好消息 | 华大基因在无创单病领域获重大技术突破
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无创产前基因检测 (Noninvasive Prenatal Testing, NIPT) 通过对母体外周血中胎儿游离DNA分析, 检测胎儿的染色体异常。对于胎儿21-三体,18-三体和13-三体的检测,因其方法的高灵敏度、高特异性已经大规模运用于临床常规筛查，并逐步向其他染色体异常检测拓展。
随着NGS测序技术的进一步发展，多项研究结果证实“无创产前检测单基因病” (以下简称“无创单病”) 技术的可行性[1-2]，但大多数无创单病技术需要依赖于先证者，而在临床上，目前尚无法实现隐性遗传单病的无创产前筛查。华大基因开发了一种对于南方最常见的单基因遗传病-地中海贫血的无创筛查技术，无需先证者即可实现对地中海贫血的无创产前筛查。
孕妇血浆中胎儿游离DNA的发现，为无创产前基因检测奠定了科学的基础。通过对孕妇外周血中游离DNA进行检测，能够以无创的方式分析胎儿的遗传特征，为产前筛查提供了有效的手段。在临床应用初期，NIPT检测主要限于21-三体综合征，随后18-三体综合征以及13-三体综合征等也逐渐纳入检测范围。经过几年的临床实践，NIPT针对于常见染色体非整倍体已经被广泛接受及应用，并形成了一套与现有临床整合的产前筛查模式。
除了21号、18号与13号染色体异常外，NIPT还可以检测其他染色体包括性染色体的异常，染色体缺失/重复综合征等，并在国际及国内一些地区逐步纳入NIPT常规检测内容，但对于无创单病的检测尚处于科研阶段。
无创单病技术的国内外发展现状
相对于染色体变异来说，单基因疾病无创检测的最大难点是孕妇血浆中存在大量母源DNA信息的干扰，对检测方法的精度要求更高，而除个别新发显性突变的遗传性疾病外，目前绝大多数单病的无创检测都需要依赖于先证者的样本来构建胎儿的单倍体型，从而判断胎儿是否罹患单基因遗传病。这在极大程度上限制了无创单病检测成为一种临床筛查技术。下表为国内外各种无创单病检测方法的对比分析。
国内外无创单病检测方法对比分析
目前国际上，英国已率先在无创单病的临床转化方面有所进展，用于排除父源遗传突变和新发突变，检测结果也不需要介入性检测来确认，所以称为NIPD (Noninvasive Prenatal Diagnosis, NIPD)。
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2011年
英国遗传检测网络 (UKGTN) 批准了NIPD用于医学需要的胎儿的性别鉴定。
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2012年
英国遗传检测网络 (UKGTN) 批准了针对软骨发育不全(Achondroplasia) 和致死性骨发育不全(Thanatophoric dysplasia) 的NIPD。
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2013年
2013年至今先后批准阿佩氏综合征 (Apert syndrome)，囊性纤维化 (Cystic Fibrosis)，FGFR2基因关联的颅缝早闭症 (FGFR2-related craniosynostosis) 和Crouzon征并黑棘皮病 (Crouzon syndrome with acanthosis nigricans) 用于临床检测服务。
华大基因无创单病技术
实现了创新性突破
早在2013年，华大基因开发了一种借助核心家系单体型连锁分析的无创单病检测方法。利用父亲、母亲、先证者和孕妇的血浆DNA测序数据获得胎儿遗传父母的单体型，进而根据致病位点连锁单体型推测胎儿的基因型。截至目前，华大基因已完成了上百个家系的无创单病检测，涉及中国常见的11种单基因病：枫糖尿病[7]，遗传性耳聋[8]，先天性肾上腺皮质增生[9, 12], 进行性肌营养不良[10]，脊髓性肌萎缩症[11]，苯丙酮尿症[13]，甲型和乙型血友病，α地中海贫血[14]，β地中海贫血[14]和隐性多囊肾，通过此方法获得的胎儿基因型和临床侵入性产前诊断的结果一致率均为100%。并且，此方法不受突变类型影响，不受复杂重复结构限制，准确性非常高，但还是需要借助先证者或其父母的基因型数据构建单体型，成本较高，检测周期较长，限制了其在临床的转化。
为了推动新技术在临床的应用，让更多百姓受益于基因科技的进步，华大基因一直致力于新型无创单病检测技术的研究与探索。地中海贫血 (以下简称“地贫”)，是中国南方地区高发的常染色体隐性遗传病，由于其存在高发变异且新发突变概率较低，因此成为了无创单基因隐性遗传病产前筛查的突破口。
近期，华大基因已完成开发了一种基于大数据的无创地贫检测技术，无需先证者样品，即可对地贫常见突变类型进行无创检测。该技术通过前期华大团队研究的2万例地贫的数据，构建了中国人群的地贫单体型，利用孕妇及其丈夫的地贫基因型信息推测父母单体型，结合孕妇血浆测序数据进一步推测胎儿的单体型，实现地贫常见突变类型的无创检测。
中国人群地贫突变频谱[15]
案例解读
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案例一
王某，女，29岁；陈某，男，32岁。夫妻双方地贫基因都检出α地贫的SEA杂合缺失，有25%的概率生育重度α地贫患儿。王某在孕22周时进行羊水穿刺产前诊断，同时夫妇双方抽取5mL外周血送检华大基因进行科研盲测，无创检测结果和产前诊断的结果一致表明胎儿基因型均是--SEA/--SEA，产前诊断为巴氏水肿胎儿。经医院与孕妇充分知情同意及遗传咨询后，孕妇自愿选择终止妊娠。
无创判断胎儿遗传父母的单体型
横坐标代表16号染色体HBA1和HBA2基因上下游的100K区域，纵坐标代表的是夫妇双方遗传给胎儿不同单体型的概率值的对数值，Hap0代表是胎儿遗传了与先证者相同的致病单体型；Hap1代表是胎儿遗传了与先证者不同的正常单体型，紫色竖线表示的HBA1和HBA2基因区域。
黑色波折线代表无创判断结果，绿色横线代表基线，在基线之上代表胎儿遗传Hap0致病单体型；在基线之下代表胎儿遗传Hap1正常单体型，左侧图是胎儿遗传父亲的单体型，右侧图是胎儿遗传母亲的单体型。由图可知，胎儿遗传父亲的致病单体型Hap0+母亲的致病单体型Hap0，故推测胎儿是--SEA/--SEA。
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案例二
何某，32岁，女，β地贫基因检出CD17杂合携带；陈某，男，何某的丈夫，36岁，β地贫基因检出CD41-42杂合携带，有25%的概率生育重度β地贫患儿，何某在孕21周时进行羊水穿刺产前诊断，同时夫妇双方抽取5mL外周血送检华大基因进行科研盲测，无创检测结果和产前诊断的结果一致表明胎儿基因型均是CD17 /CD41-42，产前诊断是重度β地贫患儿。经医院与孕妇充分知情同意及遗传咨询后，孕妇自愿选择终止妊娠。
无创判断胎儿遗传父母单体型
横坐标代表11号染色体HBB基因上下游的100K区域，纵坐标代表的是夫妇双方遗传给胎儿不同单体型的概率值的对数值，Hap0代表是胎儿遗传了与先证者相同的致病单体型；Hap1代表是胎儿遗传了与先证者不同的正常单体型，紫色竖线表示的HBB基因区域。
黑色波折线代表无创判断结果，绿色横线代表基线，在基线之上代表胎儿遗传Hap0致病单体型；在基线之下代表胎儿遗传Hap1正常单体型，左侧图是胎儿遗传父亲的单体型，右侧图是胎儿遗传母亲的单体型。由图可知，胎儿遗传父亲的致病单体型Hap0+母亲的致病单体型Hap0，故推测胎儿是CD17 /CD41-42。
该研究与广州市妇女儿童医疗中心廖灿教授及其团队共同合作，目前已完成十余例样本小试，与羊水穿刺诊断一致率均为100%。后续，我们将继续共同努力在更大人群及更多样本类型中验证新方法的灵敏度和特异性，以推动新技术的进一步临床转化。
对无创单病技术的展望
本次研究突破了原有无创单病检测对于先证者的依赖，解决了类似于地贫这样严重遗传病先证者无法获得的瓶颈。未来，对于无创单病的研究有望向不依赖于先证者的方式进一步发展，同时，我们相信检测的疾病种类也会逐步向其他严重致死致畸的疾病进一步扩展。
拓展阅读：
参考文献：
[1] Lun, F.M. et al. Noninvasive prenatal diagnosis of monogenic diseases by digital size selection and relative mutation dosage on DNA in maternal plasma. Proc Natl Acad Sci U S A 105, 19920-5 (2008).
[2] Chen, S. et al. Haplotype-assisted accurate non-invasive fetal whole genome recovery through maternal plasma sequencing. Genome Med 5, 18 (2013).
[3] Wang, X.D. et al. Non-invasive foetal RHD genotyping via real-time PCR of foetal DNA from Chinese RhD-negative maternal plasma. Eur J Clin Invest 39, 607-17 (2009).
[4] Chitty, L.S. et al. Non-invasive prenatal diagnosis of achondroplasia and thanatophoric dysplasia: next-generation sequencing allows for a safer, more accurate, and comprehensive approach. Prenat Diagn 35, 656-62 (2015).
[5] Lv, W. et al. Noninvasive prenatal testing for Wilson disease by use of circulating single-molecule amplification and resequencing technology (cSMART). Clin Chem 61, 172-81 (2015).
[6] Lam, K.W. et al. Noninvasive prenatal diagnosis of monogenic diseases by targeted massively parallel sequencing of maternal plasma: application to beta-thalassemia. Clin Chem 58, 1467-75 (2012).
[7] You, Y. et al. Integration of targeted sequencing and NIPT into clinical practice in a Chinese family with maple syrup urine disease. Genet Med 16, 594-600 (2014).
[8] Meng, M. et al. Noninvasive prenatal testing for autosomal recessive conditions by maternal plasma sequencing in a case of congenital deafness. Genet Med 16, 972-6 (2014).
[9] Ma, D. et al. Haplotype-based approach for noninvasive prenatal diagnosis of congenital adrenal hyperplasia by maternal plasma DNA sequencing. Gene 544, 252-8 (2014).
[10] Xu, Y. et al. Haplotype-based approach for noninvasive prenatal tests of Duchenne muscular dystrophy using cell-free fetal DNA in maternal plasma. Genet Med 17, 889-96 (2015).
[11] Chen, M. et al. Targeted sequencing of maternal plasma for haplotype-based non-invasive prenatal testing of spinal muscular atrophy. Ultrasound Obstet Gynecol 49, 799-802 (2017).
[12] Ma, D. et al. Noninvasive prenatal diagnosis of 21-Hydroxylase deficiency using target capture sequencing of maternal plasma DNA. Sci Rep 7, 7427 (2017).
[13] Ye, J. et al. Haplotype-based noninvasive Prenatal Diagnosis of Hyperphenylalaninemia through Targeted Sequencing of Maternal Plasma. Sci Rep 8:161 | DOI: 10.1038/s41598-017-18358-y (2018).
[14] Wang, W. et al. A Pilot Study of Noninvasive Prenatal Diagnosis of Alpha- and Beta-Thalassemia with Target Capture Sequencing of Cell-Free Fetal DNA in Maternal Blood. Genet Test Mol Biomarkers 21, 433-439 (2017).
[15] Shang, X. et al. Rapid Targeted Next-Generation Sequencing Platform for Molecular Screening and Clinical Genotyping in Subjects with Hemoglobinopathies. EBioMedicine 23, 150-159 (2017).
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