氏综合征的检测却是DNA的定量检测，也就是判断多或少，这是有一定难度的，因为孕妇血浆中大部分DNA是母体自身的。

那么，是否存在胎儿DNA独有的一些表观遗传学或RNA水平的生物学标记呢?经过研究，是存在一些这样的生物学标记，但是研究结果显示，通过检测这些生物学标记判断染色体疾病是不够准确的。那又是否存在一种不需要RNA等标记就可以检测唐氏综合征等的方法呢?卢教授提到，当时研究首先尝试数字PCR技术检测孕妇血浆中的总DNA并通过一定算法判断胎儿是否患有唐氏综合征，研究成果于2007年发表，但是数字PCR技术的准确性也不是很好，最好的方法应该是采用NGS技术。

幸运的是，无独有偶，时任亚太区测序部门总监的周代星博士也在思考，如何将NGS这样先进的技术应用于染色体疾病的检测。而他的动力，源自于陪太太产检后强烈的家庭责任感。据周代星博士回忆，“当时医生说我太太因为年龄原因属于唐氏筛查的高危人群，需要通过超声观察透明带厚度的方式来断定是否怀唐氏胎儿。经过咨询和反复研究，发现除了有创的羊水穿刺外，其他方法都有点不靠谱，原因在于这些方法都不看21号染色体的拷贝数。”从那时起，周博士毅然决定研发直接通过NGS技术检测染色体疾病。

2007年的5月，卢煜明教授与周代星博士一拍即合，开始了他们的第一次合作，2008年，卢教授与周博士合作完成了NIPT实验室的初步验证，在PNAS上发表了《Noninvasive prenatal diagnosis of fetal chromosomal aneuploidy by massively parallel genomic sequencing of DNA in maternal plasma 》，文章采用NGS技术对14例21-三体及14例正常样本测序，结果100%吻合。在全球范围内，这是NIPT在临床上的可行性与可信性首次在实验室的完美验证，百分之百的准确性开启了“NIPT时代”，卢煜明教授也因此被业内人士赞誉为“NIPT之父”。

基于NGS技术的NIPT，开启了产前检测的新时代，也开启了卢煜明教授与周代星博士的长期合作。2010年，周代星博士在中国大陆成立了贝瑞和康，将卢教授的这一伟大发现转化为简单易行的医学检测项目推向广大中国孕妇，也因此有了“中国无创检测第一人”的美誉。2014年，贝瑞和康又与卢煜明教授合作，在香港创办了“雅士能基因科技有限公司(Xcelom)”，为香港地区的孕妇提供NIPT服务，随后Xcelom获得香港中文大学NIPT专利权，最终实现了卢煜明教授最初踏上NIPT科研路的医者仁心。

从《哈利·波特》到胎儿全基因组图谱

基于胎儿游离DNA的NIPT检测已成功应用于临床检测，“接下来还有什么可以做?能否将整个胎儿的基因图谱做出来?”善于钻研，永不止步，就是对卢煜明教授的最好诠释。

人类基因图谱有60亿个密码，卢煜明教授刚开始并不知道怎么做。2009年夏的一天，卢教授为了散心，与太太一同走进影院观看最新上映的3D大片《哈利·波特与混血王子》。当片头中“Harry”的“H”从屏幕缓缓飘出时，像闪电似的一下子击中了卢教授。“H”，形似DNA双螺旋结构，让他想起一个众所周知却一直被忽视的点：孩子的遗传物质来自双方父母，因此可以用父母的基因组数据作为蓝本，将胎儿的DNA碎片连接起来。这一刹那的顿悟宛如夏夜惊雷，为胎儿全基因组图谱的绘制打开了一条全新的途径。

很快，2010年底，卢教授带领的团队与合作多年的美国科学家Charles Cantor一起，首次在孕妇外周血浆中获得了胎儿的全基因组图谱。

从唐氏综合征等到更多疾病的产前检测

卢煜明教授介绍，他带领的研究团队，40%的时间做NIPT研究，40%做癌症基因诊断研究，20%做其他疾病的研究。

在NIPT领域，除了检测唐氏综合征等染色体非整倍体疾病外，目前已实现了染色体微缺失微重复的检测。2015年，在传统NIPT基础上，Xcelom公司在贝瑞和康提供的技术支持下在香港推出NIPT-Plus，即升级版NIPT，一次报告14种重大染色体疾病，胎儿游离DNA划时代的科学发现在临床应用上又得到进一步延展。

除此之外，卢煜明教授还做了无创产前单基因病检测的深入研究。目前已开发无需已知单基因病家族史即可进行无创产前单基因病的检测。该方法应用10X Genomics的Linked Read技术对父母双方基因组单倍型分型并对单基因病突变位点附近有效SNP进行区分，之后通过对母亲外周血DNA进行测序并应用Relative Haplotype Dosage (RHDO) 分析法推断胎儿是否存在相关遗传突变。为确保该技术在临床上的有效性，下一步该技术将进入临床试验阶段。

对单基因病的无创产前检测，可以说是NIPT应用的一大突破。在此之前，每种单基因病的检测对应一种实验方法。而现在可以用一种方法完成对多种单基因病的检测，可谓是一种无创检测一次性解决千种单基因病;另外，是采用无创方式进行单基因病的产前检测。目前，许多国家都会对本地区高发的单基因病进行检测。比如，美国对囊性纤维化疾病和镰状细胞血症进行检测，东南亚国家对地中海贫血症进行检测。若父母双方均为单基因病携带者，则建议他们进行羊水穿刺或绒毛穿刺等有创检测，而这些有创检测都具有一定的流产风险。

目前已发现的单基因病多达7000多种，由于种类繁多，综合发病率高，是一类对人类健康造成严重损伤(致死、致残或致畸)而且缺乏有效诊治手段的顽疾，给社会以及家庭造成沉重的负担。随着无创产前检测技术的进一步临床验证及临床转化，相信在不久的未来，无创产前单基因病检测将惠及更多的孕妇。

卢煜明教授划时代意义的胎儿游离DNA的发现，加上NGS技术的发展，催生了NIPT的不断研究及临床转化，有望在将来改变遗传疾病的诊疗方式。新的科学发现结合新的技术，带动整个产业革新，在不断的发现与变革的历史必然过程中，不断推动人类健康事业的蓬勃发展。