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二代测序及其在临床疾病中的应用

二代测序

二代测序(Next Generation Sequencing,NGS)又称大规模平行测序,能够同时对上百万甚至数十亿个DNA分子进行测序,实现了大规模、高通量测序的目标,是继Sanger测序之后的革命性进步。

二代测序的原理

二代测序从发明至今,已有数个不同的平台开发出了基于不同原理的测序方法,目前,Solexa测序技术应用最为广泛。本文也将详细介绍solxa测序的原理。

Solexa测序:边合成边测序(SBA),循环可逆终止(CRT)

Solexa技术测序的基本原理是边合成边测序,在体系中加入四种不同荧光标记的碱基,在测序过程中,不同的dNTP会释放出不同的荧光,根据图片捕捉的荧光信号并经过特定的计算机软件处理,记录序列信息。

二代测序的临床应用

感染性疾病防控

医院感染性疾病暴发的调查:NGS序列信息可报告感染性疾病暴发的传播链,并已被用于跟踪由鲍曼不动杆菌、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌和肺炎克雷伯杆菌引起的医院感染性疾病的传播[1-3]

未知病原体的鉴定:NGS已在临床感染性疾病的诊断和新病原体的发现中取得了令人瞩目的成果,其高通量、低成本、并可以从头组装病原体,这一优势是其他基因检测方法所无法比拟的[4-6]

检测病原体耐药基因突变:NGS不仅可以确认Sanger测序验证的耐药位点,还有助于检测出抗生素耐药基因出现的新发突变,并且通过进一步的实验确定这些基因是否为导致抗生素耐药模式的原因。

肿瘤的早期诊断以及精准治疗

随着新的分子诊断技术的出现,对肿瘤的认知也从单一疾病,发展到一系列驱动基因突变形成的一组疾病,带来了从病理分型到分子分型的演变。目前在临床肿瘤实践中,NGS已广泛应用于多种肿瘤类型,如肺癌、乳腺癌、胃肠道肿瘤、黑色素瘤[7-9],是肿瘤精准诊疗的重要环节,大大促进了个体化医学发展,为临床诊疗提供了一个崭新的平台和广阔的前景。

NGS在肿瘤领域的应用主要为:

肿瘤个体化治疗相关的驱动基因突变检测;

肿瘤基因组学研究,探索肿瘤异质性、耐药性和肿瘤克隆进化过程及机制;

例如FoundationOne CDx,是美国FDA批准的全球首个基于二代测序的泛肿瘤伴随诊断产品,324个基因、2个可以预测免疫检查点抑制剂疗效的分子标记(MSI/TMB)、覆盖全部实体瘤(除肉瘤)、直接对应FDA批准的17种靶向治疗方案。

遗传病的早期筛查和诊断

遗传病是由遗传物质发生改变而引起的或者是由致病基因所控制的疾病,其确诊依赖于分子诊断技术。其中NGS在遗传病领域的应用主要集中在遗传病诊断、新生儿筛查、产前筛查、植入前筛查等领域[10- 12]。如:

遗传性耳聋:耳聋是最常见的感觉神经性听力损失出生缺陷疾病。大约2/3的耳聋来源于遗传因素,采用NGS技术测序筛查有助于早期诊断和干预;

无创产筛:采用NGS方法进行无创产前诊断已在全国各大医院开展,成为一种常规的无创筛查手段;

综上所述,NGS技术的应用,促进了疾病的分子诊断、个体化治疗以及针对高危人群的疾病相关基因筛查和预防性分析。相信随着测序技术的不断发展,其可为临床提供更及时有效的诊断结果,更好的为临床服务。

参考文献

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[2] Lewis T, Loman NJ, Bingle L, et al. High-throughput whole genome sequencing to dissect the epidemiology of Acineto bacter baumannii isolates from a hospital outbreak [ J] . J Hosp Infect, 2010, 75: 37- 41.

[3] Harris SR, Cartwright EJ, Torok ME, et al. Whole-genome sequencing for analysis of an outbreak of meticillin-resistant Staphylococcus aureus: a descriptive study [ J] . Lancet Infect Dis, 2013, 13: 130- 136.

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[7] Marrone M, Filipski K K, Gillanders E M, et al. Multi-marker solid tumor panels using next-generation sequencing to direct molecularly targeted therapies[J]. PLoS currents, 2014, 6.

[8] Thompson J C, Yee S S, Troxel A B, et al. Detection of therapeutically targetable driver and resistance mutations in lung cancer patients by next-generation sequencing of cell-free circulating tumor DNA[J]. Clinical Cancer Research, 2016, 22(23): 5772-5782.

[9] Low S K, Zembutsu H, Nakamura Y. Breast cancer: The translation of big genomic data to cancer precision medicine[J]. Cancer science, 2018, 109(3): 497-506.

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[11] Stokowski R, Wang E, White K, et al. Clinical performance of non‐invasive prenatal testing (NIPT) using targeted cell‐free DNA analysis in maternal plasma with microarrays or next generation sequencing (NGS) is consistent across multiple controlled clinical studies[J]. Prenatal diagnosis, 2015, 35(12): 1243-1246.

[12] Baker M W, Atkins A E, Cordovado S K, et al. Improving newborn screening for cystic fibrosis using next-generation sequencing technology: a technical feasibility study[J]. Genetics in Medicine, 2016, 18(3): 231.

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