医生需要了解的，基因检测的基本面 | 《临床基因组学》摘译
关键字：活检技术 二代表型 临床基因报告
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基因科技如何应用临床？这是一个很宏大的命题，从技术范畴、样本获取 、生物信息、数据解读、政策规范到多方协同。基因检测不仅已成为临床诊疗新技术，也将引领数字生命健康的时代，作为医生需要了解基因测序哪些要点？日前，由知名《Front Line Genomics Magazine》杂志联合多家机构，发布《临床基因组学》，基因慧摘译并补充主要内容，欢迎留言讨论或来稿谈谈您的观点（info@genonet.cn）。
* 欲获取报告全文，请于公众号界面回复“临床基因组”。
划重点
1. 如何采集DNA等生物样本
2. 四种临床基因测序方法及突变检测
3. 大数据分析和云平台
4. 电子病历和临床基因报告
5. 基因疗法实例
图，《临床基因组学》首页
第一章. 如何采集生物样本
所有临床检测的第一步都是生物样本的收集。收集基因的方法有很多。一般建议用活体组织检测的方法，收集相应的病变细胞进行基因研究。活检一般取自患者发生有害突变的局部组织，用于癌症的诊断及特定组织或器官的诊疗。根据取样位置不同，目前发展出了不同的活检取样技术。
常见的活检取样技术：
1. 皮肤组织活检：通过收集皮肤就能得到生物样本，包括切口活检（Incisional Biopsies ）、切除活检（Excisional Biopsies）、穿孔活检（Punch Biopsies）、刮拭活检（Shave Biopsies）等。
2. 穿刺组织活检：收集更深层的细胞，包括细针穿刺（Fine NeedleAspirations）、核心针活检（Core Needle Biopsies）、真空辅助活检（Vacuum-Assisted Biopsies）及图像引导活检（Image-Guided Biopsies）等。
3. 手术组织活检：包括切片检查、内窥镜活检、骨髓活检等。
4. 液体活检：通过非侵入性取样（使用患者血样）来降低活检伤害，可监测肿瘤或转移灶浸入血液中的循环肿瘤细胞（CTC）和循环肿瘤DNA（ctDNA）。
第二章. 临床基因组学中的二代表型
表型指在遗传和环境作用下病人所表现出的临床特征，大多数疾病的产生都涉及到复杂的基因相互作用。NGP（Next Generation Phenotype，二代表型）是指通过计算机及生物信息工具分析患者的基因数据，鉴定出与疾病相关的基因变异，并且基于参考基因组等，来诊断、预测疾病风险及开展个性化医疗。
案例分享：
OmarAbdul-Rahman博士是美国内布拉斯加大学Munroe-Meyer研究所的遗传医学主任。Rahman团队的遗传学家为当地医院及一些网站提供遗传咨询服务。
在与患者见面前，Rahman博士会通过医疗问卷以及FDNA提供的面部识别技术Face2Gene深度地挖掘患者表型信息，再进行表型差异的分析，了解病人病史及医疗情况后，定制出针对每个病人不同的治疗框架。
Rahman博士认为，由于在基因组学治疗中非常依赖外显子等基因测序，表型分析也就变得越加重要，它不仅关系到如何发现患者表型方面的差异，还有助于指导基于测序的数据分析工作。
第3章. 常见的临床下一代基因测序
临床基因组的发展要求我们能在几小时之内完成病人的基因测序，下一代测序技术（NGS）作为常用的临床基因测序方法之一，极大地提高了基因测序的速度和可用性，但在临床环境中它的测序速度仍然不够快。
为了解决这一难题，我们希望能只对感兴趣的基因区域进行测序，由此发展出4种基于不同基因覆盖面的临床测序手段。
四种常见的临床基因测序：
1.靶向基因包（TGPS）：覆盖与疾病相关的基因集合（编者注：通常是非常明确的或有干预方案的基因集合）。
2.医学外显子组测序（MES）：涉及与疾病相关的4600个基因的外显子测序（编者注：通过是文献报道或数据库收录，范围大于第一种）。
3.全外显子组测序（WES）：对全基因组编码蛋白质的外显子组进行测序。
4.全基因组测序（WGS）：对患者的整合基因组测序，能提供最大的信息量同时测序成本较高（编者注：提供最大的信息量，好处是可能发现之前未报道的新突变，弊端是成本消耗同时有的基因突变信息没有相应干预措施 ）。
测序技术发展史一览（基因慧原创）
在测序之前，自动化NGS样本制备技术可以做到自动化并行处理样本，同时将样本处理误差降低到最小，最大限度上提高NGS工作结果的准确性。
第四章. 基因突变检测及分析
在对DNA样本进行基因测序之后，需要通过基因数据分析，将原始测序数据转换成有用的生物和临床信息。人类基因组的多样性和复杂性，在一定程度上需要大量的计算分析成本。一般为了简化此工作，将基因数据分析分为三个阶段。
基因测序数据分析的基本步骤：
（此处编者根据生物信息工作经历，对原文略有改动和补充，使其更易理解）
1.初级分析：测序得到DNA序列文本信息（即ATCG四种核苷酸的排列文本）。根据质控标准，对原始测序数据进行筛选和处理（比如去掉测序中额外添加的接头序列的信息等），然后将筛选处理后的测序数据比对到参考基因组，得到相应的位置坐标。
2.二级分析：根据上述坐标信息和更多的基因突变参考数据库，基于分析算法，得到基因突变结果。常见基因突变形式有单核苷酸变异（SNP）、拷贝数变异（CNV）、插入或缺失（InDel）、易位和倒位（属于SV）等。
3.三级分析：根据二级分析得出的变异信息、已经发表或报道的基因注释信息以及患者表型信息等，分析预测基因突变的生物和临床意义，并进一步得到出相应的疾病诊疗结论。
第五章. 大数据分析和云平台
基因组研究涉及的数据量非常之大（编者注，全基因组测序得到的基础数据100G，过程结果数据达到1-2T左右，每年产生数据达到百PB级别），随之产生了数据存储、传输和处理的相关问题。传统解决方法是本地安装IT基础设施，随之带来高昂成本及维护困难等系列问题。
数据存储这一领域，出现了包括SSD（固态硬盘）和闪存等新技术，拥有更多的存储优势。此外，当下流行的云计算平台（Cloud Computing）能够提供更富弹性、便捷和高效的服务。云平台配备相应的存储服务器、常用的软件和数据库甚至自动分析流程，用户只需要通过网络，即可以访问自己的存储空间，使用其中的存储、计算、分析、图形化等工具，用完即可释放这些资源，大大降低了购买和运营成本，特别是在生物信息和IT人才奇缺的情况下（此处编者略有补充，基于生物云产品经理工作背景）。
然而，云平台也存在一些弊端。
比如传输的带宽问题，上传一份庞大的基因组数据可能需要几天，而带宽较差的偏远地区耗时问题尤为突出，这对于临床应用是一个致命的弊端。为了解决这个问题，云平台提供商正在推进改进的文件传输协议进入市场（编者注：甚至包括用集装箱运输的方案，距离较近的，通过各地的DC（Data Center，数据中心）建立和合作方的专线，但这样运输成本相对较高）
对于临床医生而言，安全性是另一个关注点，云平台正在努力为用户提供私有云空间或数据加密以消除隐患。（编者注：用户在使用及合作过程中，需和云平台服务方签订或查看相应用户协议，是否符合即其他资源需要符合类似美国的FedRAMP、HIPAA等信息安全约束）
遗传信息数据库安全性原则：
1.数据库不应该隐藏有关数据针对的项目和数据可能的用途。需提高透明度以取得患者的信任。
2. 在数据收集前，应该公开收集数据的用途。如果后来用途有所更改，应当首先获取患者的许可。
3. 不得将收集到的数据用于商业用途，除非获得患者的明确同意。
第六章 . 临床基因报告和电子病历
如果无法得出准确的临床报告，临床基因检测对治疗的帮助作用也就无从谈起。许多临床医生面临的一个问题，是目前还没有关于临床基因报告内容的公认的标准。
（此段为编者补充）此前由国内遗传学专家黄尚志老师牵头、华大基因学院和基因慧联合组织的《首届临床基因检测规范和标准大会》，联合多位遗传学专家、临床专家和第三方检测机构代表 (共计50人)讨论，并在《中华医学遗传学杂志》发表国内首个关于临床基因检测报告标准的专家共识。其中指出临床基因检测报告正文必不可少的内容如下，详情请参见原文（详情）。
临床基因检测报告正文内容：
1. 检测机构的信息和联系方式；
2. 受检者的基本信息；
3. 送检机构及医师的信息；
4. 检测样本的信息；
5. 样本接收及检测报告的日期；
6. 检测项目及检测方法；
7. 检测结果：被检出的基因变异；
8. 结果解读；
9. 建议；
10. 检测方法的适用范围和局限性；
11. 参考文献；
12. 检验报告撰写者、报告结果核对者和报告终审及签发者
近些年，一些医学中心逐渐用电子病历（Electronic Medical Records，EMRs）取代了纸质病历。电子病历对临床基因检测报告的形成有很好的协同作用。
电子病历（EMRs）的作用
电子病历建立了信息快速获取的通道，也避免了物理档案存档的需要，最重要的是通过它，可建立一个信息共享的综合医疗平台。
当一位病人换了一位医生，新医生可以通过查阅电子病历查看这位病人所有的历史记录，避免了此前会出现的延误治疗的情况。
此外，病人还可以通过EMRs存储他们的基因组数据。如果患者怀疑自己患有遗传病，他们的临床医生将不再需要重新测序患者的基因组，只需要分析已有的数据即可做出判断。
美国国立卫生研究院（NIH）正在尝试建立eMERGE（Electronic Medical Records and Genomics）网络，将基因数据与临床EMRs相结合用于临床分析。
第七章. 基因疗法
目前可用于临床的基因疗法目前有以下几种，供参考：
临床的基因疗法：
1. 药物基因组学（PGx）
这是一个结合药理学、药物研究、基因组学、基因功能研究的医疗保健领域。它指导临床医生根据病人特定的基因结构来制定其（药物）治疗方案，从而提高治疗的安全性和有效性。
2. CAR-T疗法（免疫疗法之一）
2017年8月，全球首个CAR-T疗法获FDA批准上市，由诺华研发的Kymriah用于治疗复杂性或难治性儿童及青少年B-细胞急性淋巴细胞白血病。
两个月后，第2个CAR-T疗法被FDA获批上市，Gilead麾下Kite研发的Yescarta用于治疗罹患特定类型的大B细胞淋巴瘤成人患者。
3. （狭义的）基因疗法
Luxturna疗法是由Spark Therapeutics公司研发，于2017年12月被FDA批准的基因疗法，用于治疗患有遗传性视网膜营养不良的儿童和成人。利用腺病毒相关技术，将健康的RPE65基因直接引入视网膜细胞中达到治愈疾病的目的。
2016年获批欧洲上市的Strimvelis疗法是由制药巨头葛兰素史克(GSK)研发，用以治疗重度联合免疫缺陷症（ADA-SCID）。通过移除患者病变的骨髓细胞并对其进行基因改造使其能产生ADA酶，这些被“治愈”的细胞可以被移植至患者体内并纠正其生理缺陷。
4. 基因编辑
相对在临床中应用较慢的治疗技术，如CRISPR-Cas9。这项技术可直接改变患者基因，其安全性和脱靶效应是临床应用需要考虑的问题。（编者注：基因编辑可以同时和以上三种疗法结合，作为一种辅助手段。）
第八章. 展望临床应用中的基因组学
尽管临床基因组学还处于其发展的早期，但是它已经显现出对一些患者的帮助。比如波士顿儿童医院、费城儿童医院、辛辛那提儿童医院、贝勒医学院等利用基因测序进行遗传病诊断、无创产前检测、癌症靶向药和免疫治疗药物伴随诊断等。（编者注：国内三甲医院几乎都采用了基因测序用于以上方面，同时和第三方检测机构合作的多，建立独立实验室的少。各临床机构的基因检测实验室需要传播门诊信息的，欢迎联系我们info@genonet.cn）
临床基因检测的费用报销是一个被多次提及的话题。一些保险公司如Anthem Inc.已经开始将基因检测纳入其业务涵盖范围，但是患者并不清楚他们将要做的检测是否被纳入保险公司的业务范围。（编者注：中国的基因检测也屡次被人大提出纳入医保的提案，从产业和监管周期看或只是时间的问题）
对于临床基因组学，无论是小规模的临床诊疗，还是将其作为大型三甲医院一部分临床服务，它都向我们展示出了其广阔的发展前景，尽管有许多问题亟待解决，但我们有理由相信临床基因组学必将在人类医疗事业中大放异彩。
编译：Izzy、Mark
编辑：Candice
校对：Cindy
审核：布三少