第一章 母体血浆中的胎儿 DNA：令人惊叹的二十年
介绍
In 1997, Lo et al. demonstrated that during pregnancy, fetal DNA could be seen in the plasma and serum of pregnant women [1].
1997 年，卢煜明（Lo）等人证实，在孕期，孕妇的血浆和血清中能够检测到胎儿的 DNA [1]。
Subsequent work has demonstrated the gestational variations [2] and rapid clearance of circulating fetal DNA following delivery [3].
后续的研究工作已经证实了妊娠期（胎儿 DNA 含量）的变化情况 [2]，以及分娩后循环胎儿 DNA 会被快速清除这一现象 [3]。
说明
妊娠期的变化情况
在整个妊娠期内，孕妇外周血中胎儿 DNA 的含量并非是固定不变的。随着孕期的推进，会呈现出一定的变化规律。比如在怀孕早期，胎儿 DNA 在孕妇血浆或血清中的含量相对较低，而后随着胎儿的不断发育、胎盘功能的进一步完善等因素影响，胎儿 DNA 的量会逐渐增多，到了孕晚期可能会达到一个相对较高的水平。不同孕周对应的胎儿 DNA 含量变化特点，对于无创产前检测（NIPT）等相关检测技术来说十分关键，检测时需要考虑孕周因素，以便更准确地解读检测结果，因为在不同孕周阶段胎儿 DNA 含量不同，可能影响检测的准确性、敏感性等指标。
分娩后快速清除的情况
胎儿分娩出生后，原本存在于孕妇外周血循环中的胎儿 DNA 会迅速地被清除掉。这是因为其来源（主要是胎盘等胎儿相关组织释放到母体血液循环中）随着分娩结束而切断了，母体自身的生理机制开始发挥作用，通过免疫系统、代谢等多种途径将这些不再有 “来源补充” 的胎儿 DNA 从血液中清除出去，使得孕妇血液中的胎儿 DNA 含量快速下降至很低的水平，几乎恢复到未怀孕时的状态。这一特点也从侧面说明了胎儿 DNA 在母体内存在的特殊性以及与孕期生理过程的紧密关联性，并且为研究孕期相关生理变化、理解胎儿与母体之间的物质交流等方面提供了有价值的线索。
Circulating fetal DNA has been found to consist of short fragments of DNA, which have a size distribution shorter than that of circulating maternally derived DNA in maternal plasma [4].
研究发现，循环胎儿 DNA 由短 DNA 片段构成，其大小分布比母体血浆中源自母体循环的 DNA 的大小分布更短 [4]。
说明
循环胎儿 DNA 的特点
在孕妇的母体血浆中存在着两种来源的 DNA，一种是来自胎儿的循环胎儿 DNA，另一种则是源自母体自身的 DNA。循环胎儿 DNA 有着独特的特征，其中一点就是它呈现为短片段的形式存在。这些短片段在长度方面有着特定的大小分布情况，它们相对来说都比较短小。
与母体循环 DNA 的对比
而与之同时存在于母体血浆中的源自母体的循环 DNA，其大小分布与胎儿的 DNA 有所不同。经过研究对比发现，循环胎儿 DNA 的大小分布要更短一些。也就是说，从平均片段长度或者整体的长度范围来看，胎儿 DNA 片段整体上要比母体自身的循环 DNA 片段更短。例如，可能胎儿 DNA 片段大多集中在几十到几百个碱基对的长度范围，而母体循环 DNA 片段的长度范围可能会偏向更长一点，有的可能达到上千个碱基对等情况。
这一差异对于后续通过各种技术手段（比如基于片段大小来区分、富集胎儿 DNA 等）去检测、分析胎儿 DNA 以及利用其进行无创产前检测（NIPT）等相关应用有着重要意义，科研人员可以依据这样的特点，研发更精准、更高效的方法来从复杂的母体血浆 DNA 混合物中识别和利用胎儿 DNA 进行相关的诊断、研究等工作。
Diagnostically, we have witnessed a rapid evolution of this young field in the last two decades.
从诊断学角度来看，在过去的二十年里，我们目睹了这一新兴领域的飞速发展。
说明
过去二十年的飞速发展
在最近的二十年里，情况发生了巨大变化。一方面，对于胎儿 DNA 本身的基础研究不断深入，科研人员对其在孕期不同阶段的变化规律、与母体 DNA 的差异等方面有了更清晰、更全面的认识，像弄清楚了胎儿 DNA 在妊娠期的含量波动情况、其短片段的更具体的大小分布特征等。
另一方面，在诊断应用层面更是取得了长足进步。最初可能只是简单地尝试能否利用胎儿 DNA 检测出一些基本的胎儿异常情况，而如今已经发展出了多种成熟的无创产前检测技术，可以准确地检测胎儿染色体的数目异常（例如检测出常见的 21 - 三体综合征、18 - 三体综合征、13 - 三体综合征等非整倍体情况），甚至还能对一些单基因遗传病进行筛查，检测技术从最初的比较粗糙、准确性有限，逐步变得更加精准、高效、灵敏，而且检测的范围也在不断拓宽。同时，相关的检测设备、配套的试剂等也不断更新换代，整个行业围绕这个领域构建起了一套相对完善的体系，所以说在过去二十年里实现了飞速的发展，展现出了蓬勃的生机与巨大的潜力。
This book provides a summary of the important developments during this period.
本书对这一时期的重要发展情况进行了总结。
Early work had focused on the detection of DNA sequences that the fetus had inherited from its father, and which were absent in the pregnant mother’s genome, such as the Y chromosome of a male fetus, the RHD gene of a RhD-positive fetus carried by a RhD-negative mother, and a mutation inherited by the fetus from its father, but which is absent in its mother’s genome.
早期的研究工作侧重于检测胎儿从父亲那里遗传而来、但在怀孕母亲基因组中不存在的 DNA 序列，例如男性胎儿的 Y 染色体 [5]、RhD 阴性母亲孕育的 RhD 阳性胎儿的 RHD 基因 [6,7]，以及胎儿从父亲那里继承但母亲基因组中不存在的突变 [8]。
说明
早期研究思路及方向 在利用孕妇外周血中胎儿 DNA 开展相关检测的早期阶段，由于当时的技术条件以及对胎儿 DNA 认识的局限性等因素，科研人员选择了一种相对容易入手的研究思路，那就是去寻找那些能够明显区分胎儿和母体 DNA 的特定序列。因为胎儿的基因组一部分来自母亲，一部分来自父亲，所以来自父亲且母亲基因组中没有的 DNA 序列，就成为了重点关注对象，通过检测这些特殊序列来间接判断胎儿的相关情况。 具体的检测对象举例
- 男性胎儿的 Y 染色体：在胎儿性别检测方面，如果是男性胎儿，其拥有 Y 染色体，而母亲的基因组中是不存在 Y 染色体的。所以通过检测孕妇外周血中是否存在 Y 染色体相关的 DNA 序列，就能判断胎儿是否为男性。这在早期是一种较为直观且容易开展的检测方式，为了解胎儿性别提供了一种无创的途径。
- RhD 阳性胎儿的 RHD 基因（RhD 阴性母亲孕育时）：对于 Rh 血型系统来说，RhD 阴性母亲孕育 RhD 阳性胎儿时，胎儿携带的 RHD 基因是从父亲那里遗传获得的，母亲自身基因组中并没有这个基因。那么通过检测孕妇外周血中是否存在 RHD 基因对应的 DNA 序列，就可以知晓胎儿的 RhD 血型情况，这对于预防新生儿溶血病等情况有着重要意义，能够提前做好相应的医疗准备。
- 胎儿从父亲处继承但母亲基因组中不存在的突变：如果胎儿从父亲那里继承了某个特定的基因突变，而母亲基因组里没有这个突变，那么检测孕妇外周血中是否存在这个突变对应的 DNA 序列，就可以对胎儿是否携带该基因突变进行判断，进而推测胎儿是否可能患有与该基因突变相关的疾病，为早期的疾病筛查提供了一种潜在的方法。
这些早期围绕特定 DNA 序列开展的检测工作，为后续更全面、更深入的无创产前检测技术发展奠定了基础，让科研人员逐渐摸索出如何更好地利用胎儿 DNA 进行各种有价值的诊断检测。
These early applications have been more recently joined by those using newer technologies such as microfluidics digital PCR, droplet digital PCR, and massively parallel sequencing.
这些早期的应用还包括一些使用更新技术的研究，比如微流控数字聚合酶链式反应（微流控数字 PCR）、液滴数字聚合酶链式反应（液滴数字 PCR）以及大规模平行测序技术。
Hence, noninvasive prenatal testing of single gene disorders has now been extended to elucidation of the paternal and maternal inheritances of the fetus in autosomal recessive disorders and sex-linked disorders.
因此，如今单基因疾病的无创产前检测已经扩展到可用于阐明胎儿在常染色体隐性疾病 [9-11] 以及性连锁疾病 [12,13] 方面是来自父亲和母亲的遗传。
The area for noninvasive prenatal testing that has received the most attention over the last few years is its use for the detection of fetal chromosomal aneuploidies using massively parallel sequencing.
在过去几年中，无创产前检测领域最受关注的是利用大规模平行测序技术来检测胎儿染色体非整倍体 [14,15]。
Since the first large-scale clinical trials demonstrating the robustness of this technology in 2011, this technology has been quickly introduced into clinical practice in dozens of countries around the world.
自 2011 年首次开展的大规模临床试验证实了该技术的可靠性以来 [16,17]，这一技术已迅速被引入全球数十个国家的临床实践中。
The detection of chromosomal aneuploidies has been rapidly followed by the demonstration that such an approach can also be used to detect subchromosomal aberrations.
在能够检测染色体非整倍体之后，很快就有研究表明，这样的方法（指用于检测染色体非整倍体的相关技术手段）也可用于检测亚染色体畸变 [18,19]。
Perhaps the ultimate illustration of the diagnostic potential of fetal DNA in maternal plasma is the demonstration that the entire fetal genome could be determined from maternal plasma.
或许，母体血浆中胎儿 DNA 诊断潜力的最终体现，就是有研究证实可以从母体血浆中测定整个胎儿基因组 [20-22]。
These earlier works have recently been followed by the elucidation of a so-called second generation noninvasive fetal genome using newer sequencing and bioinformatics approaches.
在这些早期工作的基础上，近期又有研究通过运用更新的测序及生物信息学方法，对所谓的第二代无创胎儿基因组进行了阐释 [23]。
By means of such methods, fetal de novo mutations could be examined in a genome-wide manner from maternal plasma and the maternal inheritance of the fetus could also be determined with a resolution of approximately two orders of magnitude higher than from previous attempts.
通过此类方法，能够从母体血浆中以全基因组 (WGS) 的方式检测胎儿的新生突变，并且确定胎儿的母系遗传情况，其分辨率相较于以往的尝试大约提高了两个数量级 [23]。
Hence, one can see from the above that developments of the diagnostic applications of fetal DNA in maternal plasma have been most remarkable over the last two decades.
因此，从上述内容可以看出，在过去的二十年里，母体血浆中胎儿 DNA 诊断应用方面的发展是极为显著的。
However, there is still much to be learnt.
然而，我们仍有许多东西需要学习。
For example, the biological characteristics of circulating fetal DNA still remain to be completely elucidated.
例如，循环胎儿 DNA 的生物学特征仍有待完全阐明。
Emerging areas of investigation include the relationship between circulating DNA and nucleosomal structure, the existence of preferred plasma DNA fragment endpoints, and the tissues of origin of circulating DNA.
新兴的研究领域包括循环 DNA 与核小体结构之间的关系 [24,25]、血浆 DNA 片段优选末端的存在情况 [23]，以及循环 DNA 的组织来源 [26,27]。
Finally, a thought-provoking and unresolved problem is whether circulating fetal DNA has any biological or pathogenic functions. Hence, the next two decades will certainly be very exciting.
最后，一个引人深思且尚未解决的问题是，循环胎儿 DNA 是否具有任何生物学或致病功能。因此，接下来的二十年肯定会非常令人期待。