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产前诊断:预防出生缺陷 孕育健康宝宝
十堰市人民医院生殖中心染色体核型分析自动扫片仪启用
一站式开放性高通量测序平台BGISEQ-500和BGISEQ-50

  9月12日,在“中国预防出生缺陷日”这个特殊的日子里,作为十堰市人民医院生殖医学中心四大体系之一的产前诊断技术平台又添“新武器”——染色体核型分析自动扫片仪启用!

  常 规 战

  ——核型分析平台

  细胞遗传技术是产前诊断技术体系中最早的遗传检测手段,而染色体核型分析更是在《ACOG/SMFM (美国妇产科医师学会/联合母胎医学会)实践指南:遗传性疾病的产前诊断》和国家原卫生部颁布的《产前诊断技术管理办法》中均认可的诊断金标准。

  染色体核型分析是细胞遗传的主要组成,也是产前诊断必不可少的技术。十堰市人民医院生殖医学中心主任张昌军教授早在1991年通过艰苦摸索建立了我市最早的人类淋巴细胞和骨髓细胞的染色体制备平台和检测分析技术。但是张教授的探索并未止步,了解到两个海外归来的学者——黄天华、李运星利用精子穿透到老鼠卵中成功获得了精子染色体,张教授坚定了对精子染色体项目的信心。得到医院领导同意后,张昌军特意到汕头大学,向黄天华教授求教,学习人精子单倍染色体制备方法。他回来后在黄教授和医院的大力支持下,于1993年制备出了湖北省首例人精子单倍染色体核型,填补了湖北省精子染色体制备技术上的空白,这立即引起了国内医学界的轰动。更值得敬佩的是,他于1994年在世界上首次建立“人精子单倍染色体无酶G显带方法”。这些在遗传技术体系的摸索为十堰市人民医院生殖医学中心成为湖北省首例试管婴儿诞生地和首批获得湖北省卫生厅批准运行的产前诊断中心打下了坚实的技术基础。

  尽管当时知识和信息的获取途径有限,但是作为一名医生和学者,张昌军教授敏感地认识到染色体核型技术不仅在血液病诊断上具有重要价值,其他自身疾病的发生可能都有细胞遗传的影响。1995年,他听说在郧西县六郎乡小青龙沟村一户村民一家三代6位男性身上出现了一种特殊病例。这种罕见的疾病深深地吸引了张昌军。为了及时采取血清标本,张昌军只身一人经数次转车,最后步行10多公里到达病人家里时已是晚上10点多钟。取到样本后,为防止血液变质,第二天一大早他又徒步近40公里赶到陕西省白河县乘当天火车返回。经染色体核型分析,这是一起罕见的中着丝粒Y染色体病例。从优生遗传学角度来讲,这是一次难得的“际遇”。这个特殊的际遇为当时身为儿科医生的张教授开启了探索人类辅助生殖技术和产前诊断技术的旅程。

  尽管因为“人精子单倍染色体无酶G显带方法”这项世界首创让张昌军教授名扬国内外学术圈,但是整个技术应用于临床并不是一帆风顺的,设备、人员、试剂等等,每改变一点点条件,都需要花费巨大的心血摸索维持实验平台的稳定。张昌军坚信“办法总比困难多”,染色体是“胖了”还是“瘦了”、“高了”还是“矮了”?张昌军像关注孩子的成长一样关注着染色体制片效果的变化,以至于30年后的今天,他只要瞅一眼核型就知道在整个培养和制备的环节中有哪些地方需要改进和调整。在他的细胞遗传技术应用于临床后从未出现实验室事故,因此2005年申请第一批湖北省卫生厅许可的产前诊断资质时水到渠成。

  1991年染色体核型分析平台建立时仅有张昌军和助手两个人,医院哪里有出生缺陷儿、白血病人,哪里有多年没有孩子的人,哪里就有他或助手采集信息和样本的身影。当时,一年只有二三十例标本,但是随着两人的不懈努力,渐渐的就有慕名而来要求做染色体检查的人了。前文中提到的一家三代就是慕名而来,张昌军没有让他们失望。正是因为有这种想方设法要给患者一个交代的敬业态度,病人量持续增加。1991年到1994年,检测了154个样本,到1995年,一年就检测了190个样本!

  2005年,该院生殖中心获得湖北省卫生厅批准运行产前诊断技术后,张昌军最常说的一句话就是“我们要对得起这块牌子”!为了宣传预防出生缺陷相关知识,他带着团队在医院召开的“秦巴医疗联合体”会议上急切呼吁,鼓励团队积极开展新技术新业务,派技术人员到国家级医学遗传重点实验室、湖北省妇幼保健院等各级单位进修学习,到2008年的时候整个平台建立了唐氏筛查、羊水/绒毛/脐带血的取样和核型制备、荧光原位杂交技术等从筛查到诊断的全套技术体系,为十堰市的出生缺陷预防建立了牢固的保障体系。仅2005到2008年就从羊水里面检测出21-三体胎儿20例,极大降低了遗传病患儿的出生率。

  迄今为止,十堰市人民医院生殖中心的核型实验室已经检测了43043名患者的外周血淋巴细胞核型,1676例孕妇的羊水细胞核型,43例绒毛组织细胞核型。这些病人包括残疾儿童、不孕不育患者、白血病患者、家族性疾病的家系、复发性流产夫妇等。虽然病人情况复杂,样本类型多样化,培养条件和制备条件各有不同,但是27年来培养和核型制备成功率高达99.9%!外周血淋巴细胞核型检出的异常率0.8%,羊水细胞核型异常检出率2.6%,绒毛细胞核型异常检出率4.4%,为患者的诊治提供了极大的帮助。

  新 武 器       ——染色体全自动显微图像扫描分析系统

  染色体核型分析平台不仅满足了十堰市患者的就医需要,同时也为襄阳、神农架、陕西安康、河南淅川等周边地区的患者提供了就近就医的机会,降低了就医成本。近年来,该中心检测例数每年以10%左右的幅度增加,明年的样本数预计突破5000例!为满足工作需求和患者需要,该中心引进了目前细胞遗传领域最高端的设备——染色体全自动显微图像扫描分析系统。

  染色体全自动显微图像扫描分析系统由连续供片系统、显微成像系统、计算机系统、软件、条码扫描装置组成。与常规的核型分析设备的区别在于,染色体全自动显微图像扫描分析系统因为有电动物镜转换器、电动扫描载物台、电动光源管理系统、电动z轴调焦系统,实现了自动加载玻片、自动在低倍镜下扫描细胞分裂相和自动在高倍镜下调焦采集图像并传输到电脑进行存储。

  染色体全自动显微图像扫描分析系统的启用将极大地提高核型分析工作的效率和准确性。首先,染色体全自动显微图像扫描分析系统连续供片系统和自动上样可以在无人值班的情况下持续工作,延长了总体工作时间,提高了工作效率。系统一次可上样120张玻片,因此供片系统装载样本玻片后,即使在夜晚设备亦可持续工作,将上样的玻片全部扫描。而分析人员上班后只需要调出扫描后存储的图像进行分析,减少了在显微镜前工作的时间,增加了对核型进行仔细分析和比对的时间。

  染色体全自动显微图像扫描分析系统可以实现一张染色体核型玻片从上样到采集50个细胞分裂相只需要8分钟的时间,最长不超过15分钟可以完成对整张玻片的扫描。按照《产前诊断技术管理办法》的规定,每份核型分析样本计数的细胞数不低于30个,分析的核型数不低于5个,而一位技师完成一例核型样本分析最快也要40分钟,因此该系统的使用极大地提高了每个样本的核型分析效率。

  另外,染色体全自动显微图像扫描分析系统在提高核型分析效率的同时,也能提高核型分析的准确性。染色体核型嵌合体的个体不在少数,尤其是在不孕不育患者和职业病患者人群中有较高的发病率。2010年,一位无精子症患者到该中心就诊,他的体貌具有典型的克氏综合征特征:睾丸和阴茎小,无阴毛及胡须,女性声音,骨骼较细,四肢相对较长。如果按照指南规定只分析30个细胞的核型,他的核型就是正常核型。但是因为此病人的特殊性,该中心增加计数的细胞分裂相到100个之后才发现他是一个低比率嵌合的克氏综合征患者。熟悉核型分析工作的专业人员都知道,每年总会有各种嵌合体病例,一些不够典型的病例在没有增加计数的情况下极有可能被漏诊。因此,使用染色体全自动显微图像扫描分析系统后可以对所有的样本都计数50个以上的细胞分裂相并完成分析,从而降低了嵌合体病例漏诊的可能性。因此,在常规的核型分析平台启用如此贵重的高端设备不仅能极大地缩短病人等待细胞遗传诊断结果的时间,同时他们也将得到更准确、有效的诊断报告。

  细 胞 遗 传 学 与 高 精 尖

  ——分子遗传技术结合

  多年来,该中心始终把改善技术条件、提高技术水平、细化技术流程、提高有效性和科学性放在第一位,以提升诊断率为目标,不断进行探索,每一步都在十堰市甚至湖北省医学遗传学的发展史上留下宝贵的一笔。

  2005年,建立十堰市首家超声引导下羊膜腔穿刺技术和培养羊水细胞染色体核型制备技术。

  2006年,开展经阴道绒毛取样和绒毛染色体制备技术。

  2007年,建立羊水细胞、外周血细胞、精子的荧光原位杂交技术。

  2008年,成为十堰市首家开展中孕期唐氏三联筛查的机构。

  2010年,率先在省内开展胎儿无创产前基因筛查。

  2012年,成为(原)卫生部批准的无创产前基因筛查试点机构。

  2015年,与华大基因强强联合成立无创产前基因筛查的实验室。同年,开始把这项技术向“五县一市”各级医院进行推广,服务辐射到全市。

  2016年,ABI3500dx一代测序仪落户联合实验室并独立进行单基因病遗传诊断。

  2017年,在十堰市首家引进新一代测序BGISEQ-500双芯片测序平台,从DNA样本到数据分析结果的全过程最快可在24小时内完成,平台更加精准、快速。

  2017年,建立基因芯片筛查项目 “康孕”检测。

  这每一个记录都代表着该中心对不断整合高精尖技术、更好服务人民的追求。

  2005年,该中心获得湖北省卫生厅产前诊断运行许可,成为全省第一批批准运行的8家产前诊断中心之一。该中心率先在鄂西北地区建立和开展了羊膜腔穿刺与细胞培养核型分析技术,随后建立了稳定的孕妇中孕期唐氏筛查技术体系。为更好地开展产前诊断工作,张昌军教授从国内外引进遗传学专业的人才,先后从美国乔治亚大学、中国科学院、武汉大学引进了多位博士。高端人才的引进也带动了该中心技术体系的再次腾飞。

  2011年,华大基因在世界上首创无创产前检测技术(NIPT)后不久,就选择十堰市人民医院生殖医学中心作为项目研究和开发合作单位。2014年10月,在前期合作的基础上,前瞻性与华大基因携手,建立了“十堰市人民医院·华大基因联合实验室”,从而成为我省目前仅有的一家拥有独立基因检测实验室、可自主开展高通量基因测序产前筛查与诊断服务的医院。

  作为目前分子遗传终极分析设备的高通量基因测序设备IONPROTON测序仪也于2015年在该中心启用。高通量测序技术是对传统测序一次革命性的改变,一次对几十万到几百万条DNA分子进行序列测定。而IONPROTON测序仪是可在一天内提供人类基因组规模分析的第一台仪器系统,包括数据处理、碱基检测和变异体检测。设备启动后仅在NIPT检测项目当年的半年时间就为十堰五县一市的495位孕妇进行了筛查,检出21-三体2例,性染色体异常1例,并与产前诊断结果一致,检出率达到100%,未出现假阳性和假阴性结果,比传统的筛查方法大大地提高了准确性。从2015年至2017年,IONPROTON测序平台上完成了8000多例NIPT样本检测,对21-三体综合征、18-三体综合征和13-三体综合征的检出率均为100%,假阴性率为0,假阳性率为6%。平台的各项质量控制参数与我国高通量测序的航母平台华大基因不相上下。

  2017年,为满足NIPT检测需求量的上涨和实现染色体病/单基因病的一体化检测,高端的一站式开放性高通量测序平台BGISEQ-500和BGISEQ-50在我中心启用。BGISEQ-500采用优化的联合探针锚定聚合技术 (cPAS)和改进的DNA纳米球 (DNB)核心测序技术,是行业领先的高通量测序平台之一。具体而言,首先DNA分子锚和荧光探针在纳米球上进行聚合,随后高分辨率成像系统对光信号进行采集,光信号经过数字化处理后即可获得待测序列。其中,DNB通过线性扩增增强信号,降低单拷贝的错误率。此外,DNB大小与芯片上活性位点的大小相匹配,每个位点结合一个DNA纳米球,在保证测序精度的情况下提高了测序芯片的利用效率。同时,平台可兼容更多的样本量及应用种类,快速模式测序速度更快,从DNA到数据分析结果,最快完成周期可缩短在24小时内。相比原有的测序平台,本系统可自动追踪样本在测序流程中的痕迹,保证数据的安全性和可溯源性。

  高精尖设备和高级人才的引进,在构建我市产前诊断保障体系和降低出生缺陷率方面成果显著。我市下辖各县市大多地处山区,交通不便,医疗水平跟市区存在差距,同时也是出生缺陷高发区。十堰市人民医院产前诊断中心多年来坚持向各地医疗机构普及产前诊断知识,在提高群众的产前诊断意识、提升基层医院的产前诊断水平方面不懈努力,帮助他们建立了协助网络,为基层医院的产前诊断工作提供了强有力的支持。同时,为响应市卫计委于2016年4月下发的《关于开展高通量基因测序产前筛查与诊断临床应用试点工作的通知》要求,该中心大力推广高通量基因测序产前筛查与诊断临床应用,全市各医疗机构应就近与该院签订工作协议,委托本机构承担高通量基因测序产前筛查与诊断服务。

  十堰市人民医院产前诊断中心开展了扎实的工作,胎儿染色体非整倍体基因检测费用也由2400元下调至1460元。2016年4月以来,陆续有22家医疗单位与该中心签订《产前诊断技术服务协议》,该中心正式成为鄂西北地区高通量基因测序产前筛查与诊断的“大本营”,一个预防出生缺陷的大体系正在形成。

  一项项产前诊断新技术在产生,更多的高层次人才也在产前诊断服务中崛起。遗传咨询师是产前诊断技术惠及人民的重要桥梁,也是产前诊断水平的重要标杆。张昌军教授统筹全局,引进英国牛津大学访问学者、人类基因组学专家邓锴博士,并派遣人员积极进行遗传咨询的学习。目前,该中心已经具备专业的遗传咨询师2名。在他们的扎实工作下,很多患疑难病症患者得到了治疗,众多患有鱼鳞病、色素沉着、语言智力障碍、发育异常、癫痫等疾病的病人在遗传专家的诊治下,了解了病因,重拾了生育后代的信心。 (彭海英)

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