如何使基因测序更好地服务于我国精准医疗
2018-07-30 柴映爽 “柴映爽”个人账号
基因似乎可以超越解剖形态学的框架，在另一个维度上来解释和揭示疾病发生发展的变化。但是，由于基因测序相关其他技术还不够成熟和丰富，基因异常与疾病发生也不完全是一一对应的关系，因此目前更多还是作为传统诊断的补充和优化。人类基因组的奥秘尚未完全揭开，如何在诊疗过程中平衡有用信息和无用信息的边界，确保这些信息的准确可靠，是目前基因测序在推动精准医学发展时需要解决的自身问题。
基因似乎可以超越解剖形态学的框架，在另一个维度上来解释和揭示疾病发生发展的变化。但是，由于基因测序相关其他技术还不够成熟和丰富，基因异常与疾病发生也不完全是一一对应的关系，因此目前更多还是作为传统诊断的补充和优化。人类基因组的奥秘尚未完全揭开，如何在诊疗过程中平衡有用信息和无用信息的边界，确保这些信息的准确可靠，是目前基因测序在推动精准医学发展时需要解决的自身问题。
基因测序技术是临床分子诊断中的重要手段，其起源早于PCR技术。1968年华裔科学家吴瑞（Ray Wu）博士独创地提出了引物延伸的测序策略，在这一策略基础上基因测序方法得到发展，Sanger和Gilbert因开发不同的测序方法于1980年获得诺贝尔奖。目前的基因测序技术可以分为三类：毛细管电泳测序，大规模平行测序（通常称为高通量测序），单分子测序。
基因测序和精准医疗是近年来讨论很热的两个概念。这两个词之所以能联系到一起，主要还是因为越来越多与疾病有关的基因得到确认，而更加个性化诊疗的需求，正在对传统的医学模式提出挑战，同时技术进步导致基因测序成本大幅降低，使得人们看到了它应用于临床诊疗的前景。在美国NIH （国家卫生研究院）2015年颁布的精准医疗白皮书中，将精准医疗定义为“是一种新兴的综合考虑到居民基因，环境，生活方式等变量的疾病预防和治疗手段”。关键词为基因测序、肿瘤、个性化。国内的精准医疗尽管被列进了十三五规划，但一直没有一个官方的解释，不过看起来也可以参考美国NIH的定义。
当代医学的诊断治疗主要以西医的解剖学为基础发展而来，而基因似乎可以超越解剖形态学的框架，在另一个维度上来解释和揭示疾病发生发展的变化。但是，由于基因测序相关其他技术还不够成熟和丰富，基因异常与疾病发生也不完全是一一对应的关系，因此目前更多还是作为传统诊断的补充和优化。人类基因组的奥秘尚未完全揭开，基因测序的结果常常将明确和不明确的基因信息混合，如何在诊疗过程中根据人文、伦理、政策、经济等因素，平衡有用信息和无用信息的边界，并确保这些信息的准确可靠，是目前基因测序在推动精准医学发展时需要解决的自身问题。
国内基因测序市场的现状
从基因测序上游仪器厂商的销售用户情况来看，公司采购的增长远高于医院采购的增长，侧面反映出产业界对于基因测序市场的推进发挥了很大作用。国内的基因测序公司大部分以中下游应用开发为主，以临床方向居多，如肿瘤、孕前筛查、产前筛查、PGD/PGS（胚胎移植前诊断/筛查）、新生儿遗传病、血液病等。其他的临床领域，还有待推动和基因测序结合。
近年来国家注重科技创新，大量资金进入一级市场寻找标的，客观上也为基因测序产业注入了充足的血液。国内的基因测序公司，正可谓群雄并起、天下逐鹿的时代。无创产筛目前已经由几家拿到CFDA注册证的公司形成较为清晰的市场格局，接下来打破这一市场格局的机会可能在于更换平台和增加检测内容。目前很多公司集中在肿瘤领域，远较当年做无创产筛的公司为多，市场热度很高。肿瘤市场有很大的想象空间，然而市场是否能持续增长还受限于上市药物。这一市场的患者与其他患者不同，因此政策对市场的制约力也较弱。例如高通量测序曾实行试点单位的限制，在无创产筛领域比较有效，但对肿瘤领域则收效不明显。
产业界推动了基因测序市场，但单靠产业界推动的话是存在问题的。中国临床医生的科研压力在特殊国情下是一个强需求，因此，当基因测序公司以科研角度切入医院合作的时候，医院普遍比较欢迎。但是当这些公司想将业务拓展至常规临床诊断时，面对原客户的定位转变、复杂的医院环节、临床流程的多样性、商业代理的关系处理等等，往往不如传统的医疗行业公司那么得心应手，对业绩的增长缺少可持续的有效策略。基因行业公司的一级市场估值普遍比较高，这两年来有不少公司融资已过B轮，需要有较为清晰的商业模式和实际销售额，在投资人压力之下，公司不得不想尽一切办法冲销量，即便没有利润也得做下去，造成没有余力或是忽视了协助临床客户成长这一核心目标，甚至依赖科研业务维持现金流。目前已经出现了一些基因行业公司倒闭、转让、并购的情况。市场不能扩大的话，可能会导致这个行业很多公司出现B轮死、C轮死的现象，对国内精准医疗的发展会带来短期的阵痛。
如果对医生做一个调查会发现，很多医生听说过基因测序，但是对技术原理并不了解，不明白各家测序公司的测序数据质量为何会有差异。大部分医生对市场上各家基因测序公司的临床检测产品，其实很难有辨别力。这里面反映出的事实是：1.行业缺少能区分产品好坏的官方标准，医生只能依靠自己使用下来的直观感受如阳性率等，或是对公司的好恶程度来选择；2. 样本外送检测的模式并不利于对医生的学术教育。第三方临检中心的公司出于成本考虑，一般不会专门建立专业队伍对临床处方医生进行专业推广，有些委托第三方如传统医药代表来做这方面的工作，但这类非自建的团队在基因这个领域的专业度明显不足。医生一旦碰到检测结果有疑问时，缺乏及时和合适的技术服务支持。3.目前的高通量测序仪并非一体化仪器，从样本到最终报告结果涉及到建库、优化、上机、生信分析、数据判别等，步骤环节过多导致流程质控难以标准化，因此不同检测机构所做出的检测结果有可能不完全一致，碰到这种问题时，医生很难去分析各环节对最终检测结果的影响程度。
在一个真正的精准医疗市场中，临床医生必须是将基因测序应用于临床的主体。只有临床医生才能最先意识到技术与临床之间存在着的缺口，前提是他们必须对基因测序的技术认识在不断提高。令人乐观的是，围绕着基因测序在临床中应用一直有很多讨论。早期多数是讨论基因检测的结果对诊断和治疗有何意义，近年来讨论的则主要围绕着标准如何建立和统一，待这一问题解决之后，下一步讨论的内容则可能是如何强化服务体系如患者的咨询、费用的支付、流程的缩短、基因信息的更新等等。这些都越来越需要大量临床医生的参与。
可以看到，若要使基因测序能进一步推动我国的精准医疗市场，应用主体需要落实在医院。产业界需要转换为辅助推动角色，从前期的技术教育临床转为后期的临床引导研发，基因测序需要从神秘变得简单。在这个方面的推动，需要有政策对技术的应用与发展趋势做适当的引导。
技术的发展和政策的变化
技术革新的目标是为了降低现有成本。基因测序这些年能够发展，主要得益于成本的下降。从技术的推进来说，基因测序这一技术的主要推动者仍是Illumina公司，另一家Thermo Fisher（赛默飞世尔）公司则在具体应用落地方面更加有经验。Pac Bio、Nanopore等公司推出的单分子测序技术目前还难以运用到临床。
目前高通量测序仪的试剂都不通用，因此仪器厂家可以通过调整试剂价格来影响中下游。未来十年中美间的贸易长期存在不确定性，对于医疗这个需要高度稳定的市场的定价体系也会带来影响。若要我国患者真正受益于成本的下降，产业界对上游仪器的开发必不可少。Illumina公司推出的大通量测序平台如X10、Novaseq系列，虽然能够降低单个样本的测序成本，但这一成本下降却是以必须同时运行更多样本为理想前提的，这一点其实并不符合以医院为主体开展基因测序诊断时的需求。大部分医院需要的是通量灵活可控、操作步骤较少、运行时间较短、报告简单明了的诊断设备，才能提高整个诊疗流程的效率，这一点还有待于更多来自上游方面的研发。国内近年来研发上游仪器平台的创业公司明显增多，且华大基因、瀚海基因、华因康等公司也已推出了自己的原创高通量测序仪，虽然还面临技术细节改进和商业经营能力的压力，但对于改善未来整个国内的基因产业链环境是一个正面的促进。
造机器殊为不易。高通量测序的过程，涉及到将目标基因组打断、DNA分子与固相结合、独立循环扩增、信号检测、成像拍照等诸多环节，有很多技术难点。比如说，测序读长跟聚合酶的活性保持时间很有关，但拥有制造高质量酶的先进技术的的公司并不多。测序前的PCR扩增会引入碱基错误并随循环数而累积，但流程难以去除或更改。信号采集的速度会影响整体测序的实验时间，如何提高采集速度和优化图像文件也需要非生物行业的基础。技术上的难度，多学科人才的缺乏，导致上游仪器开发的风险高，投入大，周期长，令风险资本常望而生畏。如果政策上有精准调整，无疑是产业的强心针。
目前，高通量测序仪还属于CFDA三类医疗器械的范围。三类医疗器械一般是“植入人体；用于支持、维持生命；对人体具有潜在危险，对其安全性、有效性必须严格控制的医疗器械”，高通量测序仪是否一定符合这一点，颇值得商榷。CFDA已将一代Sanger测序仪其划为二类，美国FDA将高通量测序仪也作为二类管理。如果能够将我国自主研发的高通量测序仪改为二类，减少临床评价负担，相关试剂盒继续按三类执行，有助于国内的仪器研发企业减轻前期压力，激励更多的仪器创新。
政策的明确有助于整体市场的扩大。2014年CFDA批准了几家高通量测序的无创产筛试剂盒后，像华大基因、贝瑞和康等厂家的销售增长都超过了100%。但之后CFDA再未批准过任何试剂盒上市。究其原因，还是因为高通量测序这一技术与现行法规能适合的产品特征存在不相容之处。比如说，有些遗传性的疾病基因明确，但难以确定热点突变，需要进行全外显子测序或是更为经济有效的医学全外显子测序，在注册报证时找不到合适的法规。生物信息分析软件更新，或变异判定所使用的参考数据库本身在更新，按照现行标准产品是否就要重新报证，大家心里也没底。
一个进展是，国内近期或许会有若干肿瘤应用的基因测序试剂盒得到批准。这一类申报的试剂盒均为基因数量较少的检测面板（panel），因为注册要求药效学证据，而对应的药物种类并不多。但是需要看到，对癌症治疗的革新还是要通过多基因的大panel来进行，因此即便小panel被批准，也不可能禁止多基因的大panel存在。这样的话，企业为注册小panel付出的大量成本可能得不到足够的回报。因此，政策最好能选某一类细分的适用患者人群，对小panel有一个明确的范围保护。
美国FDA虽然批准了Foundation Medicine和MSK（凯特琳？斯隆纪念医院）的肿瘤多基因检测，但仍然限制在厂家自己的实验室进行，本质上还是一种LDT（Lab Development Test），并非可以供各家使用的试剂盒。国内目前没有这种方式，但不排除CFDA以FDA作为借鉴。然而即便有这种情况获批，在国内的商业环境下，对厂家的业务恐难以带来很大提升。
对于政策来说，很多细节的处理也会影响监管效果。比如说细胞游离DNA（Cell free DNA，cfDNA）是目前的热点之一，其样本的处理重点并不是如何高质量地提取cfDNA，而是如何保证cfDNA不会被基因组DNA所污染，如何以可靠的方式保证运输过程中血液样本的新鲜，在对第三方临检中心的监管方面实际上是存在困难的。又比如，Q30通常用于测序数据的质控，但不适用于DNA甲基化。DNA甲基化测序过程中亚硫酸氢盐的处理，常使得DNA的碱基复杂度下降、DNA序列受损以及生成了尿嘧啶等，文库制备困难，不同测序平台上Q30的表现并不一致，测序和分析质量以最终获得的样本中CpG百分比含量为评判标准更合适。
基因测序是朝阳行业，远未结束。未来的发展情况，一种可能是伴随计算机技术性能的革新性跃进，生物信息学迅速简单化，使得这一技术去中心化，成为每个医院实验室的桌面仪器。另一种可能是出现物流平台和云计算的革命，使得技术流程被分解，前期环节在医院完成，后期环节更加大规模中心化。这两种情况都会使得医生更加容易操作和使用基因测序，成为常用工具。相信监管政策也必然随之更加进步和灵活，促进精准医疗的到来。
（原文载于2018年《张江科技评论》第三期精准医疗专刊，出版时有修改。该刊另有很多精准医疗精彩内容。）
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好，今后继续写。
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