广告

基因检测揭示当下与未来健康

现在是时候决定一个关键问题了:我们想了解多少关于我们DNA中的信息,以及我们何时想了解这些信息?

Google NewsGoogle News Preferred Source
在洛杉矶圣莫尼卡-加州大学洛杉矶分校医疗中心,一名护士正在从新生儿伊莎贝尔·昂德利身上抽血。该样本是加州一项筛查婴儿可治疗遗传病的计划的一部分。凯瑟琳·莱德纳

新闻简报

注册我们的电子邮件新闻简报,获取最新的科学新闻

注册

奥斯汀·穆尔德于2002年8月20日在加利福尼亚州圣巴巴拉的一家医院出生,从各方面看都是一个健康的婴儿。出生后不久,奥斯汀的母亲安吉拉收到一本小册子,描述了州政府希望对其儿子进行的血液检测。

广告

加州已经开始了一项实验性计划,对新生儿进行二十多种遗传疾病的筛查,这比之前要求的四项检测有了很大的进步。安吉拉毫不犹豫地同意了,“如果这对他的健康有益。”护士用小柳叶刀扎了一下奥斯汀的脚跟。她把他的脚放在一张棉质滤纸卡片上,血液滴在五个连续的圆圈上。斑点干燥后,检测被邮寄到洛杉矶的一个州立实验室进行筛查。安吉拉和她的丈夫杰森带着奥斯汀回到了位于奥哈伊的祖母琳达·费尔南德斯的家。一切都平静了一个月。

“一个完美的宝宝,”安吉拉回忆道。“不过,他的手脚有点湿冷,”杰森说。“我们觉得有点奇怪,他脚上出冷汗。他总是得穿袜子。不过,这看起来并不糟糕或不正常。皮肤湿冷预示着严重的消化系统疾病。

奥斯汀的体内有一颗代谢定时炸弹正在嘀嗒作响,但六周内没有人能听到它。直到10月4日星期五下午,他的父母接到了加州大学洛杉矶分校基因和代谢疾病诊所打来的电话。

他们被告知,周一早上带孩子来洛杉矶,在此期间确保他规律饮食。伯克利的一个州立实验室刚刚公布了血液检测结果。奥斯汀的生命可能被一种称为串联质谱的技术挽救了。

“串联质谱”是基因检测领域中最锋利的新武器。多亏了这些技术,医生们正在针对、管理甚至战胜致命疾病。基因筛查并不仅仅局限于新生儿。

有些疾病,如唐氏综合征和脊柱裂,通过羊水穿刺和更复杂的探测在子宫内诊断。在受精诊所,额外付费即可在胚胎植入前对其进行分析。那些可能是遗传病(如泰萨克斯病或囊性纤维化)携带者的准父母,可以通过基因检测来确定。

在所有这些应用中,疾病都迫在眉睫。但基因检测也开始预测长期疾病。加州大学洛杉矶分校医学院医学遗传学教授韦恩·格罗迪说,自从通过人类基因组计划获取人类DNA序列以来,科学家们“逐渐意识到,几乎每种疾病都包含基因成分”。

研究人员甚至相信,成年期的常见疾病,如心脏病和糖尿病,在人们的基因组中都有线索,这些线索可以在疾病发展之前很久就被发现。如果真是这样,医生将在治疗上抢占先机。

大规模预测性检测的先锋是新生儿筛查。这些州立项目几乎在所有人的关注范围之外悄然运行,而DNA芯片、生物技术魔术和备受瞩目的人物却更受关注。这可能是因为推动基因业务的制药公司似乎对成人医学比儿童疾病更感兴趣。

广告

在没有大张旗鼓的情况下,美国公共资助的实验室现在每年对400万婴儿进行新的诊断方法筛查。串联质谱法虽然不如即将推出的扫描技术全面,但可以通过对一小滴血液的快速检测识别30多种疾病。大多数人不知道,但面向大众的基因检测已经开始了。

1958年,奥斯汀的祖母出生时,婴儿还无法检测遗传疾病。父母可能会担心出生缺陷,这些缺陷通常会立即显现出来,但不会担心遗传性疾病会在看似健康的儿童体内积聚并突然发作。

广告

如果琳达·费尔南德斯晚出生几年,她的血液就会被筛查苯丙酮尿症 (PKU)。你可能从未听说过苯丙酮尿症,但自20世纪60年代中期以来出生的大多数美国人都接受过这种检测。如果不治疗,这种遗传病会导致脑损伤和严重的智力迟钝。然而,通过低蛋白饮食可以很容易地控制它。因此,一个简单的检测就可以控制甚至消除一种罕见的疾病。

到琳达·费尔南德斯的儿子杰森于1981年出生时,加州正在检测另外两种疾病——甲状腺功能减退症(一种内分泌疾病,需要立即施用甲状腺激素以防婴儿身体和智力发育迟缓)和半乳糖血症(一种代谢疾病,源于婴儿无法消化牛奶中的糖(半乳糖))。除非避免牛奶,否则孩子可能因有毒副产物的堆积而死亡。新生儿筛查使杰森·穆尔德避免了三种潜在的致残命运。

在决定筛查某种疾病之前,州卫生部门会考虑该疾病的严重程度和可治疗性,以及检测的准确性和成本。在20世纪80年代,第四类疾病,包括镰状细胞性贫血,被添加到检测组中。这样做的理由比前三种疾病更为宽松,因为镰状细胞性疾病没有明确的治疗方法。因此,加州迟迟没有下令进行镰状细胞检测。

它一直推迟到1990年。还有五个州尚未承诺实施这项检测。

广告

十多年后的今天,串联质谱法给加州的新生儿筛查项目带来了翻天覆地的变化。杰森的儿子奥斯汀在几天内通过了标准的四项检测。串联质谱检测还需要几周才能完成。

串联质谱的基本技术已经有超过一个世纪的历史,但大约十年前,北卡罗来纳州和宾夕法尼亚州将其应用于新生儿筛查。该设备耗资约30万美元,可以识别血液中的一系列生化物质。

首先,从血液样本中提取分子并将其转化为带电离子的流。该质谱仪之所以称为串联,是因为机器对样本进行两次快速连续分析,一次是在分子完整时,另一次是在分子碎裂后。机器根据重量对粒子进行分类,计算机将结果显示为峰值光谱。

异常高或低的峰值是生化疾病的指纹。串联质谱不是DNA检测;它以老式的方式,通过推断来寻找基因缺陷。该机器测量基因的化学产物,或更常见的是,缺少产物,这可能导致另一种化学物质达到峰值。通常医生会尝试用新的DNA方法学确认阳性结果,直接追溯问题来源。

广告

十月,一个密封着铝箔的小塑料托盘,像一个微型电视晚餐一样,被放置在伯克利实验室进行分析。托盘中装有来自85个儿童的独立样本。其中一个是奥斯汀·穆尔德的。一根细针从机器“自动取样器”的头部降下,刺破了其中一个样本上方的箔片。一滴液体被抽取出来并注入机器,在那里它被气化、电离,并分析了其几十种成分。然后自动取样器移动到下一个样本。

考虑到所检查病症的罕见性,一个安全的统计推断是,本次运行的85个样本中有84个没有产生异常光谱。但奥斯汀的读数显示,一种名为C-8的脂肪酸峰值比正常高20倍。C-8的峰值表明存在一种叫做中链酰基辅酶A脱氢酶缺乏症,幸好可以缩写为MCADD。

广告

这是一种在一个世代以前闻所未闻,或者至少未被描述的遗传病,尽管在此之前它肯定夺走了许多儿童的生命。MCADD是一种隐性遗传病。杰森携带有这种疾病的基因,他的妻子安吉拉也携带有同样的缺陷DNA。他们俩都是健康的携带者,但他们的宝宝结合了这两个缺陷基因。

MCADD指的是一种帮助身体代谢脂肪的酶。如果它缺失,脂肪酸就会在血液和肝脏中积聚。此外,身体会因缺乏能量来源而承受压力。葡萄糖,一种糖的形式,可以代替脂肪被利用,但如果葡萄糖被消耗掉,例如,因为婴儿错过了一次或多次喂养,那么就可能发生致命的休克。

婴儿感冒,烦躁,不吃饭,接着父母就发现他们的孩子陷入昏迷。大约三分之一未确诊的儿童会死亡。大多数幸存者会受到严重损害。矛盾的是,这种危险疾病的简单预防性治疗方法是定期喂食低脂配方奶。如果MCADD儿童因任何原因不吃东西,父母就知道带他或她去急诊室静脉注射葡萄糖。

一旦奥斯汀的代谢峰值被检测出来,卫生部门的反应非常迅速。第二天早上,基因疾病分部打电话给穆尔德夫妇和他们的儿科医生,但未成功。下午,一份传真被发送到儿科医生的办公室。州政府还通知了加州大学洛杉矶分校的基因和代谢疾病诊所,这是离穆尔德夫妇最近的诊所。

当天下午晚些时候,加州大学洛杉矶分校诊所的护士协调员艾丽卡·张联系上了安吉拉。在诊断得到确认之前,她刻意对诊断结果含糊其辞。“我不想吓到他们,”张说。

杰森震惊不已,“就像被踢了一脚”,他花了一个周末在网上搜索关于MCADD的信息。安吉拉泪流满面。琳达·费尔南德斯提醒这对年轻的父母,奥斯汀看起来非常健康,显然他不会一夜之间死去,从而让他们平静下来。事实上,只要宝宝继续正常进食,他就没有危险。

广告
广告

到周一结束时,在诊所进行检查和咨询后,杰森、安吉拉和琳达对奥斯汀感到安心,并非常感谢这个警告,尽管来得晚。“当你的孩子在医院快死了的时候,他们才会发现其他疾病,”安吉拉说。“所以我感到非常幸运。”

在公共卫生保护方面,加州既不是最先进的,也不是最落后的州,但由于它是人口最多的州,其政策在全国具有巨大的影响力。发现奥斯汀·穆尔德病情的项目仍处于初步阶段:无法保证串联质谱技术将提供给该州每年出生的54万名婴儿。目前,串联质谱技术筛查的美国新生儿不到一半。

家长团体和治疗代谢紊乱的医生一直在游说在全国范围内扩大新生儿检测,毫无疑问,如果这项新技术检测出的紊乱更普遍,他们现在就已经赢得了争论。

“这些疾病极为罕见,”美国医学遗传学学院执行董事迈克尔·沃森说。例如,苯丙酮尿症影响大约每16,000名婴儿中的一名,而MCADD影响大约每12,000名婴儿中的一名。半乳糖血症甚至更罕见,影响每53,000名婴儿中的一名。一种名为枫糖尿症的疾病,可以通过串联质谱检测出来,其发病率约为每183,000名新生儿中的一名。

加利福尼亚州奥海的杰森、安吉拉和奥斯汀·穆尔德(现10个月大)在杰森的母亲琳达·费尔南德斯家中拍摄全家福。| 凯瑟琳·莱德纳

然而,沃森指出,如果将所有可用技术可检测到的疾病加起来,在任何给定婴儿中发现其中一种疾病的几率是两千分之一。倡导更多筛查的人倾向于这样计算患病率,以强化他们的论点。

沃森更为谨慎。他负责一个委员会,该委员会将于明年推荐新生儿检测的国家标准。“我们将制定评估扩展的科学标准,”他说,“其次,我们将建议应该添加哪些疾病。”最终,各州将决定他们能够和不能负担哪些检测以及如何资助它们。正如许多批评者所指出的,今天的系统是不公平的。各州的检测项目像一块拼布被一样,覆盖了国家某些地区的婴儿,而可能使其他地区的婴儿面临严重疾病。

广告

新生儿筛查的法律依据是,州政府正在代表那些健康可能被忽视的儿童行事。伦理论点直截了当:早期发现可以带来更好的结果。在大多数州,如果父母有宗教异议,他们可以拒绝给孩子进行检测,但他们很少被告知有这个选择。

在所有实际目的上,对遗传疾病的筛查——从西弗吉尼亚州、南达科他州和蒙大拿州最少的三种疾病,到北卡罗来纳州和俄勒冈州等州超过30种疾病——都是强制性的。在需要同意才能进行串联质谱额外筛查的州,父母几乎总是同意,因为它不需要从婴儿身上抽取额外的血液。

广告

婴儿检测远不止采集和分析血液。令医生烦恼的是,绝大多数阳性结果都是假阳性,这并非因为串联质谱或其他检测出错,而是因为某些婴儿处于“正常边缘”状态。他们的代谢异常并不会让他们生病。经过检查,他们不需要治疗或进一步的关注。

另一方面是检测结果严重异常的婴儿,例如奥斯汀·穆尔德,他们需要长期的随访。在加州串联质谱实验的第一年,奥斯汀是检测到的12例MCADD病例之一。截至今年5月,该项目在331,000份样本中总共发现了40种代谢紊乱,约占7,800例中的一例。

所有结果审查完毕后,州长和立法机构将决定是否将其扩大为永久性项目。如果决定如此,加州的费用(大部分由医疗保险承担)将从每次筛查60美元上涨到约80美元。

加州卫生服务部基因疾病科负责人乔治·坎宁安表示,推动增加新检测和建立国家标准的决定可能不会基于科学,尽管科学依据很充分。它将归结为预算政治。坎宁安希望各州能获得更多帮助。

广告

“联邦政府花费数十亿美元来描绘人类基因组,开发可能在未来导致遗传疾病检测的知识,却只投入少量资金用于一个能立即造福儿童的项目,”他说。

三年前,美国儿科学会的一个工作组发布了一份里程碑式报告,题为《新生儿筛查:未来蓝图》。该研究指出,“新生儿筛查今天可以早期识别和治疗大约十几种疾病,到2010年可能会有数十种疾病。”

但它警告说,“伴随这些新技术而来的是检测受遗传条件影响的个体能力,而这些条件可能没有早期检测的明显优势,没有早期或有效的治疗,或者根本没有可用的治疗。”

串联质谱是即将问世的更多功能设备的“探路者”。犹他大学儿科和医学伦理学教授杰弗里·博特金说:“理论上,我们可以在床边使用DNA芯片进行5万次基因检测。”“但是,新生儿筛查的扩展理由会成为对儿童进行全面基因评估的楔子吗?”他问道。

广告

博特金指出,除了长期的健康风险,儿童的行为特征也可以被预测——个性的萌芽元素。那么,这些信息又将如何被利用呢?

当然,新生儿筛查的改革者不希望看到该项目陷入对基因医学的宏大推测性问题中。维克多·麦库西克和莉娜·佩尔托宁在《科学》杂志上发表的一篇有影响力的论文中的以下声明让他们不寒而栗:“目前,新生儿可以筛查可治疗的遗传疾病,例如苯丙酮尿症。也许在不远的将来,冠状动脉疾病高风险儿童将被识别并接受治疗,以防止他们在成年期血管壁发生变化。”

广告

那有什么问题呢?“新生儿筛查已经进行了40年,”国家PKU及相关疾病联盟的特里什·穆拉利说。“我真不希望看到它与基因流行病学研究混为一谈。我担心公众不会理解,并会被误导认为筛查是件坏事。人们会对DNA感到恐慌。‘这最终会进入某个数据库吗?’这可能会让父母说,‘我不想让我的孩子接受筛查。’”

“生命线”的米歇尔·克林补充说:“即使你把它写进知情同意书,我们也发现父母不会理解。你需要快速行动,所以目前我们希望每个州都开始强制筛查10种可治疗的疾病。然后我们会提高标准,将其他疾病也包括在内。”

生物伦理学家博特金也同意:“如果它现在与孩子无关,就不要做。等到他们成年后,让他们自己决定是否要进行这些检测。”这也是1997年一个全国委员会对这个问题的看法。但博特金认为,“最终哲学上会发生变化”,转向筛查那些孩子和父母可能无法改变的状况。

他列举的目前可行的检测包括BRCA1基因检测(该基因预示乳腺癌和卵巢癌易感性)以及HNPCC结肠癌风险检测。未来的检测可能会提供有关心血管疾病和II型糖尿病风险的信息。

诚然,目前还没有任何卫生官员朝这个方向推动新生儿筛查,而且从个体DNA中得出广泛诊断的方法在奥斯汀·穆尔德成年之前不太可能可靠。医疗保健管理人员面临的直接压力是,是否要更努力地寻找罕见但迫在眉睫的疾病,而不是那些症状可能遥遥无期的疾病。

加州大学洛杉矶分校的爱德华·麦凯布是一位脚踏两界的专家。他是儿科学系执行主席,也是该大学马特尔儿童医院的主治医生。几年前,他共同主持了美国儿科学会新生儿筛查工作组,并宣布自己是“一位将推动全国新生儿议程的单一议题候选人”。

广告
广告

他注意到各州检测之间的差异,要求“婴儿享有平等的权利”。他乐观地认为,将采纳国家标准。他预计,人身伤害律师将通过针对疏忽州的索赔来促成此事。

麦凯布还指导一个智库,用他的话说,“探索遗传学与社会之间的张力”。最近,他和同事在加州大学洛杉矶分校举办了一场会议,被宣传为“店面基因组”,因为其前提是基因扫描将很快变得廉价和便捷,为消费者提供前所未有的洞察力。事实上,自去年12月卫生与公众服务部长任命他领导该部门的遗传学、健康与社会咨询委员会以来,麦凯布已成为联邦政府在这些问题上的高级顾问之一。

因此,可以说麦凯布正在监督医学遗传学领域跨大陆铁路的建设。一个方向,他可以看到新生儿筛查的轨道正在推进;另一个方向,虽然起步较晚但速度更快,是个体基因检测的闪亮轨道。在未来的某个时刻,两者将汇合。

那是什么时候呢?麦凯布预计,个性化医疗——基于基因检测,针对个人基因组定制的疗法——将在20到30年内实现。“也许这过于保守了,”他补充道。“但在未来的五到十年里,绝大多数基因检测将通过新生儿筛查完成。”

因此,他对串联质谱技术充满热情,尽管它不能直接检测人类DNA。在突出代谢紊乱方面,这个过程捕捉到了麦凯布所说的“代谢组”,即所有参与代谢的分子。他相信这个系统可以做得更多。

过去对数百万人的检测也可以做得更多。大量的DNA存在于以前筛查的血斑中。大多数州不会丢弃其新生儿卡片。包括麦凯布在内的几位研究人员已经表明,可以从这些血斑中提取个体的遗传信息。(这项工作是在“匿名化”样本上进行的。)

广告

新生儿并非DNA的唯一来源。麦凯布是人口筛查的忠实支持者,当他指出军事和政府机构正在编制的数据库时,人们很容易看到这些信息的力量。例如,罪犯通常被迫向警方和刑事机构提供他们的DNA。

“如果暴力基因被识别并有治疗方法呢?”麦凯布问道。“高风险群体将是暴力重罪犯。他们的DNA已经储存在银行里。筛查那些带有暴力突变并可以接受治疗的人,难道不符合他们自身和社会的利益吗?”

广告

今年年初,穆尔德夫妇开车带着奥斯汀去了加州大学洛杉矶分校的遗传学诊所进行定期检查。他们带来了杰森用来记录奥斯汀喂养情况的电子表格,还有一个活页夹,里面装着关于MCADD的事实。他们已经摆脱了恐惧,父母俩镇定自若,知识渊博。他们的儿子是一个可爱的光头小家伙,伸手抓任何东西,并试图把抓到的东西塞进嘴里。奶奶琳达则柔声哄着他,让他忙个不停。

医生斯蒂芬·塞德鲍姆对这次检查很满意。“他永远不会完全自由,”塞德鲍姆对着奥斯汀做鬼脸说,“他将永远处于无脂饮食状态。”

“他不能在麦当劳吃开心乐园餐,”安吉拉说。

“等他5岁上学的时候,又会有另一系列(饮食)问题要处理,”塞德鲍姆说。“我们会和这个家庭相处一段时间。我们会一起成长。”

广告

之后一家人去吃点东西。杰森点了一个汉堡,安吉拉点了一份小披萨,琳达点了一个鲁本三明治,奥斯汀则喝了他的奶瓶。婴儿配方奶中含有肉碱补充剂,以帮助消化。

“脂肪无处可去,”杰森解释道。“他不能燃烧它,它可能会滞留在他的大脑里。”

“等他长大了,我们该如何调整饮食呢?”琳达想知道。“我们是肉食者。他不能吃肉,我们也要因此改变吗?”

这让杰森想起了自己患心脏病的风险,以及这些信息可能在预测成为现实的几十年前就从他的基因中筛选出来。

广告

“他将要遵循的饮食,无论如何我们都应该遵循,”杰森说。他没有拿起他的汉堡。然而,奥斯汀却伸手去抓。

[本文最初刊登在纸质版上,标题为“Testing the Future.”]

广告

保持好奇

加入我们的列表

订阅我们的每周科学更新

查看我们的 隐私政策

订阅杂志

订阅可享封面价高达六折优惠 《发现》杂志。

订阅
广告

1篇免费文章