技术预见通讯2008年第13期（总第180期）
诊断试剂是应用生物技术研究最快、最广和最具成效的领域之一。而近年来分子诊断市场却是发展最为迅速的，分子诊断是以分子生物学理论为基础，应用分子生物学技术和方法来研究人体内内源性或外源性的生物大分子和大分子体系的存在、结构或表达调控的变化，为疾病的预防、预测、诊断和治疗，提供信息和决策依据。
一、国际诊断市场状况及发展趋势
生物技术发展以来的诊断试剂产值，仅低于制药业。诊断试剂市场的规模目前约为285亿美元，其中美国是全球体外诊断试剂的最大的市场，约占全球市场的46%份额。免疫诊断试剂就是应用抗原与抗体互相结合的特异性反应来进行定性或定量的诊断，无论是技术，还是市场，此类试剂在目前所有诊断试剂产品中发展都是最快的。根据诊断类别，又可分为传染性疾病、内分泌、肿瘤、药物检测、免疫学和血型鉴定等。
应用分子生物学技术进行常见疾病的诊断已经成为国外医疗机构的常规项目，也是衡量城市和地区的整体医疗水平的重要标志。临床上分子诊断目前广泛应用于药物基因组学、感染性疾病、肿瘤、遗传性疾病和血液筛查方面的检测与诊断。正如Gen-Probe公司CEOHenryL.Nordhoff所预测的，分子诊断市场的下一个潜在增长领域主要在药物基因组学和癌症诊断这两方面。大力发展相关生物技术和高通量密集型的生物芯片，以及质谱检测技术，将对下一个阶段占领市场份额具有重大意义。
整个诊断市场呈上升趋势，据预测，在此以后5年内的全球体外诊断试剂的增长7%左右，其中发展潜力最大的为免疫诊断市场和分子诊断市场。
二、分子诊断研究现状和技术主要领域及将来主要发展方向
回顾分子诊断学发展历史，由早期应用DNA分子杂交技术进行遗传病的基因诊断，到现在以PCR为基础的DNA诊断作为主流技术，特别是定量和实时PCR的应用，不仅可检测存在于宿主的多种DNA和RNA病原体的载量，而且还可检测多基因遗传病在细胞中的mRNA表达量。药物基因组学和癌症诊断是分子诊断技术主要领域，进行前瞻，也是其将来主要发展方向。
1、研究现状
体外诊断产业在提供高质量和低成本的医疗保健体系中扮演着日益重要作用。分子诊断是近年来体外诊断产业增长最快的领域。因为其能为医疗保健决策过程提供快速、重要和有效的信息。
分子诊断技术目前临床上广泛用于药物基因组学、感染性疾病、肿瘤、遗传性疾病和血液筛查方面的检测与诊断。早期分子诊断技术主要用于各种遗传性疾病，比如单基因疾病、染色体疾病的诊断和筛查。单基因疾病是由单个基因发生突变引起的遗传性疾病，已经发现的人类单基因病多达400种以上。迄今为止，许多的单基因疾病的致病基因及发病机制已经被了解和证实。对于这类疾病重要的是早发现和早治疗，可获得较好的预后效果。比如患苯丙酮尿症的患儿，若在早诊断出后喂苯丙酸氨含量低的奶粉，可防止智力受损，甚至智力发育可达到正常水平。除此之外，可进行染色体诊断的特异性的FISH分子诊断技术已经成型和成熟，染色体疾病则包括染色体数目异常和结构畸变。感染性疾病分子诊断的研究已经开始，例如，GenProbe公司和Chiron公司开发了HIV-1、乙肝和丙肝、西尼罗河病毒的核酸扩增分析法，这些试验直接检测病毒的RNA和DNA。Roche诊断公司也开发了能让医生检测疾病过程的技术，不只是检测某种传染源是否存在。比如HIV感染可作为慢性病处理，除了可检测是否感染，还可测试病毒的载量，这将为修正治疗方案提供指导依据。通常这类疾病的诊断检测主要采用PCR结合ELISA的方法，其占有分子诊断产业相当比例份额。尽管应用现有的DNA分析技术可扩大可进行分子诊断的疾病的病种，进而扩大分子诊断的市场规模，但是对于下一个潜在增长的领域，Gen-Probe公司CEOHenryL.Nordhoff预测，是药物基因组学和癌症诊断。
2、技术主要领域及将来主要发展方向
药物基因组学和癌症诊断是分子诊断技术主要领域及将来主要发展方向。药物基因组学和癌症诊断目前成功的案例并不多。对于药物基因组学，药物在体内的药效往往是多种基因蛋白控制的，而非单一种基因蛋白控制，因此，要建立个性化的治疗，就要对药物在体内的药效所受到的各种因素的影响做全面的了解，特别是相关调节蛋白和作用靶点，以及各种结合蛋白等与药物的关系进行详细的研究，然后考虑这些相关蛋白的遗传学多态性对药物反应的影响，建立相关的关系，为个性化给药提供依据。也有人提出应考察全基因的多态性与药物反应的关系，但是这将是很庞大的工程。在技术上，困难目前是存在的。对于癌症诊断，可通过文献找到很多存在差异的目标分子，但是其是否具有诊断或治疗意义往往需要临床上进一步确信。这方面的工作目前开展的并不完善，但是不管如何，将来医疗体系将更加个性化，这是发展趋势。
（1）药物基因组学
药物基因组学是在药物遗传学的基础上发展起来的，药物遗传学起源于半个多世纪前，其主要是研究遗传学多态性对药物反应（包括药物吸收、代谢、分布和排泄，以及药物安全性和耐受性及有效性）的影响的科学。之后，随着人类基因组计划的顺利实施，药物遗传学的研究逐渐由单基因向多基因和个体的遗传多态性向染色体单体型转化，以及与基因组学的快速整合，这样使得药物基因组学逐渐发展起来。药物基因组学是以功能基因组学与分子药理学为基础的科学，其应用基因组学来对药物反应的个体差异进行研究，在分子水平上，证明和阐述药物疗效，以及药物作用的靶位、作用模式和毒副作用。
大量的研究表明，药物反应的个体差异与基因的多态性存在着密切的关系。药物基因组学的研究采用分子测序技术，以发现基因多态性为起始，通过生物化学、药理学方法或临床研究来评价基因多态性在患者中有无表型差异。基因的多态性可分为两种：一种是单个核苷酸多态性，另一种是串联重复序列。目前的研究主要集中在单个核苷酸的多态性上。单个核苷酸取代(SNP)是指同一位点的不同的等位基因之间个别核苷酸的差异或只有小的插入和缺失等。其主要由两个方面导致人类个体的多样性：一是编码区SNP(cSNP)，其可改变基因的编码，使得在基因表达的蛋白质中某些氨基酸发生变化而影响其功能；二是调节区SNP(rSNP)，其往往影响基因的表达和调控，使得基因的表达量产生变化。例如：药物代谢体内过程的第1相需有药物代谢酶的催化，其中最主要的代谢酶是细胞色素P450(CYP)酶系。已经发现CYP基因和24个假基因目前至少有53个，其中有显著意义的遗传多态性的酶有CYP3A4、CYP2D6、CYP2C19、CYP1A2和CYP2E。以下将CYP2D6为例说明由于此基因的多态性可造成多种药物的代谢不同。研究发现，以抗高血压药debrisoquine为药物探针，在北欧人群中，此药的代谢方式有三种：一种是慢速代谢(Poormetabolizers,PMs)，一种是快速代谢(Extensivemetabolizers,EMs)，还有一种在很少的人中是超速代谢(Ultrarapidmetabolizers,UMs)。CYP2D6除了催化debrisoquine代谢，还可催化抗抑郁药去甲替林和抗高血压心率失常药?阻断剂metoprolol的代谢，此外，它还可通过代谢激活止痛剂可待因转化为活性成分吗啡而使其发挥药效。很显然，对于慢速代谢的人群正常服用metoprolol会导致过多的药物作用，但是对正常服用可待因，因为它需要CYP2D6的代谢激活，可能会导致疗效不够。与之形成对比的是超速代谢的人群，对于正常服用去甲替林和metoprolol，很可能会导致疗效不够；相反正常服用可待因会导致药物过量效应而产生呼吸衰竭的不良副作用。实验表明，CYP2D6编码区的非同义的编码是造成此酶的低活性的缘由，而在超速代谢人群中发现串联重复序列的出现，最多的可达到13个拷贝。此外，类似的报道有药物在体内催化第2相反应的酶、药物受体和药物转运蛋白的基因与药物反应的差异的关系。例如，硫嘌呤甲基转移酶(TPMT)、乙酰基转移酶(NAT)、谷胱甘肽S转移酶(GST)、?2-肾上腺素受体(ADRB2)和P-糖蛋白MDR-1基因等。这些酶、受体和蛋白的基因差异也将影响到药物的疗效和不良反应。
由此可见，阐明遗传多态性与药物反应之间的关系已经成为目前药理学后基因时代的重要研究方向。因为通过对患者的与药物反应密切相关的基因进行检测，临床上可开出适合每个个体的“基因处方”，指导患者合理用药，使患者既能获得最佳的治疗效果，又能避免药物的不良反应，实现“用药个体化”的目的。随着此领域研究的深入，在这种新型个性化治疗方案中，诊断将扮演着重要角色。为此，各大公司目前加大了此领域的投资。例如，2005年，FDA批准了Roche公司的AmpliChipCYP450测试芯片可检测到在四分之一处方药的新陈代谢中突变的2个基因CYP2D6和CYP2C19，进而为医生针对性地对患者设置个性化治疗剂量提供依据。
（2）癌症诊断
肿瘤细胞通常具有不同于正常体细胞的多种的能力，例如，快速生长、转移和在缺乏生长因子条件下也能存活的能力。这些能力的获得主要是由于癌基因和肿瘤抑制基因，以及稳定基因的突变而获得。癌基因和肿瘤抑制基因的突变将会导致肿瘤细胞的净增值，其一方面刺激细胞的生长，而另一方面又抑制肿瘤细胞的凋亡。而稳定基因的突变则间接地通过积累各种基因的突变最终导致肿瘤的形成和恶化。将目标锁定这些突变了的基因，对于治疗癌症将是很好的策略。因为目前用于治疗癌症的药物主要是基于阻断DNA的合成和扰乱细胞的正常生长，但是在特异性杀死肿瘤细胞方面是有缺陷的。针对突变基因的治疗显然在特异性方面优于传统的方法。具有治疗意义的突变基因目前都在大力寻找，并且以此来大力开发药物。由此可见，针对突变基因的治疗方案是基于在肿瘤细胞中突变基因的存在和表达异常等性质。只有检测到此突变基因的存在、异常表达和活性异常等，就此建立的治疗方案才是有效果的。比如，Genentech公司的乳腺癌的治疗药物Herceptin(trastuzumab)对过度表达HER2的乳腺癌患者是很有效果的，在此药品上市的同时，Dako公司也向市场推出HercepTest诊断试剂盒用于HER2表达量的测试。这样使得患者在接受Herceptin药物进行治疗之前可检测HER2表达量，进而对治疗的效果做最初的预测。就某种角度来讲，将来癌症治疗与诊断也将变得个性化。为此，FDA鼓励类似的诊断试剂盒与新抗癌药同时推出。因此，专家认为癌症诊断可能成为将来分子诊断市场的潜在市场。
3、技术需求分析
考虑到将来分子诊断的潜在市场，在技术上，各大公司互不相让，积极做准备，等着时机占领市场。
（1）高通量分析技术
针对药物基因组学，用于基因测序的高通量分析技术、生物芯片及其它新型高通量分析技术，将是最为重要的技术之一。2007年6月19日，为此瑞士罗氏集团RocheHoldingAG宣布，将以2.725亿美元的价格收购美国的私有公司NimbleGen。罗氏认为这次收购将进一步加强其在基因组研究和基因测序市场的地位。在高密度DNA芯片领域中，NimbleGen公司有很多的领先技术，其产品广泛应用于疾病机制的理解和药物的研究与开发。
（2）纳米技术
癌症的早期诊断是目前最活跃的研究领域之一。近年来，各国相继加强纳米技术在癌症早期诊断方面研究的支持。人们希望借助纳米技术的强大威力来诊断、治疗和预防癌症。研究人员目前预见纳米技术将提供多功能的工具，这些工具将不仅可与各种诊断技术和治疗药物一起使用，而且将在根本上改变目前癌症诊断、治疗和预防的状况。为此，美国的国立卫生研究院(NIH)癌症研究所(NCI)提出了《癌症纳米技术计划》，要将纳米技术、癌症研究与分子生物医学相互结合，并且将通过其院外计划、院内计划和纳米标准实验室三方面来进行跨领域的工作，实现其2015年消除癌症死亡和痛苦的目标。
（3）高品质的试剂原料
诊断技术配备高品质的原料诊断试剂。要大力发展高品质的诊断原料试剂。
免疫诊断试剂目前正逐渐取代临床化学试剂，成为诊断试剂发展的主流。随着研究技术的日益成熟，尽管核酸(DNA或RNA)可提供很多的信息，但是蛋白质才是细胞功能的全部体现，以生物芯片和质谱等技术为代表的高通量密集型的检测技术，由于其工作原理和结果处理过程突破了传统的检测方法，不仅具有样品处理能力强、用途广泛和自动化程度高等特点，而且还具有广阔的直用前景和商业价值，因此，基因的表达与调控，以及在表达产物的功能的检测研究上，是分子诊断将转向的重点。
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