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   來源： 中國科技網  作者： 馮衛東 劉霞

  （六）產前DNA測序：成長的煩惱

自香港科學家盧煜明（音譯）在1997年發現孕婦血液中存在胎兒DNA這一現象至今，無創產前DNA測序以前所未有的速度從實驗室邁向市場。胎兒全基因組測序已經成為基因組革命的下一個前沿領域，隨著測序技術的發展，胎兒全基因組測序也不再只是一個技術問題，而成為一個重要的社會問題。

重要性：未來，兒童出生時，醫生就能完整地列出他們在遺傳方面的優勢和劣勢。

突破：通過孕婦的血液來對胎兒的DNA進行測序。

主要參與者：美國基因分析儀制造商Illumina公司、美國無創產前診斷公司Verinata（專攻非侵入性測試早期發現胎兒染色體異常）、美國斯坦福大學、美國華盛頓大學基因組科學副教授杰•申杜雷。

今年1月份，全球銷量最大的DNA測序儀制造商、美國Illumina公司同意以大約5億美元的價格收購Verinata Health公司，這是一家位于美國加州的采用非侵入性檢測方法進行胎兒染色體異常早期識別的新創公司，幾乎沒有任何盈利。Verinata公司所擁有的是能在胎兒出生前對其DNA進行測序的無創產前診斷技術。當然，這項技術不可避免地充滿了倫理爭議。

這一收購行為也是產前DNA測試的擴張勢頭在美國越演越烈的最佳注腳，其中占據市場份額最大的四家公司使用的都是Illumina公司研發的測序機，Verinata是其中之一。目前正在進行的測試，都始于過去18個月之內，這些測試能通過追蹤孕婦血液中胎兒的DNA來探測嬰兒是否罹患唐氏綜合征。

因為這種非侵入式的篩查技術更安全、簡單，因此，它成為迄今最快被接受的測試之一，也為Illumina制造的DNA測序儀找到了一個新的用武之地，此前，這些機器最常出現的地方就是實驗室。

Illumina公司的首席執行官杰伊•弗萊特利說，他希望每年能有200萬名美國女性（幾乎占孕婦總數的一半）能接受這項測試。目前，已有25萬名孕婦正在接受這種非侵入式的測試。美國波士頓塔夫茨大學醫學院母嬰研究所的執行理事、Verinata公司首席臨床顧問戴安娜•比安奇表示：“這么快就從實驗室研究發展到獲得用戶認可，這在醫學檢測史上前所未有。”

但是，唐氏綜合征篩查可能只是產前DNA測序技術這出好戲的一支序曲。提供唐氏綜合征檢測的實驗室和公司，比如Verinata公司也表示，他們已經厘清了如何從母親的血液中獲取更多信息，包括其腹中胎兒完整的基因組序列。這是一項技術突破，可能也是一項商業突破。懷孕伴隨著希望、焦慮，孕婦會頻繁地看醫生，這可能也是基因檢測技術最終大展拳腳的領域。

美國貝勒醫學院分子人類遺傳學系主任亞瑟•貝奧德特表示：“我認為，在妊娠早期，我們可以對每個胎兒的基因組，至少是部分基因組進行測序。”現在，一些病患接受遺傳測序是為了厘清自己罹患遺傳疾病或癌癥的緣由，但未來，人們不會等到生病了才進行遺傳測序。貝奧德特表示：“未來，人們一出生，就會知道相關數據。”

不過，這種情況并不會觸手可及。首先，準確地從母親的血液中挑選出胎兒的DNA代碼需要進行大量重復測序，這對于常規檢查來說太貴了。目前，Illumina對每個成人基因組測序收費9500英鎊，而對胎兒DNA進行測序則會更貴。另外，還有一個技術問題：胎兒基因組測序結果的精確度還不足以用于診斷。而且，從倫理上來講，這項技術在美國還是一個雷區:當胎兒還在子宮中，我們就知道了他的遺傳命運，那么，我們會做出什么選擇呢？

華盛頓大學基因組科學副教授杰•申杜雷表示：“從技術上來說，在我們想明白是否我們應該這么做之前，什么都可能發生。如果你已經知道了胎兒的所有基因組信息，你會怎么處置呢？有很多問題需要解決。”

申杜雷同Verinata的一個競爭對手Ariosa公司有合作。去年夏天，美國有兩家實驗室展示了如何從孕婦的血液中獲取胎兒的DNA，申杜雷的實驗室就是其中之一。他說，目前進行的這些針對胎兒的研究，包括他自己的研究，都是可以追溯的，研究樣本都在醫院保留著。申杜雷表示，他正在同斯坦福大學的醫生們攜手合作，在真實的妊娠過程中實施這一技術。換句話說，最快在今年就會有第一例出生前就進行過全基因組測序的嬰兒出生。

對胎兒的全基因組進行測序

1997年，香港科學家盧煜明（音譯）發現，懷孕女性的血液中含有數萬億個胎兒的DNA碎片。這些DNA來自于胎盤中已經死亡和已被破壞的細胞。盧煜明估計，在母親血管內自由漂流的DNA中，僅有15%的DNA屬于胎兒。快速DNA測序技術可以將這些碎片變成豐富的信息。

唐氏綜合征會導致智能障礙、體格發育落后和特殊面容，并可伴有多發畸形。為了篩查這種疾病，遺傳學家們一般利用顯微鏡對羊膜腔穿制術獲得的胎兒細胞中染色體的數目進行計數。如果在21號染色體上出現多余的副本，則意味著胎兒已被感染，會發生唐氏綜合征，面對這一診斷，65%的美國孕婦會選擇流產。

為了從幾毫升母親的血液中獲取羊膜腔穿刺術得到的信息，科學家們使用了首先由盧煜明提出的策略。他們對數百萬個這樣的循環DNA片段（一般包括50到500個堿基）進行隨機測序，隨后通過計算機程序將這些片段拼接在一起并同人類的染色體圖譜進行比較。剩下的就是計算了：如果得到的信息超過組成21號染色體的數量，則說明存在額外的副本，胎兒已經罹患唐氏綜合征。這一方法很巧妙，因為母親的DNA和胎兒的DNA是否混雜在一起無關緊要，而且，母親的DNA和胎兒的DNA有些部分可能一模一樣。同樣的方法也能用于檢測18號染色體和13號染色體的三體綜合征——都伴隨著X染色體的缺失或復制現象，所有這些均會導致胎兒的出生缺陷。

去年7月份，Verinata公司的科學創始人、斯坦福大學生物工程與應用物理學教授、霍華德•休斯醫學研究會研究員斯蒂芬•奎克研究證實，除了追蹤多余的染色體副本以外，對孕婦血液中的胎兒DNA進行測序可以揭示胎兒所有的遺傳代碼，所有的字母都包括。申杜雷的實驗室和另外兩個中國的研究團隊也在進行同樣的研究。

利用母親血液中的這些DNA片段來重建包含有60億個堿基的胎兒基因組并非易事。科學家們需要進行大量的額外測序工作來查看母親的基因。申杜雷表示，成本可能高達5萬美元，而且，因為成本增加，奎克的實驗室終止了這一實驗。

然而，這項研究表明，全基因組檢測可以作為一類通用檢測手段，不僅可以用于染色體數目異常篩查，也可以用于常見遺傳疾病的篩查。比如囊腫性纖維化或者乙型地中海型貧血——當某人分別從雙親那兒遺傳了某個特定基因的破壞性版本，就可能罹患這一疾病。目前，大約有3000個這樣的病例，科學家們對病因已了如指掌。

還有大約200種其他病癥，包括某些類型的自閉癥，都由某些更大段的DNA復制或缺失所造成。基因組測序可以發現所有這些異常。

奎克表示，證實胎兒全基因組讀取的可行性不過是對基礎技術的“合乎邏輯的展開”。然而，奎克和其他人不太確定的是，一種通用的DNA檢測最終是否能成為一種重要而常規的醫學手段，就像專門針對唐氏綜合征所進行的測試那樣。奎克說：“我們只是將它看成一種學術行為，純粹是為了好玩。但如果你問我，你打算在小孩出生時就知道其基因組嗎？我可能會反問你，為何要知道呢？”奎克表示，目前，他正在對這一技術進行改進，以便醫生可以用較低成本來發現在醫學領域非常重要的基因。

問題在于，現在人們還不知道醫生或父母是否真的希望獲得這些信息。Illumina公司的個人基因組測序技術就面臨過這一挑戰，2009年，該公司首次利用這一技術，給病人提供了全基因組測序結果。然而，這一服務現在并沒有興起。Illumina大約一天解碼一個基因組，用于醫學領域（大多數是罹患癌癥的病患，或罹患某些疑難雜癥的年輕人）。顯然，目前的情況是，收集DNA數據的能力已經超越了對這些數據進行解讀的能力，也意味著測序能力超過了醫學需求。Illumina公司的首席技術官穆斯塔法•羅納弗表示：“證明基因組的實用性是這一技術繼續向前面臨的主要挑戰。”

為什么擔心？

Illumina公司的首席執行官杰•弗拉特利主導了該公司對Verinata公司的收購事宜。這名現年60歲的CEO通過將其他測序儀制造商遠遠甩在腦后，讓公司的年利潤達到了11.5億美元。而且，去年，Illumina在他的主導下，成功抵制了全球最大的診斷公司羅氏公司提出的67億美元的惡意收購。弗拉特利成功說服了股東不要接受這一要約，他保證會使基因組學成為人們日常生活中的一部分，從而讓公司的利潤節節攀升。

多年前，弗拉特利就預測說，基因組測序會變成現實，而且，嬰兒在出生伊始就可以獲得自己的DNA測序結果。現在他認為，這一切或許會更早實現，在母親懷孕時就知道。在基因組測序這個以瘋狂、諾言無法實現而著稱的領域，弗拉特利以冷靜且現實而著稱，他的預測常常成為現實。他說：“技術本身并不是問題，兩年內就可以做到。但是，要想徹底商業化還遙遙無期，很多人本能地會有些負面反應，并且他們的出發點還是好的。”

問題在于，擁有更多與胎兒的特征有關的信息可能會讓醫生或者父母無所適從，他們無法理解某些信息，或許也不知道如何處理這些信息。而且，如果他們真的有所行動，可能也會產生爭議。斯坦福大學生研究生物倫理的法學教授亨瑞•格利表示：“全基因組測序或許會打開一個潘多拉的魔盒。有了全基因組信息后，你可能會尋找與筆直的鼻梁、卷曲的頭發有關的信息，但是，有多少父母會因為孩子將來可能禿頭而選擇流產呢？我認為寥寥無幾，但也并非沒有。”格利表示：“在懷孕早期，6周到8周左右，醫生就可以在血管中探測出胎兒的DNA，因此，終止妊娠就變得相對簡單。”

能引發公眾對優生學憂慮的例子不勝枚舉。今年，Verinata公司使用染色體計數測試，開始提供針對克萊里菲爾特綜合征的篩查，罹患這一疾病的男性可能擁有額外的X染色體，從而使病患的睪丸素降低，出現女性特征，患者不育的比例為千分之一。而且，這一疾病的癥狀可能并不明顯，這就使得罹患該疾病的人甚至意識不到它的存在。即便如此，約有一半的女性還是會選擇終止妊娠。如果Verinata的測試得到廣泛應用，那么，更多女性將不得不決定是否做出這一選擇。

盧煜明認為，隨著胎兒DNA測序技術的發展和完善，提供這種檢測的公司應該限定自己只提供20種左右最常見的嚴重疾病的報告。盧煜明說：“我們正在面對的挑戰是客戶在尋找什么樣的信息以及怎么給女性提供建議。我認為，我們必須以符合倫理的方式來使用這一技術，而且，應該限制對那些不會威脅生命的信息——比如某人在40歲左右時可能會罹患糖尿病——進行分析。我們甚至不知道40年后的醫學會發展到什么程度，因此，做媽媽的有什么好擔心的呢？”

美國俄克拉荷馬州立大學的人類學家莫瑞斯•福斯特是Illumina公司倫理顧問委員會的負責人，他表示，他和弗拉特利已經對未出生嬰兒的全基因組測序進行過討論。福斯特說：“顯然，這是一個新生事物。我對Illumina的建議是只接受來自醫生的訂單，不向醫生提供測評，而我給醫生的倫理建議則要復雜和細致得多。”

醫療領域的專家們正試圖為如何處理成人基因組數據制定規則。而且，福斯特表示，產前基因組測序使醫生面臨的法律和倫理義務更加復雜。首先，成人能夠決定是否接受基因組測序，但未出生的嬰兒不可能做出決定和選擇，而且，這些信息可能影響終生。福斯特說：“全基因組測序結果總會告訴你一些你根本束手無策的信息。與其阻止人們了解自己的遺傳信息，不如恰當地去利用這一技術，使其不會讓人們感到焦慮，也不會給家庭和醫療資源帶來負擔。”

如果有什么事值得福斯特擔心的話，那就是，他擔心人們可能會對基因寄望太高。他說：“我認為，最大的風險是對遺傳發現進行過度詮釋——醫生認為某個遺傳變異同糖尿病有關，你就認為你可能會罹患糖尿病；沒有這個遺傳變異，你就不會罹患糖尿病。對于父母來說，這樣的可能性看起來像確定性，即使事實并非如此。不過，如果孩子天生就有遺傳方面的風險，那么，父母會用不同的態度來對待孩子嗎？”

Illumina公司的醫學基因組實驗室目前僅對成人或患病兒童的DNA數據進行分析。而且，其新收購的Verinata公司僅僅進行醫生們熟悉的改進后的胎兒染色體測試。即便如此，因為產前DNA技術在實驗室的發展速度非常快，弗拉特利認為，社會需要制定某些新的法律來對其進行管理。他說：“法律規定你不能做什么會有很大幫助。”

但從另一個角度來說，眾說紛紜可能會阻礙基因組測序技術前進的步伐。Illumina公司的墻上貼著2009年的一篇報道，弗拉特利在這篇報道中預測，2019年，所有的新生兒都將會擁有自己的全基因組測序結果，距離現在只有不足6年的時間。弗拉特利表示：“限制DNA測序技術發展和該公司前景的是社會學，唯一的限制是‘人們認為何時或何地可以采用這項技術’。”

（七）3D打印技術：我的未來不是夢

過去一年最流行的趨勢之一就是3D（三維）打印技術的發展和普及。許多公司現在開始利用3D打印機，通過多層材料的積累來形成完整的產品或者部件。而麻省理工學院稱，通用電氣公司最近正采用3D打印技術來為新型飛機打印燃油噴嘴。

重要性：該技術可以降低復雜零件的制造成本，因此，有望讓很多制造領域煥發生機。

突破：全球最大的制造商美國通用電氣公司（GE）將使用3D打印技術為新型飛機上的發動機打印一個關鍵的零部件——燃油噴嘴。

主要參與者：通用電氣航空公司（GE）、歐洲宇航防務集團（EADS）、美國聯合技術公司（主要業務：航空航天）、普拉特•惠特尼集團公司（美國最大的兩家航空發動機制造公司之一，也是世界主要的航空燃氣渦輪發動機制造商之一）。

3D打印技術也被稱為疊層制造技術，是一種最新的快速成型制造技術，其與激光成型技術一樣，都是采用分層加工、疊加成形，即通過逐層增加材料來生成3D實體。該技術最突出的優點是無需機械加工或制造出任何模具，就能直接從計算機圖形數據中生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產率并降低生產成本。

3D打印機出現在上世紀90年代中期，它是一種利用光固化和紙層疊等技術的快速成型裝置。它與普通打印機工作原理基本相同：打印機內裝有液體或粉末等“打印材料”，與電腦連接后，通過電腦控制把“打印材料”層層疊加起來，最終把計算機上的藍圖變成實物。這一技術如今在多個領域得到應用，人們用它來制造服裝、建筑模型、汽車等。

隨著技術的進步，3D打印機的應用領域也在不斷擴展。美國科學家已經研發出了能打印皮膚、軟骨、骨頭和身體其他器官的3D“生物打印機”。人們還使用3D打印機來制造雕塑并修復雕塑，制造由塑料和聚合物制成的3D物體并打印出了食品。

盡管人們已經用3D打印技術制造出了諸多產品，工程師和設計師們也利用其制造出了很多塑料模型，但像GE航空公司那樣，利用3D打印技術大規模制造燃油噴嘴這種金屬合金則是該技術的一個里程碑。因為，盡管對消費者和小企業主來說，3D打印技術并不陌生，但這一技術唯有用于制造業才能發揮最大的商業影響力。GE航空公司表示，這種噴嘴預計在2015年年底或2016年年初完成。每個飛機發動機需要10個到20個噴嘴，因此，在這3年內，該公司每年需要制造出2.5萬個噴嘴。

與傳統技術相比，GE公司制造噴嘴的新方法用到的原材料更少，因此可以降低公司的生產成本；而且，這一方法制造出的零件更輕便，可以更好地為飛機省油。傳統技術需要將大約20個小零件焊接在一起，這不僅耗費大量人力，也會留下很多廢料。而新方法則使用鈷鉻粉末來制造這種零件——一臺計算機控制的激光器朝這些粉末精準地發射激光束，將金屬合金融化在合適的地方，制造出多個20微米厚的層。因為激光可以不停歇地工作，所以新方法更快。而且，新技術對材料的利用效率也更高。

GE公司的其他部門和競爭者都在密切關注這項技術。GE發電設備和水處理公司主要生產大型的氣體渦輪機和風力渦輪機，該公司已經確定了一些能用3D打印技術制造的零部件。GE醫療公司也研發了一種方法來打印變頻器——一種用在超聲波機器內的昂貴的陶瓷探頭。而且，新技術處理的是計算機模型，因此，人們能設計出全新的形狀而不需要考慮目前制造上可能存在的局限性。GE公司的首席技術官馬克•尼特表示：“3D打印技術目前正在改變我們對公司的規劃，我們能制造以前無法完成的產品。”

GE公司的工程師們也開始探究如何用3D打印技術制造其他合金，包括有些專門為3D打印機而設計的材料。例如，GE航空公司的研究人員正在嘗試鈦、鋁和鎳鉻合金。單個零件或許可以由多種合金制成，這讓設計師們可以采用鑄造無法做到的方式定制材料的屬性。比如，發動機或者渦輪機上使用的葉片可以由不同的材料制造而成，因此，一端可以讓其強度達到最優；而另一端則可以讓其抗熱性達到最優。

所有這些仍然只是紙上談兵。現在，GE公司的發動機噴嘴正在考驗3D打印技術是否可以變革我們制造復雜的高性能產品的方式。

不僅如此，甚至已經有人打算讓3D打印技術走出地球，進入更廣闊的宇宙空間一展雄風了。據報道，今年5月份，美國太空制造公司宣布，他們將與美國國家航空航天局馬歇爾航天中心合作，計劃在明年8月利用美國太空探索技術公司的貨運飛船，將新研發的太空3D打印機送往國際空間站，供宇航員在軌道生產零部件。屆時，人類將首次實現在地球外制造物品。

太空制造公司表示，國際空間站現有的30%以上的備用部件都可由這臺3D打印機制造。這將是通往未來的重要一步，3D打印技術能增加太空任務的安全性和可靠性，同時，由于不必從地球運輸，可降低太空任務的成本。