高通量技術小學堂

    高通量技術是現今基因體領域或是許多蛋白質研究的新興展望，帶來了前所未見的高效率實驗方法學以及許多分析技術上的突破，也因此產生了海量的數據和資料。高通量技術可以說是結合了跨領域的最先進知識而產生的結晶，無論是在生物科技、蛋白質體學、基因體學、統計學以及程式設計等專業知識上都有所涉及，是生物研究發展的一項重要里程碑。

    經過了一學期的課程之後，對於課程介紹的Next Generation Sequencing、cDNA microarray等新興技術或是隨之產生的Proteomics、Lipidomics、Metabolomics等學門都有了一些基本的了解。作為一位醫學生，或許如何使用這些高通量技術的細節並不是我未來的專業技能的必備能力，但是我認為對於這些新興方法學的了解是不能或缺的，因為未來的醫療，是勢必會在這些技術的應用下而得到新的突破，也就是現在常呼籲的“精準醫療”、“個人化醫療”。底下我將根據這學期所學，大致描述高通量技術最常見的兩種核心技術，Next Generation Sequencing以及cDNA microarray的基本原理以及對於醫學上的幫助和發展。

Ø  Next Generation Sequencing

    Next Generation Sequencing(NGS)是由傳統的Sanger sequencing進化而來，在過去依靠Sanger sequencing定序的時代，往往會受到時間以及片段大小的限制，然而在NGS的技術發展之後，以Illumina這家公司為首，逐漸的扭轉了這個狀況。

1.       基本原理：

    NGS的基本原理並不複雜，大致可分為以下四個步驟：

(1) Library preparation：

將DNA打斷形成小片段後兩端接上adaptor，並且進行PCR放大

(2) Cluster generateon：

DNA片段上的adaptor接上flow cell上的寡核苷酸，並且進行Bridge amplification

(3) Sequencing：

加入ATCG四種帶有的不同顏色螢光的核苷酸，並用儀器分析螢光訊號進行定序。

(4) Data analysis

將小片段定序的結果經過電腦運算後，計算出完整的DNA序列

2.       醫學上的應用：

    隨著NGS的發展，人類基因組計劃之後的全基因定序價格快速逐年降低，以基因為目標的診斷方式成為了最炙手可熱的議題。如同美國總統Barak Obama所呼籲的Precision medicine，除了針對個體基因的不同（例如single nucleotide polymorphism, SNP）來調整藥物使用方式，未來利用基因定序來預防疾病的概念似乎不是不可能，儘管目前的倫理爭議尚未解決。

    我認為NGS的發展是一個醫學史上的重要里程碑，儘管它是在生物科技發展史上的一個重要圖突破，卻對醫學有著分水嶺般的作用。傳統的醫學從最一開始的臨床症狀觀察，對應到治療經驗法則，逐漸的系統化，建立起臨床治療的一些基本概念和原則，在分子生物技術發展之後，我們可以透過已知疾病，去觀察細胞或是分子層次的改變，找出變異的關鍵。然而，我相信在不久之後，透過NGS的技術，我們可以主動從源頭的DNA找尋疾病的發生，甚至預測疾病的發生，這將會改變以往在醫學上被動的角色，我們將有能力成為主動的一方。

Ø  microArray

1.       基本原理：

    microarray是高通量技術的基本型，陣列 (array) 顧名思義就是一種井然有序的排列，利用電腦科技界發展出來的微晶片技術，可以將五千至一萬種去氧核醣核酸分別固定在一片數公分見方的基因晶片上。這些點在晶片上的去氧核醣核酸稱為「探子」(probe)。依據核酸基配對法則，在雜合(hybridization)實驗時，探子去氧核醣核酸將檢測出未知檢體中的「標的核酸」(target nucleic acid)。

    去氧核醣核酸的微陣列(DNA microarray)可依製造方法大致分為二型：

(1) 反訊息DNA微陣列 (cDNA microarray) ：將經過PCR放大的反訊息DNA(cDNA)點到基因晶片上。每段反訊息DNA的代表性片段約在數百至兩千多核酸基配對(bp, base pairs)。主要用來鑑定新基因及檢測基因表現(gene expression)的程度與調節。
(2) 寡核甘酸微陣列 (oligonucleotide microarray)：直接在晶片上合成寡核甘酸 (in situ synthesis of oligonucleotide)，或依傳統方法合成寡核甘酸後再將之點上，每段寡核甘酸約有數十個核甘酸。主要用來檢測基因突變 (mutational analysis) 與基因多型現象 (polymorphism)。

2.       醫學上的應用：

    基因晶片應用性非常高，除了應用在研究上，也可運用於各種臨床診斷，像是新基因的鑑定 、觀察組織細胞對於外界影響的反應、藥物測試、或是癌症研究等，都是相當有用的工具，在新生兒的基因篩檢上也可以快速診斷胎兒是否帶有突變的基因，例如地中海型貧血與其他血色素病變造成之貧血，以方便及時的治療控制病情。