NGS可用於健康檢查
提早偵測癌症相關的突變
早期診斷，提高治療效果
文 / 張雅琁、李建志、劉鼎元、張建國
中國醫藥大學附設醫院檢驗醫學部
在經歷10多年，花費將近30億美元，媲美登陸月球計畫的人類基因體解碼計畫，在西元2003年人類基因體完全被解碼後，疾病的診斷及治療開始進入一個新紀元。首先由解碼所得的鹼基變異(single nucleotide polymorphism簡稱SNP)，發展出各種基因晶片(microarray)，如基因表現晶片(expression microarray)、鹼基變異晶片(SNP microarray)等。
SNP晶片可檢測出染色體缺損或增多
基因表現晶片的運用，讓我們對各組織的基因體表現有深入的了解，但由於太複雜，需要生物資訊相關人材的協助，才能被有效的運用，因此尚未能有效的運用於臨床疾病的診斷。
鹼基變異晶片一方面被運用於疾病關聯性分析，探討疾病在染色體相關位置，因而了解相關基因所在，這種方法稱全基因體相關性研究法(genome-wide association study，簡稱GWAS)。由於GWAS的發展，大部分疾病在染色體上的相關位置皆被確定，而這些相關的SNP點被應用於疾病可能發生的預測。由於這些SNP點並不一定位在致病基因所在的位置，也不等於疾病的突變所在，因此這些相關SNP對疾病發生的預測性的精確度並不高，不能真正應用於疾病的診斷。但經由這樣分析，常可找出真正相關基因的突變所在。SNP晶片的另一種運用是檢測染色體內的缺損或增多，因SNP晶片SNP點的分佈比一般染色體檢查可偵測的更精細，因此可檢測出更小的染色體缺損或增多。
次世代定序（NGS）發展有成
雖然基因體被解碼後，已有部分被應用於基因晶片，但因所用的方法須要花費10年及30億左右的美金，才能完成一個人的基因體序列，因此這樣的方法並不能真正的被應用於臨床。為了達到快速定出一個人的基因體序列，有一些人提出百萬美元的獎金誘惑，相關的研究學者，積極發展快速定序整個基因體的方法，希望在花費100~1000美元左右能定序一個人的整個基因體，最近幾年發展的結果，已接近1000美元左右的目標，而且能在一、二週內完成整個基因體的定序，稱全基因體定序(whole genome sequencing)，而這種技術稱次世代定序(next generation sequencing，簡稱NGS)(圖一)。
又大部分的疾病是由蛋白質相關基因的異常而引起，而蛋白質密碼所在的基因位置是外顯子(exon)，而所有蛋白質密碼所在的外顯子系列，只佔整個人類基因體的1.2%左右，直接定序整個基因體的外顯子將診斷出大部分遺傳疾病，或因後天基因異常所產生的疾病，如癌症等，而所產生的效益更大，因此就有所謂的外顯子體定序(exomic sequencing)的技術。
標靶定序拜NGS技術之賜
對於某些病，如癌症，它的形成是幾個、幾十個或幾百個基因，其中基因的突變造成，做全基因體或全外顯子體定序皆過多，產生分析的複雜及困難度，因此就發展出這些疾病相關基因的定序，稱標靶定序(target sequencing)。當然次世代基因定序技術也可應用於基因表現有關各種RNA的分析，包括蛋白質相關的mRNA、不相關的無編碼RNA及小的RNA等，NGS產生的結果在這些RNA的分析方面，比一般的表現體晶片所能分析的更精確，而且更容易發現新的RNA或RNA剪接的變異，因此未來RNA相關的表現體(transcriptome)也將成為臨床應用的一部分。
當然NGS這麼強而有力的工具，除了應用於臨床疾病的診斷外，也可應用於其它生物體的定序，探討各種核酸與蛋白質，或核酸與核酸之間交互作用的機轉，因此拜NGS技術之賜，超過萬種生物的基因體在短短的五、六年時間內皆被定序完成，而相當多的細胞內的運作機轉也因而被發現及被深入的探討。
NGS可測到癌細胞特有突變
人類細胞的調控中心在細胞核，而其主要的組成為核酸(包括DNA及RNA)。當細胞死亡、損傷或某些狀態，細胞內的核酸就被排入血液及各種體液，包括唾液及尿液等。傳統以蛋白質為標的的檢驗方法，若無相關的抗體或了解蛋白質的特性或足夠量的檢體，則無法建立相關的檢測方法。而過去以核酸為檢體的檢驗方法，也必須知道欲測基因的序列，才能建立偵測方法。以NGS技術所發展的方法就不受此限制，不管已知或未知的核酸序列均可經NGS而發現其臨床的重要性。
以癌症而言，我們可以利用NGS技術，定序癌細胞的全基因體、外顯子體、標靶基因、表現體等；當然也可應用於細胞外的核酸偵測，如血清或血漿中癌症特有基因突變的偵測；或其它體液如尿液，口水，胸水等癌細胞特有突變的偵測。又NGS的方法可依不同的設計，而可偵測到非常低濃度的欲測物的變化，因此NGS的方法不只可用在癌細胞體的突變分析，也可用於癌治療效果及預後的追蹤，由於NGS方法可測到個人癌細胞特有的突變，因此將比目前血清抗原抗體的方法具有更高的特異性及敏感性。NGS同時也可用於健康檢查，因它往往可在發病前的半年以上偵測癌症相關的突變，早期診斷的結果將可顯著的提高治療效果(因癌組織內癌細胞類別較少)，及延展病人的存活期。
液體切片配合NGS的技術
從血液、尿液或其它體液檢驗腫瘤的存在或基因的變化，稱液體切片(liquid biopsy)。liquid biopsy 中除了含有一段的蛋白質或代謝物外，還有各種核酸如DNA、RNA等，也可能含有腫瘤細胞(圖二)。傳統的方法是偵測其中的蛋白質或代謝物，來判斷病人體內是否有腫瘤的存在，但因這些標記並沒有特異性，在非腫瘤狀態也會產生。
因此，發展更有特異性及敏感性的方法，而能更早期偵測腫瘤的存在，是人類一直追求的目標。NGS時代的來臨，讓我們更了解各解腫瘤的基因體變化，而且我們也看到每一個癌症病人的癌基因體變化不同，因此治療的效果也可能不同，所以必須發展出適合個人癌基因變化的治療方法，也就是個人化醫療(personalized medicine)。
NGS的技術可以偵測非常少量有變異的核酸，如點的突變、量的變化、甲基化等，因此可利用在liquid biopsy中偵測體內腫瘤細胞的核酸變化，或者在分離其中的腫瘤細胞，在偵測其中的變異。隨著NGS方法的進步，目前已証實它比傳統的方法，更有特異性、敏感性及可靠性，而且個人化的偵測病人體內腫瘤細胞的存在，並可預測臨床的變化，liquid biopsy配合NGS的技術，未來可能取代大部分目前的biopsy，而且也會變成臨床檢驗最重要一部分。
參考資料
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