當代體外診斷的技術特征

摘要：體外診斷技術的發展經歷了從經典手工、作坊式設備，到標準化、智能化、自動化管理的全過程。體外診斷在學科理念上也從“醫學檢驗”到“檢驗醫學”發生著重大轉變，并為臨床提供重要的病理、生理信息，是患者診療過程中的主要組成部分。論文通過梳理當代體外診斷（IVD）技術特征和演化趨勢，從體外診斷的興起和發展，分子診斷、精準醫療和POCT即時診斷的演變，產業的全球監管這幾個方面，闡明體外診斷發展與應用的全過程及其價值，并對體外診斷前景分析展望。

關鍵詞：體外診斷，歷史視角，演變歷程

中圖分類號：Ｒ-09,Ｒ44　文獻標識碼：Ａ  

文章編號：1002-0772(2017)07-0094-04

Research on ContemporaryCharacteristics and Development Trend of In Vitro Diagnostics

Xing Jing-hua. Institute of MedicalHumanities, Peking University, Beijing 100191,China

Abstract: The development of technology of invitro diagnostics had gone from the original manual method to the whole processof standardization, intelligent, automation management. The discipline concept ofin vitro diagnostics are changing from the "Medical examination" to"laboratory medicine", and to provide a significant role in theclinical pathological and physiological information, participate in thediagnosis and treatment of patients with main component. By analyzing thecontemporary characteristics and development trend of In Vitro Diagnostics, especiallythe research on the rise of in vitro diagnostic, the development of moleculardiagnostics, precision medicine, POCT and the global industrial regulations，which will expoundthe whole process and value of in vitro diagnostics development andapplication.

Key words: In vitro diagnostic, Historical Perspective,Evolution process

       近年來,各國對包括體外診斷在內的生物高新技術一直持鼓勵、支持的態度，這有助于體外診斷行業的快速增長。但就體外診斷所涉及的科技史研究相對匱乏，大多數著作主要圍繞某個技術概念展開相關研究。如英國生物學家李約瑟的《中國科學技術史》第六卷“生物學及相關技術”中論述了中國古代科學技術輝煌成就及對世界文明的偉大貢獻[1]，但對于檢驗學所可獲得的內容只限于免疫學的起源。中國學者在生物技術研究相關文章中對體外診斷的科技史有所涉及，比如首都師范大學生物系陳光在2003年的《生物技術通報》第9期中介紹了“單克隆抗體技術歷史與發展”[2]；在2010年《生物技術通報》第8期中，重慶郵電大學的生物信息學院解增言發表了“DNA測序技術的發展歷史與最新進展”[3]；2015年中國檢驗醫學專家叢玉隆教授在《中華醫學雜志》的一篇“回顧30年學科變化展望檢驗醫學發展趨勢”[4]，記錄了中國檢驗醫學30年來的發展歷程，并剖析對于學科建設步伐存在的問題。

       論文擬從整體視角對體外診斷發展進程中關鍵要素的變遷和展望進行闡述，梳理其脈絡并發現價值所在，有助于了解當代體外診斷技術與政策的走向與趨勢，很好補充和豐富當代科學技術史的內容。下面就體外診斷中技術特征和演化趨勢進行闡述。

1. 體外診斷的發展回顧

1.1  體外診斷的定義和分類

       IVD（In Vitro Diagnostics），中文譯為體外診斷。從廣義上講，是指在人體之外，通過對人體的樣品（血液、體液、組織等）進行檢測而獲取臨床診斷信息的產品和服務。從狹義上講，體外診斷產業主要指體外診斷相關產品，主要包括體外診斷試劑及體外診斷儀器設備或系統。根據國家食品藥品監督管理總局（CFDA）的《醫療器械分類目錄》標準，體外診斷歸屬于6840臨床檢驗分析儀器類[5]。

       體外診斷主要分為以下細分領域：血液與體液診斷、生化診斷，免疫診斷、微生物診斷、分子診斷和即時診斷產品（POCT）等。其中生化、免疫、分子診斷為我國體外診斷主要的三大類品種。

1.2 體外診斷的歷史變遷梳理

       回顧歷史，體外診斷技術是由醫學檢驗發展而來。醫學檢驗是一門古老的學科。遠在公元前430年，希臘醫生希波克拉底（Hippocrates）就用感官直視法（色、嗅、味等）對尿液進行觀察，以輔助有關疾病的診斷，開拓了人類歷史上最早和最原始的醫學檢驗方法。公元1300年，尿檢在歐洲普及。公元1500年，內科醫生開始使用尿液顏色比對圖進行直觀尿液分析。1590年荷蘭顯微鏡學家、微生物學家安東尼·列文虎克(Antony vanLeeuwenhoek)利用自制的顯微鏡首次發現了微生物，觀察到肌纖維和微血管中血流，并于1684年出版了世界上第一本利用顯微鏡繪制出的細菌繪圖。從此，以形態學檢查為主的實驗活動已漸漸成型，醫學實驗的基礎逐步奠定。

       受限于體外診斷技術的發展與應用，真正在臨床上能夠發揮重要作用的實驗室檢查是從當代的體外診斷技術革命開始。經過不到百年的發展，體外診斷技術已經取得了令人矚目的成績。當代體外診斷的發展伴隨生物化學、免疫學、分子生物學等領域的發展而發展，從早期的實驗室研究到現在家庭保健POCT的應用，從單純的形態細胞學觀察和描述到今天分子診斷和精準醫療的崛起，從基礎研發走向產業的全球監管的歷程。

       其中最具有開創性的技術要追溯到1950年美國紐約退伍軍人管理局醫院的所羅門·伯森(Famine S. Berson) 和羅莎林·雅洛(R.S.Yalow)發明了放射免疫分析法（RIA）開始，他們成為了當代免疫學的發展和免疫技術的奠基人。1959年R.S.Yalow和FamineS. Berson最先發表了內源性血漿胰島素的測定[6]。為此，羅莎林·雅洛獨占了1977年諾貝爾醫學獎的一半，以表彰她建立肽類激素的放射免疫分析技術。在之后的半個世紀，這種方法在臨床上檢驗各種激素、腫瘤標志物、藥物濃度等方面有廣泛的應用，并首先用于糖尿病人血漿中胰島素含量的測定。

 放射免疫分析（RIA）在70年代末達到高峰并開始衰落和取代，是因為另外一項更簡潔、更安全的技術出現和快速發展，這就是始現于70年代初期的酶聯免疫技術ELISA(Enzyme-linkedimmunosorbent assays), 它采用抗原與抗體的特異反應將待測物與酶鏈接，然后通過酶與底物產生顏色反應，用于定量測定的一種免疫技術。1971年瑞典學者Eva Engvall和Peter Perlmann[7]，以及荷蘭學者Van Weerman和Schuurs[8]分別報道了體液中微量物質的固相免疫測定方法ELISA。由于ELISA可用于幾乎所有的可溶性抗原抗體的檢測、沒有放射性污染，避免了潛在的人體傷害，并由于酶催化底物顯色有很強的放大作用而無需昂貴的測試儀器，這使得基于微板的酶聯免疫分析成為臨床檢驗、藥物開發和生命科學等實驗室最基本的工具。

70年代中期單克隆抗體雜交瘤技術的問世，英國科學家Kohler和Milstein創造性地運用雜交瘤技術制備單克隆抗體，并因此獲得了諾貝爾獎[9]。在此基礎上大量的單克隆抗體被制備出來，并廣泛應用于臨床。

       20世紀70年代末，美國生物化學家Walter Gilbert發明化學法、英國生物化學家Frederick Sanger發明采用同位素標記的雙脫氧終止法手動測序技術，使人類測定基因序列成為可能。兩位學者于1980年獲得諾貝爾化學獎[10]。

       80年代Weinbery和Bishop發現癌基因，并因為他們研究中的卓越貢獻獲得了當年的諾貝爾醫學獎，他們將腫瘤標志的研究擴展提高到基因水平[11]。在之后的數十年里，采用抗原-抗體結合原理建立的各種檢測方法在臨床上廣泛應用，不僅用于測定機體自身的免疫功能，還能廣泛用于檢測各種腫瘤標記物、自身抗體、感染性疾病標志物、激素等。

 80年代中期，美國科學家率先提出人類基因組計劃(human genome project,HGP)和完成了人類基因序列圖，并于1990年，由美國、英國、法蘭西共和國、德意志聯邦共和國、日本和我國科學家共同啟動了這一價值達30億美元的人類基因組計劃。1992年，美國Affymetrix公司制造出第一張基因芯片，標志著分子診斷進入生物芯片技術階段，使得分子診斷成為了生物技術中的前沿。

 90年代中期，人們對DNA測序儀進行重大改進、采用集束化的毛細管電泳代替凝膠電泳，隨后發展出成本更低，通量更高，準確度更高、速度更快的高通量基因測序技術，能進行一次并行幾十萬到幾百萬條DNA分子序列測定。

 21世紀以來，是個體IVD多種診斷的整合，引入個性化健康保健和精準醫療、POCT等新技術的崛起。體外診斷朝著個體化、床旁化、智能化的方向發展。精準醫療的出現，將精確尋找到疾病原因和靶點的個性化治療成為了可能，從而提高疾病診治與預防的效益。

 貫穿整個20世紀中期到現在，從體外診斷的興起到今天的高速發展，生物醫學并不僅僅改變了我們與健康和疾病的關系，而且改變了我們對未來的希冀以及我們想要實現的目標。

2. 體外診斷關鍵要素的演化歷程

2.1 分子診斷

       20世紀50年代Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結構模型, 標志著分子生物學的誕生。70年代以來，分子診斷作為體外診斷的重要領域之一，是體外診斷行業中技術要求最高、發展最快的子行業，也是當代醫學發展的必然結果。隨著第一張人類基因組測序圖以及隨后的其他生物基因組測序圖的發表，分子診斷學已進入了一個有著空前機會和挑戰的新時代。

       分子診斷的主要原理是以分子生物學的技術和方法，對檢測患者體內表達水平的變化或遺傳物質的結構而做出診斷的技術，其材料包括DNA、RNA和蛋白質。而核酸分子診斷是分子診斷的主要組成部分，其涉及的技術包括PCR、分子雜交、生物芯片、核酸序列測定等分子生物學中的高尖端技術[12]。相較目前技術已十分成熟的生化診斷和技術水平日趨成熟的免疫診斷，分子診斷擁有更高的技術水準。

       分子診斷發展歷程大致經歷了四個階段：第一階段是20世紀80年代對遺傳病的DNA基因檢驗，在臨床上起初應用于傳染病診斷和器官移植配型；第二個階段是20世紀90年代以來以PCR技術，特別是實時定量PCR的應用為基礎的分子診斷；第三階段是以生物芯片技術為代表的多指標、高通量檢測技術；第四階段是以第二代基因測序技術為代表的無創DNA產前診斷、遺傳病、腫瘤、病原微生物等相關應用。分子診斷隨著技術的不斷成熟，應用范圍不斷拓寬，逐漸在遺傳病、腫瘤的早期篩查與診斷中產生了良好的效果。

       越來越多的科學工作者和醫生們投入了分子診斷學的研究工作上，其成果也不斷推動整體臨床醫學的發展。體外診斷中獨特代表性的分子診斷已成為前瞻科學，開始登上醫學科學的歷史舞臺。

2.2 精準醫療

       另一個推動體外診斷發展的關鍵因素是這些年“精準醫療”的提出。可以說，已經成為了體外診斷行業助推器。“精準醫療”這個詞匯最早開始于2011年的美國工程院、美國科學院、美國國立衛生研究院及美國科學委員會共同發出“邁向精準醫療”的倡議[13]。2015年初，美國前總統奧巴馬在國情咨文演講中提出了“精準醫療計劃”，根據每位患者所建立的數據庫信息制定出不同的個性化治療方案，并決定2016年的財政預算中2.16億美金用于推動精準醫療的發展。在此之后“精準醫療”成為全球的熱門話題。2015年2月，習近平總書記對國家衛生計生委和科技部進行了批示，要求中國也成立精準醫療戰略團隊。隨后科技部召開國家首次關于精準醫療戰略內容的專家會議，最終決定到2030年，我國將在精準醫療的發展上投入600億元人民幣。

       這幾年得益于大規模生物數據庫的建立（比如人類基因組測序），高通量組學的發展（如蛋白組學，代謝組學等），以及各種檢測手段的興起，使得精準醫療飛速發展。目前，精準醫療的主要進展集中在癌癥治療領域（病人存活率得到了顯著提升），隨著人類對癌癥認識的不斷加深，精準醫療的必要性與迫切性已經得到了醫療界和各國政府的廣泛重視。臨床試驗數據整合和標準化將為精準治療的下一步發展奠定基礎。在各項配套技術的日趨成熟與完善下，精準治療將在癌癥治療中發揮越來越重要的作用。

2.3  POCT即時診斷

       隨著經濟的發展、社會的進步和人口整體素質的提高，體外診斷也隨之改變著人們的健康體檢方式。從最初的臨床研究，到醫院和健康中心，現代社會體外診斷已經逐步滲透到家庭診斷中。特別是亞健康及慢性病患者需要經常了解身體及疾病的進展情況，這些需求促使臨床檢驗儀器、試劑向攜帶便捷，操作方便，結果“即時即地”可得的所謂POCT即時診斷的方向發展。   

       在POCT的發展初期，曾有不少其他命名，如床邊檢測(bedsidetesting)、患者身邊檢測(near-patient testing)、家用檢驗(home use testing)、實驗室外的檢驗(extra-laboratorytesting)、醫師診所檢驗(physicians-office testing)和分散檢驗(decentralized testing)等。但隨著POCT的不斷發展，這些詞匯已經無法準確詮釋POCT的概念，而POCT（pointof care testing）這一概念是由一組多學科醫生、專家和管理人員于1994年出席危急護理醫學協會的國際會議時確定下來的，現在POCT已成為醫學領域、公共衛生領域普遍使用的術語[14]。

       最早的POCT可以追溯到公元1500年前，醫生們發現一些奇怪消瘦的病人尿液里似乎有些特別物質能吸引螞蟻的注意。1957年隨著血糖和尿糖的發現，尿糖試紙及尿液檢測很快被普遍應用并開始商業化，成為最初的POCT類產品。1970年代早期,女性可以在家收集尿液樣品送到臨床實驗室進行診斷是否懷孕。但這些測試在當時還是比較復雜，需要專業的醫療人員進行診斷。到1970年代末期，第一家早孕測試誕生，雖然當時的檢測需要耗時兩個小時才能得到結果，但早期人體絨毛膜促性腺激素(hCG)試紙實現了POCT。上世紀90年代，美國臨床化學協會開展的年會中展示了一些技術新穎的便攜式、易操作的技術設備，使更多的人知道了POCT的應用。

       進入21世紀，隨著科學技術的進步，其檢測的準確度和可靠度得到極大的提高。從實驗室到醫院和護理中心,再到家庭,尤其是糖尿病等慢性病的檢測，POCT配套試劑和小型床邊診斷儀器越來越受患者的青睞。由于市場需求的增加，POCT制造商的商業化進程加速發展。

3. 體外診斷的全球監管歷程

體外診斷已從基礎的醫學研發，經歷了高速發展期，如今體外診斷產品在臨床上用于疾病的預測、預防、診斷、治療監測、預后觀察和健康狀態評價，起到越來越重要的作用。如何更科學的監管、優化管理資源、提高監管工作的系統性和有效性，成為了監管部門的首要任務。

歐美等發達國家開展醫療器械的分類監管工作時間比較長，已形成了較好的監管體系。    1976年，美國國會率先立法《醫療器械修訂案》，它涵蓋了體外診斷產業，要求所有銷售的設備在美國食品藥品監督管理局FDA注冊并遵守質量控制指導。《醫療器械修訂案》對體外診斷器械劃分為三種類別：（1）臨床化學和臨床毒理學器械；（2）血液學和病理學器械；（3）免疫學和微生物學器械[15]。隨后美國國會于1988年通過了《美國臨床實驗室改進法案修正案》(CLIA ' 88)，并設置了醫生檢測的最低要求和幫助建立一個新的細分市場。

美國的監管之路是漫長而富有挑戰的，特別是這些年基因檢測的發展和普及給各國監管部門帶來了巨大挑戰。美國通過加強對實驗室研發診斷試劑( laboratory developed test，LDT) 的監管來應對基因檢測帶來的風險，其經驗被世界衛生組織以及很多國家認可。

歐洲的體外診斷最初是基于國家的法律監管。在歐盟的體外診斷監管上，對不同類別體外診斷產品的市場準入管制根據《醫療器械指令》和《體外診斷醫療器械指令》，生產商需要依據符合性評估程序，才能通過公告機構的審查。歐洲委員會1998年，通過了《體外診斷醫療器械指令》(98/79 / EC)生效，要求絕大多數的診斷設備需要符合指令的評價體系，并通過具備CE標志才能準入市場[16]。2004年5月，歐盟新增了十個成員國，加上原有的17個成員國，歐盟目前已有27個成員國，歐盟已是一個越來越大的單一市場。

我國醫療器械的分類監管歷程始于1989年，當時為確保上市產品的安全有效，開展了醫療器械市場準入工作。尤其是2000年，國務院頒布《醫療器械監督管理條例》，標志著我國的醫療器械監管開始進入了法制化軌道。2013 年，國家食品藥品監督管理總局CFDA印發《體外診斷試劑分類子目錄》，并于2014 年制定《第一類醫療器械產品目錄》，將體外診斷試劑正式歸入醫療器械監管范疇。我國的醫療器械監管體系借鑒歐盟和美國實施分類規則指導下的分類目錄制度，實現了覆蓋整個產品品種的分類監管體系。目前一些監管問題仍然存在，但相關政策的制定會在將來不斷地修改和完善。

4. 體外診斷的未來發展趨勢分析

縱觀體外診斷的發展歷程，正是由于包括物理學、化學、免疫學、分子生物學等學科在內的一個個猶如星斗般燦爛的重大發現和發明，才使得體外診斷與治療學科與時俱進，不斷豐富、發展與完善。當代以體外診斷為代表的生物技術迅猛發展，體外診斷向更簡便，更快捷，多信息化的方向發展。與此同時，伴隨著社會經濟的發展，體外診斷正在經歷著重大的轉折點，運用生物信息與大數據的發展，精準醫療成為了一個新的醫療模式，這種對不同患者最終實現個性化的治療方案將對未來體外診斷的發展提出全新的挑戰。

從行業整體看，受益于各國政府的重視，診斷技術的升級，醫保覆蓋面的提升和市場的需求，體外診斷產業近年來整體快速成長，中國已經成為全球體外診斷發展速度最快的國家之一。從細分領域看，分子診斷將成為繼生化、免疫、血細胞等主流細分領域之后的最具有發展前景的體外診斷領域。在分子診斷中具有代表性的基因芯片，因具有同時能夠檢測多個靶點的功能和快速有效的特點，也將成為新一代分子診斷試劑開發的主流。

如果說前三次工業革命使得人類發展進入了空前繁榮的時代，也造成了巨大的能源、資源消耗，付出了巨大的環境代價。進入第四次工業革命，推動了體外診斷向著智能化、互聯網大數據、人工機器人、3D打印，以這些為核心的智能化技術給體外診斷產業帶來了新的機遇、新的理念，實驗室從自動化向信息化、智能化以致成為“綠色實驗室”方向逐步發展。體外診斷產業的競爭已不是單方向市場，而是多元的，多廣度的，多維度的全球競爭新格局。體外診斷的發展與創新將繼續改變著我們的現在和未來。

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