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卢煜明 煮公仔面、看哈利波特,开创无创DNA产前检测之先河丨科学家

碧桂园·2016中国魅力人物——卢煜明

无创的唐氏产前诊断,是这个研究领域真正的桂冠,这位擅长发散思维,执行力又迅速而集中的临床科学家,终于摘取桂冠

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用两种颜色的水笔和会议室的一块白板解释完如何利用母亲血液里的DNA检测出胎儿的唐氏综合症,卢煜明站在黑板一侧略微低头思考,他说:这条路走下来,很重要的一年是1997年。“那一年,我从英国回港,这是一个很好的机会,去回顾我做过的事情,哪些路是走错的,将来应该怎么做……我现在经常想,如果当时不是决定回来,也许我还在做过去旧的方向。”1997年,卢煜明回到香港,在位于沙田的那座医院的一间不大的实验室,只有一个实验员。那一年,他发表了那篇文章《母亲血浆和血清中存在胎儿的DNA》,从一定意义上,这项发现打开了无创产检技术的一扇窗。

快煮血浆

在TEDx里,这位看起来永远温文而专注的医生回忆自己对无创产检技术产生兴趣的原因,他说:还是医学生时,我很不能理解,为什么一个职业医生要建议怀孕的母亲去做一个有可能导致流产的产前诊断手术,“为什么一个治病救人的医生要把一根长针插入一个母亲的腹部,为什么不能仅仅用母亲的体液,比如血液,去检测胎儿的DNA是否正常?”

 

 

在实验室的小会议室,用一小时的时间,卢煜明讲述了自己的发现,从聚合酶链式反应的技术讲起。那项被简称作PCR的技术,只需要丢一些酶,放一点引物,控制一下温度,就能迅速地扩容特定的DNA分子。卢煜明接触这项技术是在1987年,那时PCR技术刚刚兴起。刚从斯坦福回英国的约翰·贝尔(John Bell)在牛津做了个关于PCR技术的讲座,他是最早使用PCR技术的那批人。PCR技术具备改变世界的潜质,比如,对少量DNA样本进行精确检测,比如,基因测序……在座的听众中有多少人能够意识到,我们并不清楚,但被这项神奇技术深深吸引的人群中,卢煜明显然是学习意愿突出的一个。讲座后,卢煜明去见了贝尔,在他的实验室找到了一个职位。这位在读的医学生,成了较早开始使用PCR进行研究的人。

1989年初的一个晚上,在牛津的家里,卢煜明和朋友讨论,能否通过检验母亲血液里的胎儿基因来诊断这个孩子的性别——这可真是个不错的科学问题。卢煜明说服了一位教授,借用对方的实验室,很快,他们大致捕捉到了一部分信号。然而,因为血液里的大部分细胞是母亲自己的,这样的检测很容易出现假阳性或假阴性,可靠性并不高。毕业那年,利用母血细胞检测胎儿性别的研究发表在了《柳叶刀》杂志上。“那篇论文是我科研生涯的一个很好开始,”在医院做了一年实习医生,希望继续自己这项研究的卢煜明决定再回牛津读博士。

理性地看,读博是个有些冒险的举动。当时的导师只能给他三个月的工资,之后的资助都需要自己去申请。他一共申请了四个奖学金,才读完了博士。而利用孕妇血液检测胎儿情况的设想,本以为只需几个月,但做下来几乎用了八年。

1996年,卢煜明在《自然医学》杂志上看到了两篇论文,从肿瘤病人的血浆或血清中检测到肿瘤基因,他认为“胎儿和癌细胞其实有些相似的地方,因为这些都是寄宿在另一个人身体里。如果一个肿瘤的基因可以在血浆中找到,没有理由找不到一个八磅重的胎儿的基因”。回港前几个星期,在“快煮”过的血浆中,他发现了胎儿的DNA——在怀有男性胎儿的孕妇血浆中检出Y染色体的几率有80%,当时,其他检测方法应用于类似提及血液上的成功率大约只有不到20%。

在很多故事中,这个“快煮”血浆的方法常被类比作“煮公仔面”——因为吃不惯英国的食物,卢煜明时不时在自己房间煮公仔面。

“‘快煮’的动作在当时很关键吗?”

“并没有。最关键的并不是煮沸,是选择了血浆,而不是母亲的血细胞。

图/本刊记者 方迎忠

“用什么方法去提取并不重要,最重要的是要从血浆而不是血液中寻找。煮沸其实是一个当时能想到的最简单方法。一方面,当时我处于从英国回香港的过渡期,实验室还没建好,设备都还没有,我需要一个最简单和容易操作的方法;另一方面,从血浆中提取胎儿DNA,当时是一个别人都没想到的新东西,我需要保证这个方法在任何实验室,哪怕设备不太好的那种,也可以被轻松地复制出来。”

“在英国既做临床医生,又做研究工作,如何分配时间?”

“我很幸运。当时申请到了威康基金(Wellcome Trust),针对我当时的情况,刚毕业,有想法却没有资源,当然,也没有时间,这个基金可以提供一笔数目可观的研究金,这笔钱甚足够我去雇一个实验员。我每天跟实验员见两次面,早上告诉她这一天需要做什么,然后我去上班做医生,下午5点左右,实验员下班时我再去见见她,看看她这一天出了什么数据。”

这位医生由衷地赞叹:“那个基金非常慷慨,给我的资助总额大约有27万镑,在1994年,真是很大很大一笔钱。希望中国能有多一点这样的资助项目去支持有志研究事业的医生。”

在1997年那篇论文的讨论部分,卢煜明谈到使用更精密的检测方法后,这种检测血浆的方法可以提升准确率,用于避免一些跟性别有关的遗传疾病的发生,并展望了血浆检测方法的将来,“可能也是个进行唐筛的可行办法。”

哈利波特的H

唐氏综合症,即21-三体综合症,是一种染色体异常疾病,母亲或父亲的卵子或精子在减数分裂时,第21号染色体未能正常分开,导致胎儿体内多了一条21号染色体。因为这条多出来的染色体,婴儿出生后会有明显的智能落后、特殊面容、生长发育障碍和多发畸形。在母亲年龄为35岁的人群中,唐氏综合症的自然发生率大约有千分之一,而且这个几率会随着母亲的年龄显著升高。

然而,孕妇的外周血血浆中不仅有胎儿DNA,更多的是自己的DNA。一般来说,胎儿DNA仅占DNA总量的10%左右。使问题复杂化的是,胎儿DNA和母亲DNA的比值不是定值,而是一个变化范围很广的变量,低的仅有2%,高的甚至可以到35%。要在血浆中检测胎儿到底是有两条21号染色体(正常)还是三条(唐氏综合症),如同要通过一堆残缺不全的碎片去判断一件瓷器的某个地方是否多了一块,几乎是不可能完成的任务——毕竟,“在血浆中得到一个包裹在细胞里的染色体是件过于奢侈的事情”。然而,卢煜明不相信母亲血浆中的胎儿DNA只能预测性别,决定去挑战唐氏综合症,“这是最重要的东西,因为大部分的孕妇做产前诊断都是为了诊断唐氏。”而对于无创的唐氏产前诊断的实现,2012年接受美国《临床化学杂志》采访时,阿姆斯特丹自由大学临床生化系分子生物学实验室主任CeesOudejans评论说:“那是我们这个研究领域真正的桂冠。”

在香港中文大学教学医院,卢煜明的实验室从到大,2007年李嘉诚医学大楼建成,他们又搬到了新大楼里,“这些顶尖的实验设备对我们的研究工作有很大的助力。”除去2003年SARS期间,他们曾停下手中的工作,用半年的时间去做SARS病毒的测序分析,这间实验室都在专注地研究血浆中散布的DNA,用于产前检测或者癌症筛查。

一位英国记者写到,卢的研究通过寻找某种跟21三体相关的标志物,对唐氏综合症实现了灵敏的检测;而另一位美国记者则写到,看3D电影《哈利波特与混血王子》时,卢忽然找到了灵感——除了母亲的基因组,还需要父亲的基因组……

究竟用的是什么办法?卢煜明的答案很简单:我们用了很多办法,这两条都在其中。

他非常自然地站起来,走到研究所会议室的白板边,拿起两种颜色的水笔。黑板自动地分作两半,左边用来解释细节,右边开始列他们用过的方法:看浓度,孕妇血液中胎儿的DNA太少,浓度变化往往不显著;找RNA,RNA往往不稳定;甲基化,利用单分子量化分析的方法数数儿并给胎儿基因组测序。

甲基化的方法,便是报道中的那个标志物。那是个长长的故事:有一种基因名叫印迹基因,比如说,有的印迹基因只有遗传自爸爸才会表达,遗传自妈妈的那类基因都是沉默的。而通过观察甲基化的情况,便可以测出血浆中DNA片段的来源。用这个方法检测简单便宜,而且,“可能最聪明”。

以父亲和母亲的基因为框架,利用母亲的血浆来测胎儿基因组序列,灵感确实来自《哈利波特》。2009年,与太太去看电影,一开场,3D版的“Harry”拖着长尾巴迎面扑来,他的眼睛迅速捕捉到了左手边那个“H”,多么地像一对染色体……他有了个灵感,并用电影剩下的时间去完善那个想法。电影看完出来,他给实验室的成员发了一封电邮,几个月后,他们完成了利用母亲血液中的胎儿DNA构建胎儿基因组的工作。

目前的研究方向仍然集中在孕妇的血浆中吗?

“另一部分工作是利用血浆进行癌症检测。最有趣的一点是,你永远都不知道下一步会是什么样子。”两周前,卢煜明的研究团队刚刚在《美国科学院院报》上发表了新论文,母亲体内的DNA片段,断点并不是随机的。出人意表地,母亲的DNA好像偏爱在一个固定的地方断开,而胎儿的DNA则特别喜欢在另一个固定的地方断开……

临床科学家与科幻电影

这位科学家喜欢看电影,热爱的电影大多是科幻片,“看这类电影,我会有到了未来世界的感觉。”除了《哈利波特》,卢煜明还提到了另一部影响他职业生涯的电影——“因为我对做科学研究感兴趣,做医生时选择了病理学作为方向,在要去解剖病理学系做讲师面试的前一天,我看了《异形3》。看着电影开头的解剖镜头,我禁不住想,我真的想一辈子做这样的工作吗?”几个月后,临床生化学系也请讲师,卢煜明去了那里。

“他经常在出差的飞机上看电影,回来推荐给我们……”卢煜明的同事、香港中文大学医学院化学病理学系教授赵慧君这样介绍,她是卢煜明在香港中文大学指导的第二个博士生。当时,在实验室,她的研究方向是产前检测,尤其是针对唐氏的筛查。卢煜明的第一位博士生则致力于癌症的检测。赵慧君认为,卢煜明“总能从一个独特的角度看到别人看不到的东西,哪怕是看一部电影”。那位分子生物学家CeesOudejans,也曾在某次接受采访中评价这位同行为“发散思维者”。

这位科学家既擅长发散思维,执行力又迅速而集中,赵慧君用了三个字形容他的工作风格:“快靓正”——做得快,完成得漂亮,正确,不多不少,恰到好处。“我们在实验室讨论电影,预测故事的结局,科学方面的探索与发现也是类似,我们很努力,希望第一个告诉这个世界,我们猜对了。”

医生与科学家,两种职业更喜欢哪个?“我觉得自己是个临床科学家,”他说。选择临床科学,源头也许来自他的父亲。父亲卢怀海也是医生,年少时,卢煜明和弟弟被拉去做听众,为他的学术报告提意见,再大一点,父亲甚至会征用儿子来帮忙准备幻灯片。“我在很小的时候,就知道学术研究是怎么回事。”

卢煜明的母亲是个音乐教师,弟弟学习钢琴,卢煜明却不擅长音乐,“我喜欢用自己的方法去解决问题,学钢琴,老师教授的方法太沉闷了,除非能让我用我自己的方式去演奏,也许我会产生点兴趣。”除了看电影,这位临床科学家的业余爱好还包括旅游和摄影,看到摄影师为他在玻璃门前拍摄的包含镜像的照片,他像孩子一样吃惊:为什么可以这样拍?

卢煜明的太太在牛津大学时研究的是半导体物理学,科学是两人重要的共同爱好,太太曾与他合作过一篇文章,发表在《科学》杂志上,文章的内容是关于用DNA模拟计算机的运算,“DNA计算机可以神奇地解决最优路径问题。”那篇文章的第三位作者是他们结婚时的伴郎,那是一位研究计算机科学的博士。

而那部被灵感打断了的《哈利波特与混血王子》,何时去补看呢?

“直到现在,我还没有再去看。有一天,我会去的。”

中山大学副校长颜光美为卢熠明(右)颁发“碧桂园·2016中国魅力人物”