α-地中海贫血 (简称 α-地贫 )是由于 α-珠蛋白基因的缺失或功能障碍导致α-珠蛋白肽链缺如或合成不足所引起的遗传性血液病 ,它是我国南方最常见且危害最严重的遗传病种之一。重症 α-地贫为致死性疾病。据统计我国南方人群中α-地中海贫血基因携带率约为10%［1］。β地中海贫血（简称β地贫）的发生主要是由于基因的点突变，少数为基因缺失。基因缺失和有些点突变可致β链的生成完全或者部分受抑制导致β-珠蛋白肽链缺如或合成不足引起的遗传性血液病。重型的β地中海贫血临床上表现为慢性溶血性贫血，需要进行昂贵的反复输血及铁螯合剂去铁治疗。我国南方人群中β地中海贫血(简称β地贫)致病基因携带率为2.8%［2］ 。本病我国长江以南各省均有报道，以广东、广西、海南、四川、重庆等省区发病率较高。由于地中海贫血对家庭及子代的严重的危害，对携带有地中海贫血基因的夫妇进行子代的地中海贫血基因诊断非常重要。过去,产前诊断是对携带地中海贫血基因的夫妇诊断子代是否患病的唯一方法。产前诊断包括在早孕晚期进行绒毛组织活检或者在中孕期进行羊膜穿刺术获得胎儿的细胞进行DNA分析。在产前诊断过程中，这些夫妇要面临诸如：妊娠丢失的风险、等待诊断的时间、以及终止妊娠的艰难抉择等问题带来的巨大的压力和不安。更不幸的是，每一次的妊娠，他们都必须要面对这种两难的境地。产前诊断技术在明确诊断的同时也给患者带来了巨大的心理和生理上影响。胚胎植入前遗传学诊断（preimplantation genetic diagnosis， PGD）技术应用于人类单基因疾病诊断首先报道于1989年［3］。PGD技术因其可以在妊娠前对胚胎进行遗传学诊断并选择后移植，避免了进行产前诊断所面临的风险，目前被越来越多的患者接受并应用于子代的地中海贫血的诊断当中。广西妇幼保健院妇产科李翠明

　　一、PGD的取材

　　PGD 活检材料的来源目前主要有卵母细胞的活检、卵裂胚胎的卵裂球和囊胚的滋养外胚层细胞活检。

　　（一）极体活检极体是卵母细胞成熟分裂的产物，既不参与胚胎的发育，又无任何已知的功能。故可取第一极体作为活检材料，遗传学诊断后，按分离律原理诊断卵母细胞的遗传学组成。不过减数分裂时同源染色体会发生交换，因此Verlinsky 等提出用两步分析法，即在获卵当天取第一极体后，IVF 次日再取第二极体进行分析［4］。此方法已成功用于囊性纤维化、β -地中海贫血等疾病的PGD。

　　（二）卵裂球活检卵裂期胚胎的卵裂球是全能的，实验证明8细胞期胚胎活检1～2个卵裂球不影响胚胎的发育。现绝大多数OGD中心，都采用该法进行活检。

　　（三）囊胚活检卵裂胚胎经序贯培养成囊胚后，行滋养外胚层活检可获6个或更多个细胞，可克服极体和卵裂球单细胞遗传学分析的缺点，增高诊断的成功率和正确率。但目前也只有40%～50%的植入前胚胎能体外培养发育到囊胚期。

　　二、卵裂球活检方法活检

　　活检对于胚胎的损伤是难免的, 尤其从4细胞期的胚胎中取出单个卵裂球后的一段时间, 其胚胎的发育会慢于正常, 取的越多则越明显, 但对于8细胞期的活检则普遍认为对胚胎的发育, 以及对出生后的成长过程影响不大［5］, 甚至有研究认为活检可以促进囊胚的孵化。目前主要采取的方法是用Tyrode酸性液消化穿破透明带, 然后从孔中插入活检吸管吸出1个卵裂球, 或注人培养液使卵裂球从破孔疝出, 或在透明带外加压挤出, 另外从1997年开始又出现了使用激光穿孔后取出单个细胞的进展。主要以对胚胎发育影响最小为目的, 因而以往应用的机械分离切割等对胚胎损伤较大的方法已基本淘汰。中山大学附属第一医院生殖医学中心比较了纯水法、冻融法、碱法和蛋白酶K法4种细胞裂解方法，其扩增率分别为61%、79%、95%和91%，ADO率分别为35%、24%、8%和11%，碱法和蛋白酶K法的扩增效率高，可达临床诊断要求，且其ADO率低于其他两种方法［6］。

　　三、PGD诊断技术

　　对于分离得到的单个细胞或其它痕量DNA(trace DNA)样品的分子遗传学分析受到DNA量少的限制, 以至于经过一次孤立的PCR无法达到比较基因组杂交(CDG)所需要的丰度, 目前主要的发展方向是遵循敏感、可靠、准确、识别/排除污染四原则, 探索可用于痕量大量扩增的方法和用于检测少量样品的技术。目前在PGD中应用诊断技术方法主要为DNA聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）和荧光原位杂交（fluorescent in-situ hybridization, FISH）。

　　（一）PCR技术

　　(Ⅰ) 单细胞PCR

　　1. 巢式PCR：因PGD的PCR起始模板来源于单个细胞，仅1～2 个拷贝，为增加扩增的敏感性，多采用巢式P C R 。其原理是首先设计一对针对目的基因的引物, 然后在此引物内部再设计一对内引物, 通过两次PCR扩增, 获得大量的目的基因片段, 巢式PCR灵敏度非常高, 能够比较有效的扩增。 然而整套引物的设计比较繁琐, 存在有多种类型的组合方式, 对于不同扩增产物的辨识存在一定困难。同时, 可能存在杂合子细胞中异常的来自父母双方的等位基因一方不被扩增的情况, 也就是所谓的等位基因漏码(allel dropout，ADO), Ray等［7］报道可以通过提高解链温度来降低其发生率。另外增大取样量以及选择不同的穿孔液对于的ADO发生也有影响。

　　    目前,国外地中海贫血的植入前诊断主要依靠巢式PCR 结合突变检测技术。Vivian Chan等［8］进行的排除α地贫基因纯合子的PGD中采用单细胞巢式PCR对82个胚胎中的126个卵裂球进行分析.平均等位基因脱扣率是10.2%PCR失败率是12.7% 。通过检测58个胚胎（70.%）有至少一个正常的等位基因，其中31个胚胎获得移植，获得一个三胎妊娠。孕18周时进行超声检查均正常并于孕34周时经剖宫产3名正常婴儿。国内邓婕、庄广伦等进行β地中海贫血PGD的应用报道中利用单细胞多重巢式PCR,可以同时检测中国人常见的16种β地贫突变类型,单个淋巴细胞平均扩增效率为91.3% ,平均等位基因脱扣(ADO)率为17.0%。对4对夫妇进行4个周期PGD,共活检33 个胚胎,获得33 个卵裂球,其中30 个卵裂球扩增成功,扩增效率为90.9% ,ADO率为13.3%。26个胚胎经PCR分析后获得明确诊断,移植了8个胚胎,获得1例临床妊娠。孕17周时经脐带血穿刺,证实为完全正常胚胎,现已出生1名正常女婴［9］。

　　2. 荧光PCR自动测序或全自动荧光凝胶电泳：荧光PCR 采用荧光标记的引物、dNTP 或探针，针对特异的基因片段进行扩增，PCR产物经自动DNA测序仪或扫描仪分析。          

　　荧光PCR是为提高的确诊率和降低ADO率而设计的, 即在进行PCR扩增时, 对两个引物中的一个进行标记, 通过应用荧光技术, 使检测的灵敏度比普通PCR高出一千倍以上，可以鉴别1～2bp的差异，可有效地避免等位基因偏性扩增，明显降低等位基因的丢失率。荧光PCR中单次扩增的产物可供检测，无需进行巢式PCR，可避免两次扩增中污染的可能性。国内李晓红、周灿全等进行的α-地中海贫血PGD实验中对 1例夫妇均为东南亚缺失型α 地中海贫血携带者 ,经超排取卵、卵母细胞单精子显微注射受精及胚胎细胞活检 ,吸取的单个卵裂球采用针对α SEA基因的 gap PCR引物和荧光探针用荧光定量PCR技术进行诊断 ,将诊断为不致病的 3个胚胎进行宫腔内移植。胚胎移植后 7周B超诊断单胎妊娠 ,18周羊膜腔穿刺产前诊断证实为不致病胎儿,获得国内首例α 地中海贫血胚胎种植前基因诊断后妊娠成功［10］。邓婕、庄广伦等进行的应用荧光PCR技术检测单细胞β地中海贫血基因的实验中，应用荧光PCR技术检测单细胞β地中海贫血(β地贫)基因,并与巢式PCR相比较,发现160个淋巴细胞进行荧光PCR扩增,β地贫基因的平均扩增效率为92.5%,等位基因脱扣(ADO)率为8.8%； 240个淋巴细胞进行巢式PCR扩增,β地贫基因的扩增效率为91.7%,ADO率为15.8%.两种方法的扩增效率没有统计学差异,但荧光PCR的ADO发生率显著低于巢式PCR的ADO发生率(P＜0.05) ［11］。

　　荧光PCR的另一个优点是在分析胚胎遗传物质的同时，可应用多重PCR增加等位基因的标记物，如扩增与目的基因相连的短串联重复序列STR(linked short tandem repeat)进行DNA指纹分析，或对目的基因内的单核苷酸多态性SNP(single nucleotide polymorphisms)进行分析，以鉴别是否为来自父母双方的等位基因的产物，从而降低扩增污染DNA导致误诊的可能。中山大学附属第一医院生殖医学中心近年来将STR位点的检测应用于PGD的临床诊断中，进行β-地中海贫血的PGD中同时扩增β珠蛋白基因及与β珠蛋白基因紧密连锁的Hum THO1位点，有效的防止误诊［11］。

　　荧光PCR还可以有效地鉴别ADO和优势等位基因扩增。优势等位基因扩增指一对等位基因中的一个扩增效率高于另一个，当两者的差异大于10倍时，则不能通过常规的PCR检测方法检测出非优势等位基因，因此容易被断为ADO。而荧光PCR的高敏感性可以鉴别优势等位基因扩增和真正的ADO。邓婕、庄广伦等应用荧光PCR对β-地中海贫血CD41-42突变基因进行检测，单个淋巴细胞的ADO发生率比巢式PCR降低约1/3［11］。

　　3.实时PCR与分子信标技术：实时PCR(real-time PCR)是结合分子信标技术(molecular beacons)发展起来的一种新型PCR, 其机理是利用两末端结合有因荧光共振能转化而相互碎灭的两种标记荧光的引物探针报告荧光与熄灭荧光, 与目的基因结合并进行延伸反应, 继之以核酸外切酶将探针的含报告基因(repoter gene)荧光的部分切除,这样造成了报告荧光染料与熄灭荧光染料之间的空间距离, 从而检测出荧光而当样品中不含有目的基因时, 则引物探针中的报告基因荧光部分不能被切除, 报告荧光液不能显色。另外荧光强度尚有半定量的作用。Sanche等［12］将该技术用于单细胞水平检测Y染色体上的高度保守的TSPY基因和17号染色体上的U2基因, 认为该技术具有高度的精确性, 是PGD发展中一个方便、可信的新进展。G.Kokkali等［13］及Christina Vrettou等［14］采用了real-time PCR技术进行了对β-地中海贫血的PGD实验，均获得了正常的临床妊娠。

　　4. 逆转录PCR：逆转录PCR（RT-PCR）将致病基因表达的信使RNA 反转录为cDNA，以cDNA为模板进行扩增，检测目的基因有无异常。该方法已成功地用于Marfan 综合征患者的PGD。不过RTPCR 虽然能够提供较多的模板拷贝，但由于在胚胎发育早期很多基因并未转录，所以其在PGD中的应用是非常有限的。

　　5. 多重PCR：在同一PCR 反应中加入多对引物，同时扩增同一模板的几个区域或不同染色体的几个位点，可同步完成多个基因位点的诊断。同时通过扩增跨越突变位点的DNA片段和与致病基因连锁的多态性标记物，还具有监测DNA污染和等位基因丢失而导致假阳性和假阴性结果，因为同时导致两种扩增片段丢失的机会甚低。

　　6. 原位PCR：该技术将原位杂交技术的定位能力与PCR 的敏感性结合起来，通过热变温循环，将寡核苷酸引物退火到染色体的DNA，然后实现荧光标记核苷酸掺入的特异DNA 序列的原位延伸。反复循环目的片段在染色体原位得以扩增，并可以通过荧光信号检测进行分析，完成短小拷贝序列的快速细胞定位，检测小于3~5kb 的DNA 序列差异。但原位PCR的等位基因脱失率较常规PCR更高，主要适用于高通量的检测，而不是单细胞水平分析的PGD。

　　（Ⅱ）全基因组扩增技术

　　针对PGD模板量极少且限制检测位点的难题而开发的全基因组预扩增技术也已成功地应用于PGD中，使PGD时可同时检测多个位点。1992年Zhang等［15］报道采用扩增前引物延伸法（primer extension preamplification，PEP）进行全基因组扩增。1999年Wells等［16］报道应用变性寡核苷酸引物PCR(degenerate oligonucleotide premed PCR,DOP-PCR)扩增出的DNA量可用于超过100个独立的PCR检测。目前PEP和DOP-PCR技术是最常用来进行全基因组扩增的技术。

　　1.引物延伸预扩增技术   引物延伸预扩增(PEP)是最早用于进行全基因组扩增的技术, 其引物是由多个15个碱基组成的随机引物的混合物, 在理论上这样的引物有4种, 这些引物与模板结合后对全基因组进行扩增, 获得大量产物后再对模板进行位点特异性PCR扩增或巢式PCR扩增, 据等Paunio等［17］试验研究表明, 经PEP后单细胞基因组的96%都得到有效扩增, 扩增效率在1000倍以上。经PEP扩增后虽然增加了诊断所需的时间(14小时), 但对于提高检测的灵敏度以及合并多种遗传学异常的诊断方面无疑是非常有利的。2002年中山大学附属第一医院生殖医学中心根据中国人常见的地中海贫血基因类型，建立可以同时检测16种中国人常见的地中海贫血基因类型，建立可以同时检测16种中国人常见的地中海贫血突变位点的PGD诊断系统，并应用PEP进行全基因组扩增，然后分别进行性别及地中海贫血的诊断，总扩增效率为92.8%，平均诊断正确率为96.3%，不同引物之间的扩增效率和诊断准确率差异无显著性。在β-地中海贫血的PGD中，4例病人的47个活检胚胎有38个获得明确诊断，其中8个胚胎正常，18个杂合子，异常胚胎12个，胚胎移植后获得1例临床妊娠，孕20周脐血检测证实为正常双胎［18］。

　　2.简并寡核昔酸引物PCR及标记随机引物PCR等扩增技术     简并寡核昔酸引物PCR(DOP-PCR)是一种最具应用前景的全基因组扩增技术,其引物设计比较特殊, 即在其5’和3’端的若干个位点使用随机的碱基, 通常是5’*******NNNNNN******3’ 结构, 扩增产物的两端都带有引物序列, 并能继续以类似随机（如同PEP的随机引物扩增）或在特定末端(如同PCR的选择性特异扩增)与引物结合, 然后进行扩增。标记随机引物PCR(Tagged-PCR,T-PCR), 则是设计引物时, 3’端是随机的,5 ’端是不变的标记端, 第1轮扩增可以获得5’ 端标记的扩增产物, 第2轮扩增则唯一是两端都标记的产物, 多重延伸后再应用专门针对标记引物设计的另一对引物进行进一步的PCR扩增。Wells等［16］, 比较了DOP-PCR、T-PCR、PEP、alu-PCR四种全基因组扩增技术, 通过改进加入引物、核酸、酶的浓度, 以及调整加热循环的条件等技术参数, 得出了DOP-PCR在诊断染色体非整倍体异常和辨识X染色体的比较基因组杂交上具有明显的优势, 其杂交信号强大而没有缺失或过于突出, 尤其在扩增中结合荧光核昔酸应用可以获得很高的信号强度,T-PCR则在扩增的准确性上有较大优势。

　　3.限制显示技术扩增    限制显示技术(RD-PCR)是一项最初用于差异显示的新技术, 双链DNA经特殊的限制型内切酶切成限制型片段后与设计好的通用引物结合, 引物的3’ 端通过延伸一定数目的碱基(A,D ,C 或G ),将全基因组的扩增分成N=4n×（4n+1）/2个亚组, 每个扩增片段的长度稳定在250～750bp, 这样在扩增丰度上无很大差异, 而且扩增产物的大小比较均一, 适合进行多种遗传病检测的大规模杂交条件的控制。

　　二、荧光原位杂交技术

　　FISH的原理是将标记荧光的探针与固定在玻璃载玻片上细胞染色体或染色质量的特异部位进行原位杂交，然后用荧光显微镜配合不同的滤光片观察，从而判断特定染色体的数目或其存在和缺失。目前多色FISH和多轮FISH均已应用于PGD临床可满足胚胎常见染色体数目异常综合征的筛查、平衡结构异常和性染色体异常夫妇的胚胎染色体组成分析，同时通过性别检测防止无法进行基因诊断的性连锁疾病妊娠的发生。

　　1.普通荧光原位杂交技术(FISH)    FISH技术是细胞遗传学与分子遗传学结合的产物, 将制备好的荧光探针与培养分裂中期经变性处理DNA双链进行原位杂交, 然后应用荧光显微镜配合不同的滤光片观察结果, 常用于分析染色体异常。FISH技术具有较高的敏感性和分辨率, 而且还可以用于检测间期染色体, 突破了传统的同位素标记只能用于中期染色体的缺陷, 目前应用CCD相机可提高的FISH分辨率, 激光共聚焦显微镜对更能从三维结构上对杂交信号进行扫描和解读。

　　2.多色原位荧光技术(mFISH)     多种颜色的荧光素结合可以对更多的探针进行检测, 在理论上n种荧光素混合可用于标记2n－1种组合方式, 5色荧光在理论上就可以检测全部基因组的24个染色体。但该技术目前存在3个问题：单细胞水平操作效率不高；分裂间期、中期细胞的获取存在困难；对于5个以上探针杂交结果的分析存在很大困难。

　　四、PGD技术应用存在的问题和前景

　　PGD 技术不仅所需仪器及探针昂贵，技术难度大，而且还存在以下几个方面问题：（1 ）单细胞分析技术，反应模板DNA 量少，不能诊断嵌合体，易发外源性DNA 污染，检测失败和错误的风险远较常规的基因诊断高；（2）依靠并受制于IVF 技术，只有IVF 临床能够提供较多的优质的胚胎，才可施行胚胎活检和遗传学分析，只有拥有同步发育良好的子宫内膜，分析后选择移植的胚胎也有可能着床，PGD 才有成功的可能。因此，只有具备良好辅助生殖和分子诊断技术基础的的生殖医学中心才有能力进行临床PGD。此外，PGD 技术本身又带来了新的法律和伦理问题。不过，我们相信，随着生殖医学和分子生物学技术的不断进步，相关法律的健全，地中海贫血基因分子基础的阐明，PGD完全有可能成为一类常规的产前遗传病诊断和筛查技术，人类一定能够真正获得从源头控制地中海贫血等遗传性疾病发生的能力。

　　参考文献

　　1. Chan V, Chan TK, Todd D. 1997. Alpha and beta thalassemias in Hong Kong. Chin Med J (Engl) 110(6): 490C493.

　　2. Zhou YQ,Xu XM. Molecular background and prenatal diagnosis of β-thalassemia in Chinese population1 Section of Genetics, F Med Sci, 1995, 16: 132-136.

　　周玉球,徐湘民.中国人β地中海贫血的分子基础及产前诊断 .国外医学遗传学分册, 1995, 16: 132-136.

　　3. Handyside AH, Pattinson JK, Penketh RJ, Delhanty JD, Winston RM, Tuddenham EG. 1989. Biopsy of human preimplantation embryos and sexing by DNA amplification. Lancet 1: 347C349.

　　4. Hudson KL. Fertil Steril 2006; 85(6): 1638-1645.

　　5.Strom CM, Strom S, Levine E, et al. Obstetric outcomes in 102 pregnancies after preimplantation genetic diagnosis. Am J Obstet Gynecol,2000,182(6):1629-1632.

　　6.焦泽旭,庄广伦,周灿全,等.应用巢式PCR对单细胞进行性别诊断的初步研究［J］.中华医学遗传学杂志,2003,20:64-65.

　　7.Ray PF, Winston RM, Handyside AH, et al. Reduced allele dropout in single-cell ananlysis for preimplantation genetic diagnosis of cystic fibrosis.J Assist Reprod Genet,1996,13(2):104-106.

　　8. Vivian Chan1, Ernest H. Y. Ng, Irene Yam, William S. B. Yeung, et al. Experience in preimplantation genetic diagnosis for exclusion of homozygous alpha degrees thalassemia. Prenatal Diagnosis Prenat  Diagn 2006;26: 1029C1036.

　　9. 邓捷,庄广伦 ,周灿权,等.多重巢式聚合酶链反应在β地中海贫血植入前遗传学诊断中的应用. 中华医学杂志,2005, 85(12):811-815.

　　10. 李晓红,庄广伦,周灿权,等.α-地中海贫血种植前基因诊断妊娠成功.中山医科大学学报,2002,4:28-29,36.

　　11. 邓捷,庄广伦,彭文林,周灿权,等. 应用荧光PCR技术检测单细胞β地中海贫血基因.中山大学学报(医学科学版),2004,25(2):131-134.

　　12.Sanchez JA, Brenner C, Wang H, et al. Real-time PCR using molecular beacons for accurate detection of the Y chromosome in single human blastomeres. Mol Hum Reprod,2000,6(12):1155-1164.

　　13. G Kokkali, C Vrettou, J Traeger-Synodinos,et al. Birth of a healthy infant following trophectoderm biopsy from blastocysts for PGD of β-thalassaemia major: Case report.

　　Human Reprod  2005,20(7): 1855C1859.

　　14. Christina Vrettou, Joanne Traeger-Synodinos, Maria Tzetis,et al. Real-time PCR for single-cell genotyping in sickle cell and thalassemia syndromes as a rapid, accurate, reliable, and widely applicable protocol for preimplantation genetic diagnosis.Human Mutation,23:513-521.

　　15.Zhang L, Cui X, Schmitt K, et al.Whole genome amplication from a sigle cell-implications for genetic-analysis.[J].Proe Natl Acad Sci,1993,89:5847-5851.

　　16.Wells D, Sherlock JK, Handyside AH, et al. Detailed chromosomal and molecular genetic analysis of single cells by whole genome amplification and comparative genome hybridization(CGH)[J].Nucleic Acids Research,1999,27:1214-1218.

　　17.Paunio T, Reima I, Syvanen AC, et al.Preimplantation diagnosis by whole-genome amplification, PCR amplification,and solid-phase minisequencing of blastomere DNA,Clin Chem,1996,42(9):1382-1390.

　　18.焦泽旭，庄广伦，周灿全，等。对β-地中海贫血携带者进行胚胎移植前遗传学诊断［J］。中华医学杂志，2003，83：298-301.