自动化遗传分析如何帮助罕见病诊断

　　世界医疗网讯    上次乐爸在美国为儿子治疗脱臼的事件，让人突然觉得美国医生治个脱臼又贵医生技术又差，好像美国的医疗突然落后中国很多年，事实上这样吗?

　　我们从一些病的死亡数据可能就能看出，中国医疗水平比美国落后，而且还落后很多年，看完数据就知道了。

　　斯坦福大学研究人员正在设计(新的)方法，让计算机帮助执行一些目前科学家在研究患者基因组从而诊断疾病时需要手动完成的密集遗传分析。

　　1997年，当Shayla Haddock出生时，她的父母立即意识到有些不对劲。作为家里的第六个孩子(共七个孩子)，Shayla的面部特征与众不同，足部畸形，而且四肢短于正常状态，体形小于大多数新生儿。听力测试表明她还存在耳聋问题。

　　医生2012年分析了Shayla Haddock的基因组，寻找导致其足部畸形、耳聋和四肢短于正常状态的原因。虽然初步分析没有提供诊断，但2015年的一次重新分析揭示了答案：Shayla罹患的是有一种被称为Wiedemann-Steiner综合征的罕见遗传病。这次重新分析使用了斯坦福大学新近开发的计算工具。

　　Shayla的父母，Cheryl和Levko Siloti，寻找了这些异常的答案，他们忧虑的是：在Cheryl怀孕期间，是否发生了一些本可以预防的问题而导致Shayla的症状?能够确诊并改进Shayla的治疗方案吗?如果Shayla的兄弟姐妹们将来成家立业，他们的孩子会面临相同的疾病风险吗?

　　“这是一种情感过山车”Cheryl Siloti说。多年来，就Shayla的状况，医生们提出了许多可能的诊断，但医学检查反复否定了他们的理论。“医生告知我们这些可能性，随后他们又否定了这些可能‘不，这个不是答案’”。

　　这个位于加州斯托克顿市的家庭所面临的问题说明了诊断罕见遗传病的挑战，也是阐释斯坦福大学医学院(Stanford University School of Medicine)科学家们为什么设计新方法以及如何提供帮助的一个范例。

　　医生们和Shayla的父母一样渴望做出诊断，但他们几乎得不出任何确切的结果。2012年8月10日——就在斯坦福西尔·帕卡德儿童医院(Lucile Packard Children's Hospital Stanford)的医生得出“无法将Shayla的遗传模式和症状与(任何)一种疾病相匹配”的结论两周后——一篇科学报告揭示了基因缺陷和一种罕见疾病之间联系的新发现，这篇文章允许医生们对Shayla做出诊断。但在那个时候，无法定期进行基因测试结果的重新分析，以考虑到新的知识。Shayla的家人和医生们仍然不知道他们已经可以获得答案。

　　——遗传再分析

　　去年，作为一项科学研究的一部分，Shayla的父母同意对她的基因组进行重新分析。这一次，斯坦福大学的计算机科学家使用他们开发的新型计算工具将Shayla的基因序列与科学文献进行比较。他们发现了2012年的(那篇)科学报告并预测Shayla罹患的是一种被称为Wiedemann-Steiner综合征(Wiedemann-Steiner syndrome)的罕见遗传病，预测得到了Shayla医生的证实。

　　“每过一个月，都会有更多的全球遗传多样性反映在科学数据库中，每次都会有更多信息，更容易解释接下来看到的(问题)”Shayla在帕卡德儿童医院的临床遗传学家Jon Bernstein博士说道。Jon Bernstein博士是7月21日在线发表于《医学遗传学》(Genetics in Medicine)的新报告的作者。研究中10%的患者——包括Shayla在内的4人，在首次遗传分析(平均于20个月之前进行)后没有获得诊断——基于最近的发现而被诊断为不同的罕见疾病。

　　这些“近在咫尺的遗漏”凸显了精准健康领域中的一个巨大挑战：虽然获得个人基因序列的速度、成本和工作量近年来急剧下降，但训练有素的专家依然需要工作大约20到40个小时来将患者的罕见突变与可能揭示诊断结果的科学文献信息相匹配。在疑似罹患罕见遗传病的患者中，75%无法在首次DNA分析后获得诊断。不过，知识库正在快速增长，研究人员每年都会发现大约250种遗传病的原因，同时找到9200个特定基因病因与已知疾病之间的关联。

　　——太多需要手动诊断

　　“我们的研究表明，由于存在稳定的发现率，因此对患者基因测试结果进行重新分析是有用的”Bernstein说道。Bernstein同时是斯坦福大学医学院的儿科学副教授。

　　“但是我们没有足够的人力资源，无法像临床医生和科学家们过去所做的那样来继续所有的手动分析”该研究资深作者，发育生物学、计算机科学和儿科学副教授Gill Bejerano博士说道。

　　Bejerano领导的计算机科学家们设计了新研究中使用的自动化方法。数百万美国人可能罹患某种形式的罕见遗传病，他指出——对于手动诊断而言太多了。“我们团队认为，相对于在每位患者的分析中继续投入数十个小时，更有意义的是将时间用于构建能够帮助我们完成大量工作的计算机科学工具”他说道。

　　在新的研究中，这些科学家测试了将未确诊患者基因组与现有基因数据库进行自动对比(的方法)能否加速诊断。结果表明这种方法有效。

　　“基因组根本上是一种程序语言”Bejerano说，“我们确实想使用机器学习和其他方法来构建计算机系统，将尽可能少的工作留给人类专家。在这些工作中，电脑不如人类，但我们认为我们能够通过计算机处理这种方法中80%到90%的工作，并在循环过程中为人类节省大量的时间。”

　　——对比患者和父母的基因

　　Bernstein和Bejerano表示，新研究的另一项关键发现是：将患者的基因序列和父母的基因序列进行对比，能够极大地加快诊断过程。这种对比有助于发现父母不携带而在患者中发生的新致病突变。“如果(患者)父母的数据摆在你的面前，这些(发现)就会更容易地显现。”Bernstein说道。

　　在Shayla的病例中，她的诊断为家人带来了他们一直寻求的答案。她的致病性突变不是从父母那里遗传的，而是自然发生的。这不是可预防的问题，也不会影响她兄弟姐妹们的孩子。“知道这些，真的让我们长长地舒了一口气”Siloti说道。

　　诊断也帮助Silotis找到了其他拥有同样患儿的家庭。他们在Facebook群组分享故事，而且感觉他们已经发现了支持和群体的新意义。“我们一直相信知识就是力量”Siloti说，“得到答案的感觉真好，特别是在经历长时间的寻找之后。”

　　这项新的研究由斯坦福大学儿科学系、斯坦福发现基金、国防高级研究计划局和国家卫生研究院(U01MH105949)资助。共同领导作者是研究科学家Aaron Wenger博士和 Harendra Guturu博士。

　　为什么难以诊断罕见遗传病，下面的数据能够带来启示：

　　1. 人类基因组的大小：30亿个碱基。碱基是构成我们基因和控制基因的基因组区域的“单词”中的单个“字母”;

　　2. 罹患某种形式罕见遗传病的美国人的数量估计为：2500万;

　　3. 每年新识别出原因的单基因疾病数量：250;

　　4. 每年新识别的与现有疾病相关联的基因改变的数量：9200;

　　5. 在怀疑罕见遗传病时，分析个人基因信息所需的时间：20到40小时;

　　6. 疑似罕见单基因疾病患者中首次基因测序就能获得诊断的比例：25%;

　　7. 为了帮助未确诊患者匹配新发现而进行重新分析的典型频率：一直很少，但得益于新的自动化基因分析技术，有望变得更为常见。

　　根据2015年美国癌症协会与2015年全国临床肿瘤学大会的统计数据

　　中美在癌症五年整体存活率上有着显著差距：30%对比66%

　　以三种致死率最高、最高发癌症为例：

　　肺癌：在美国和中国，肺癌都是致死率最高的癌症。2015年美国癌症协会发布的最新报告显示，美国肺癌五年整体存活率为16%。然而，由于早期筛查在美国的开展，早期肺癌5年生存率已达到70%到90%。其中，非创伤性的立体导向治疗(SBRT/SABR)结果与手术相似。中国肺癌整体存活率没有准确的报告数据，但一般认为五年存活率为8%-10%。

　　乳腺癌：美国乳腺癌五年整体存活率为89%，早期患者治愈率已达98%。中国乳腺癌发病率增长很快，为每年3-4%，但治疗水平很低，五年生存率仍不到60%。美国乳腺癌在Ⅰ期阶段即诊断出的概率为80%多，中国在Ⅰ期阶段诊断出乳腺癌的概率不到20%，一旦查出，多数已经转移或扩散。

　　前列腺癌：在美国，前列腺癌幸存患者接近280万，即每5例癌症幸存患者中就有1例是前列腺癌患者。美国的局限性前列腺癌患者的5年生存率接近100%，15年生存率也高达91.4%。在中国，5年生存率仅为30%，差距显著。

　　不管是从整体还是某种疾病的相关数据来比较，中美之间医疗水平的差距还是很明显的。造成这种差距的原因是多方面的：

　　1、严格的医生培养制度：美国比中国多6年甚至更长

　　医学教育水平是国家医疗体制的基础，医生教育是医疗保健体系的核心。中国的医生教育理念和美国的完全不同。在中国，中学毕业就能进医学院，医学院学习5年，毕业就可以做医生。中国的医生工资与其他行业相比并无明显优势，而劳动量却很大，因此不能吸引优秀人才。

　　在美国，只有最优秀的大学生才能报考医学院，而所有报考者中大约只有15%可以被录取。所有医生都必须取得博士学位。考入医学院以后，还需要经过刻苦的学习和长期的训练，才能成为一名医生。大学4年毕业后考入医学院，4年医学博士毕业后还当不了医生，必须在指定的一些基地医院继续进行住院医师培训。只有具备训练经历，才有资格参加医生从业资格考试。如果要进一步成为专科医生，比如心、胸外科医生，5年的普通外科培训后之后还要到指定专科医院(如德州心脏中心、MD安德森癌症中心)做2至3年的fellow。这样通过考核后才能成为拥有专科行医执照的专科医生。加起来，一个专科医生的培养，从中学毕业开始，至少需要13至15年。毕业行医时，医生的年龄都在31岁以上。在经过这样的培训以后，才可以成为主治医生，可以开始独立诊治病人。住院医生不同于主治医生，住院医生可以从政府获得资助，在他们成为主治医生后，他们的薪资会提高3到10倍。

　　如此严格漫长的培训使得美国的医生不仅训练有素，更较之其他国家的医生更显学术和严谨。在一个富裕的国家，还有什么比人的健康和生命还宝贵呢?可以说在美国从事为人的健康服务的医生都是最优秀的人才和社会的精英。除了爱心，美国医生最直接的动力就是医生的高收入。一般来说，医生的收入在美国所有行业收入中排名前10%，有的科室收入可以排到前3%。医生的年薪从10几万美元到超过百万美元。如此，高专业性及高收入，使得医生这个职业在美国非常受到尊敬，也可以说是整个美国社会金字塔顶端的职业。

　　2、中国医疗资源相对紧缺，资源分配不均

　　在美国，看病实行预约制度，“预约”本身就是为了保证医护人员有足够的时间为病人提供最佳的服务。一个医生一天只看几个病人，每个病人都可以享受到完善的诊断和治疗。美国医院非常重视培养医生要善于与人沟通，要有同情心和合作精神，特别是与患者的沟通。病人在门诊都是私密性较好的一对一服务，医生不厌其烦地解答、检查患者，一般初诊约45分钟，复诊约20分钟左右，遇到复杂病例可能时间还会延长。病人都知道：如果需要，他们有权利占用医生更多的时间。

　　在公立医院，美国医生的收入和诊治的病人量没有直接关系。如果医生自己开私人诊所，收入是与病人量有关的，但是与药品，诊断或实验检查无关，只与其行医的专业行为有关。

　　相较而言，在中国，医疗资源十分紧张。中国人口占世界人口的22%，但医疗资源却仅占世界医疗资源的2%，也就是差不多1/4的人口只占用1/50的医疗资源。导致医疗资源紧缺的原因也包括中国政府医疗投入不足：美国的医疗费用的支出是13.6%，英国6.8%，日本7.2%，德国10.7%，而中国仅为2%。

　　同时，中国的医疗资源还有分配不均的问题。因先进的医疗设备和资源多集中在一线城市，进而造成了全国的病人蜂拥至上海、北京、天津或广州的三甲医院。病人数量多，医生根本忙不过来。常常是病人通过彻夜排队好不容易挂上了号，真正见到医生以后的问诊时间却不过短短5分钟。患者根本无法和医生进行全面详细的交流问诊。这对患有肿瘤等重症的患者来说，当然难以接受。

　　3、中美的医疗技术尚未实现同步

　　美国高度发达的医疗产业带动医疗技术创新——美国医学界不断涌现治疗新技术和新手段，尤其是在药品研发和诊疗设备研发上全球顶尖。但是这些先进的治疗技术和手段，由于进入中国医院需要通过相当复杂的审批机制，因此时间上会比美国晚很多年，并主要集中在大医院。这方面中国的医院很难做到与国外同步。

　　4、监督机制：三方监督美国医生

　　美国有较为完备的医疗差错或者纠纷善后体系，包括调解和医疗诉讼。一旦进入司法程序，会有相对客观的司法评价体系。患者极少会走上血腥维权的无奈道路，而医生也极少会遭受血腥暴力。但是受到投诉或者遭受巨额罚款在美国医疗界倒是并非少见，一旦因医疗差错或者事故接受处罚，其后果对医生的经济和工作获得均是灾难性的。因而，所有的医生都必须有医疗事故的保险。

　　除了法律的监督，美国运行有效的医生自律组织，如行业协会等，以及医院董事会、保险公司，均会对医生进行管理和监督。如果出现违法或失职，医务人员面临的就是终生被吊销执照，失去工作。因为医疗市场供需的平衡，医务人员收受“红包”的行为是不被允许，也是根本不存在的。

　　美国有一整套医疗保险制度和组织来保护病人的利益，监督和保证医疗质量，制约医生的行为。而在中国，情况却不是这样。由于相关法律和善后机制却相对滞后，各类医学会也没有发挥应有的责任。就目前现状而言，医患冲突或者纠纷的高发是一个客观现象，其减少也是一个复杂而漫长的过程。

　　5、治疗手段的区别

　　放射治疗

　　在癌症的治疗方法中，人类已经探索出手术切除、化疗、放疗等方法。手术切除、化疗已经被广泛熟知，而放射治疗作为癌症治疗手段之一，由于从医学发展方向的起步较晚，致使包括医生在内的很多人对其认识还略显不足。常规的放疗是指光子治疗，而质子治疗相对来说更是新技术。

　　据统计，在美国所有的肿瘤治疗当中，大概有70%的病人需要做放射治疗;当中的70%是根治性或者参与根治性的，包括在根治性治疗当中起到主要的或者辅助的(作用);而在这70%的根治性(参与根治性)治疗当中，又有70-80%的患者是被根治的;即所有接受放射治疗的肿瘤患者中，有35-40%的患者得到了治愈。在美国，肿瘤的总体治愈率大概在60%-70%，也就是说，超过一半的肿瘤的治愈是依靠放射疗法，或者有放射疗法参与的。数据显示，在所有肿瘤治疗的开销当中，用于放射治疗的费用小于14%，即我们用小于14%的社会资源，治愈/参与治愈了40%的肿瘤病人，更不用提它在其他如姑息治疗方面的作用。可以说，在指征符合的情况下，放射治疗是效价比最高的一种治疗方法。而对许多癌症病人而言，放射治疗甚至是唯一必须用的治疗方法。

　　很多患者对放射治疗的认识存在一些误区，例如认为放射治疗只是一种姑息性治疗，手术才是唯一的根治手段;放射会“致”癌而非“治”癌;以及恐惧放射治疗的副作用等等。这些观念其实都是错误的。

　　首先，目前已经有很多数据显示在早期肺癌的治疗当中，立体导向治疗的放射治疗的治愈率和生存期跟手术切除相比没有差别，甚至有在一些大刊上发表的数据显示，在某些情况下，放射治疗的效果比手术切除还要好。

　　其次，现在的放射治疗对医生和病人一般都会保护得很好，根本不会出现放射“致”癌的情况。其实，放射并不可怕，我们日常生活当中每天都接触放射物质。放射自身对人体当然并不是有益的，如果不是需要，大可避开，但是从肿瘤治疗的角度出发，这点剂量对肿瘤治疗的意义和其可能产生的副作用相比，其意义是大得多的。

　　最后，在副作用方面，其实任何事物都存在副作用。任何外科手术也有副作用。比如，肺癌病人的切除手术，在手术30天内死于手术并发症的死亡率占5%，100个当中就可能有5个病人死于并发症，但相较而言，放射治疗在肺癌早期的治疗中没有说30天内死于放疗的。

　　人们对传统的手术方法比较容易接受，因为手术治疗已经存在一百年了，对新的治疗方法比较难接受，这可以理解，但是当中有一个知识性的交接，要患者接受新的治疗，知道在一些情况下，放射治疗的治疗效果是跟手术治疗一样，甚至一些手术治疗不能做到的事情放射治疗还能做，效果也非常明显。

　　试管婴儿

　　一般来说国内会将胚胎培育到第三天，美国会培育到第五天。第一天被称为受精卵，第二天进入4细胞期，第三天进入8细胞期，第四天进入桑椹期 (Morula)，第五天形成囊胚(Blastocyst)。 这整个过程都需要在和母体环境相同的营养液内进行培养，囊胚的存活率要高于胚胎，但是胚胎形成囊胚的这两天对于人工培育来说是个非常大的挑战，只有美国才可以培育成囊胚，国内绝大多数医院都只能培育成胚胎。