当代体外诊断的技术特征与演化趋势

摘要：体外诊断技术的发展经历了从经典手工、作坊式设备，到标准化、智能化、自动化管理的全过程。体外诊断在学科理念上也从“医学检验”到“检验医学”发生着重大转变，并为临床提供重要的病理、生理信息，是患者诊疗过程中的主要组成部分。论文通过梳理当代体外诊断（IVD）技术特征和演化趋势，从体外诊断的兴起和发展，分子诊断、精准医疗和POCT即时诊断的演变，产业的全球监管这几个方面，阐明体外诊断发展与应用的全过程及其价值，并对体外诊断前景分析展望。

关键词：体外诊断，历史视角，演变历程

中图分类号：Ｒ-09,Ｒ44　文献标识码：Ａ  

文章编号：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

      

       近年来,各国对包括体外诊断在内的生物高新技术一直持鼓励、支持的态度，这有助于体外诊断行业的快速增长。但就体外诊断所涉及的科技史研究相对匮乏，大多数著作主要围绕某个技术概念展开相关研究。如英国生物学家李约瑟的《中国科学技术史》第六卷“生物学及相关技术”中论述了中国古代科学技术辉煌成就及对世界文明的伟大贡献[1]，但对于检验学所可获得的内容只限于免疫学的起源。中国学者在生物技术研究相关文章中对体外诊断的科技史有所涉及，比如首都师范大学生物系陈光在2003年的《生物技术通报》第9期中介绍了“单克隆抗体技术历史与发展”[2]；在2010年《生物技术通报》第8期中，重庆邮电大学的生物信息学院解增言发表了“DNA测序技术的发展历史与最新进展”[3]；2015年中国检验医学专家丛玉隆教授在《中华医学杂志》的一篇“回顾30年学科变化展望检验医学发展趋势”[4]，记录了中国检验医学30年来的发展历程，并剖析对于学科建设步伐存在的问题。

       论文拟从整体视角对体外诊断发展进程中关键要素的变迁和展望进行阐述，梳理其脉络并发现价值所在，有助于了解当代体外诊断技术与政策的走向与趋势，很好补充和丰富当代科学技术史的内容。下面就体外诊断中技术特征和演化趋势进行阐述。

1. 体外诊断的发展回顾

1.1  体外诊断的定义和分类

       IVD（In Vitro Diagnostics），中文译为体外诊断。从广义上讲，是指在人体之外，通过对人体的样品（血液、体液、组织等）进行检测而获取临床诊断信息的产品和服务。从狭义上讲，体外诊断产业主要指体外诊断相关产品，主要包括体外诊断试剂及体外诊断仪器设备或系统。根据国家食品药品监督管理总局（CFDA）的《医疗器械分类目录》标准，体外诊断归属于6840临床检验分析仪器类[5]。

       体外诊断主要分为以下细分领域：血液与体液诊断、生化诊断，免疫诊断、微生物诊断、分子诊断和即时诊断产品（POCT）等。其中生化、免疫、分子诊断为我国体外诊断主要的三大类品种。

 

1.2 体外诊断的历史变迁梳理

       回顾历史，体外诊断技术是由医学检验发展而来。医学检验是一门古老的学科。远在公元前430年，希腊医生希波克拉底（Hippocrates）就用感官直视法（色、嗅、味等）对尿液进行观察，以辅助有关疾病的诊断，开拓了人类历史上最早和最原始的医学检验方法。公元1300年，尿检在欧洲普及。公元1500年，内科医生开始使用尿液颜色比对图进行直观尿液分析。1590年荷兰显微镜学家、微生物学家安东尼·列文虎克(Antony vanLeeuwenhoek)利用自制的显微镜首次发现了微生物，观察到肌纤维和微血管中血流，并于1684年出版了世界上第一本利用显微镜绘制出的细菌绘图。从此，以形态学检查为主的实验活动已渐渐成型，医学实验的基础逐步奠定。

       受限于体外诊断技术的发展与应用，真正在临床上能够发挥重要作用的实验室检查是从当代的体外诊断技术革命开始。经过不到百年的发展，体外诊断技术已经取得了令人瞩目的成绩。当代体外诊断的发展伴随生物化学、免疫学、分子生物学等领域的发展而发展，从早期的实验室研究到现在家庭保健POCT的应用，从单纯的形态细胞学观察和描述到今天分子诊断和精准医疗的崛起，从基础研发走向产业的全球监管的历程。

       其中最具有开创性的技术要追溯到1950年美国纽约退伍军人管理局医院的所罗门·伯森(Famine S. Berson) 和罗莎林·雅洛(R.S.Yalow)发明了放射免疫分析法（RIA）开始，他们成为了当代免疫学的发展和免疫技术的奠基人。1959年R.S.Yalow和FamineS. Berson最先发表了内源性血浆胰岛素的测定[6]。为此，罗莎林·雅洛独占了1977年诺贝尔医学奖的一半，以表彰她建立肽类激素的放射免疫分析技术。在之后的半个世纪，这种方法在临床上检验各种激素、肿瘤标志物、药物浓度等方面有广泛的应用，并首先用于糖尿病人血浆中胰岛素含量的测定。

 放射免疫分析（RIA）在70年代末达到高峰并开始衰落和取代，是因为另外一项更简洁、更安全的技术出现和快速发展，这就是始现于70年代初期的酶联免疫技术ELISA(Enzyme-linkedimmunosorbent assays), 它采用抗原与抗体的特异反应将待测物与酶链接，然后通过酶与底物产生颜色反应，用于定量测定的一种免疫技术。1971年瑞典学者Eva Engvall和Peter Perlmann[7]，以及荷兰学者Van Weerman和Schuurs[8]分别报道了体液中微量物质的固相免疫测定方法ELISA。由于ELISA可用于几乎所有的可溶性抗原抗体的检测、没有放射性污染，避免了潜在的人体伤害，并由于酶催化底物显色有很强的放大作用而无需昂贵的测试仪器，这使得基于微板的酶联免疫分析成为临床检验、药物开发和生命科学等实验室最基本的工具。

70年代中期单克隆抗体杂交瘤技术的问世，英国科学家Kohler和Milstein创造性地运用杂交瘤技术制备单克隆抗体，并因此获得了诺贝尔奖[9]。在此基础上大量的单克隆抗体被制备出来，并广泛应用于临床。

       20世纪70年代末，美国生物化学家Walter Gilbert发明化学法、英国生物化学家Frederick Sanger发明采用同位素标记的双脱氧终止法手动测序技术，使人类测定基因序列成为可能。两位学者于1980年获得诺贝尔化学奖[10]。

       80年代Weinbery和Bishop发现癌基因，并因为他们研究中的卓越贡献获得了当年的诺贝尔医学奖，他们将肿瘤标志的研究扩展提高到基因水平[11]。在之后的数十年里，采用抗原-抗体结合原理建立的各种检测方法在临床上广泛应用，不仅用于测定机体自身的免疫功能，还能广泛用于检测各种肿瘤标记物、自身抗体、感染性疾病标志物、激素等。

 80年代中期，美国科学家率先提出人类基因组计划(human genome project,HGP)和完成了人类基因序列图，并于1990年，由美国、英国、法兰西共和国、德意志联邦共和国、日本和我国科学家共同启动了这一价值达30亿美元的人类基因组计划。1992年，美国Affymetrix公司制造出第一张基因芯片，标志着分子诊断进入生物芯片技术阶段，使得分子诊断成为了生物技术中的前沿。

 90年代中期，人们对DNA测序仪进行重大改进、采用集束化的毛细管电泳代替凝胶电泳，随后发展出成本更低，通量更高，准确度更高、速度更快的高通量基因测序技术，能进行一次并行几十万到几百万条DNA分子序列测定。

 21世纪以来，是个体IVD多种诊断的整合，引入个性化健康保健和精准医疗、POCT等新技术的崛起。体外诊断朝着个体化、床旁化、智能化的方向发展。精准医疗的出现，将精确寻找到疾病原因和靶点的个性化治疗成为了可能，从而提高疾病诊治与预防的效益。

 贯穿整个20世纪中期到现在，从体外诊断的兴起到今天的高速发展，生物医学并不仅仅改变了我们与健康和疾病的关系，而且改变了我们对未来的希冀以及我们想要实现的目标。

 

2. 体外诊断关键要素的演化历程

2.1 分子诊断

       20世纪50年代Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构模型, 标志着分子生物学的诞生。70年代以来，分子诊断作为体外诊断的重要领域之一，是体外诊断行业中技术要求最高、发展最快的子行业，也是当代医学发展的必然结果。随着第一张人类基因组测序图以及随后的其他生物基因组测序图的发表，分子诊断学已进入了一个有着空前机会和挑战的新时代。

       分子诊断的主要原理是以分子生物学的技术和方法，对检测患者体内表达水平的变化或遗传物质的结构而做出诊断的技术，其材料包括DNA、RNA和蛋白质。而核酸分子诊断是分子诊断的主要组成部分，其涉及的技术包括PCR、分子杂交、生物芯片、核酸序列测定等分子生物学中的高尖端技术[12]。相较目前技术已十分成熟的生化诊断和技术水平日趋成熟的免疫诊断，分子诊断拥有更高的技术水准。

       分子诊断发展历程大致经历了四个阶段：第一阶段是20世纪80年代对遗传病的DNA基因检验，在临床上起初应用于传染病诊断和器官移植配型；第二个阶段是20世纪90年代以来以PCR技术，特别是实时定量PCR的应用为基础的分子诊断；第三阶段是以生物芯片技术为代表的多指标、高通量检测技术；第四阶段是以第二代基因测序技术为代表的无创DNA产前诊断、遗传病、肿瘤、病原微生物等相关应用。分子诊断随着技术的不断成熟，应用范围不断拓宽，逐渐在遗传病、肿瘤的早期筛查与诊断中产生了良好的效果。

       越来越多的科学工作者和医生们投入了分子诊断学的研究工作上，其成果也不断推动整体临床医学的发展。体外诊断中独特代表性的分子诊断已成为前瞻科学，开始登上医学科学的历史舞台。

 

2.2 精准医疗

       另一个推动体外诊断发展的关键因素是这些年“精准医疗”的提出。可以说，已经成为了体外诊断行业助推器。“精准医疗”这个词汇最早开始于2011年的美国工程院、美国科学院、美国国立卫生研究院及美国科学委员会共同发出“迈向精准医疗”的倡议[13]。2015年初，美国前总统奥巴马在国情咨文演讲中提出了“精准医疗计划”，根据每位患者所建立的数据库信息制定出不同的个性化治疗方案，并决定2016年的财政预算中2.16亿美金用于推动精准医疗的发展。在此之后“精准医疗”成为全球的热门话题。2015年2月，习近平总书记对国家卫生计生委和科技部进行了批示，要求中国也成立精准医疗战略团队。随后科技部召开国家首次关于精准医疗战略内容的专家会议，最终决定到2030年，我国将在精准医疗的发展上投入600亿元人民币。

       这几年得益于大规模生物数据库的建立（比如人类基因组测序），高通量组学的发展（如蛋白组学，代谢组学等），以及各种检测手段的兴起，使得精准医疗飞速发展。目前，精准医疗的主要进展集中在癌症治疗领域（病人存活率得到了显著提升），随着人类对癌症认识的不断加深，精准医疗的必要性与迫切性已经得到了医疗界和各国政府的广泛重视。临床试验数据整合和标准化将为精准治疗的下一步发展奠定基础。在各项配套技术的日趋成熟与完善下，精准治疗将在癌症治疗中发挥越来越重要的作用。

 

2.3  POCT即时诊断

       随着经济的发展、社会的进步和人口整体素质的提高，体外诊断也随之改变着人们的健康体检方式。从最初的临床研究，到医院和健康中心，现代社会体外诊断已经逐步渗透到家庭诊断中。特别是亚健康及慢性病患者需要经常了解身体及疾病的进展情况，这些需求促使临床检验仪器、试剂向携带便捷，操作方便，结果“即时即地”可得的所谓POCT即时诊断的方向发展。   

       在POCT的发展初期，曾有不少其他命名，如床边检测(bedsidetesting)、患者身边检测(near-patient testing)、家用检验(home use testing)、实验室外的检验(extra-laboratorytesting)、医师诊所检验(physicians-office testing)和分散检验(decentralized testing)等。但随着POCT的不断发展，这些词汇已经无法准确诠释POCT的概念，而POCT（pointof care testing）这一概念是由一组多学科医生、专家和管理人员于1994年出席危急护理医学协会的国际会议时确定下来的，现在POCT已成为医学领域、公共卫生领域普遍使用的术语[14]。

       最早的POCT可以追溯到公元1500年前，医生们发现一些奇怪消瘦的病人尿液里似乎有些特别物质能吸引蚂蚁的注意。1957年随着血糖和尿糖的发现，尿糖试纸及尿液检测很快被普遍应用并开始商业化，成为最初的POCT类产品。1970年代早期,女性可以在家收集尿液样品送到临床实验室进行诊断是否怀孕。但这些测试在当时还是比较复杂，需要专业的医疗人员进行诊断。到1970年代末期，第一家早孕测试诞生，虽然当时的检测需要耗时两个小时才能得到结果，但早期人体绒毛膜促性腺激素(hCG)试纸实现了POCT。上世纪90年代，美国临床化学协会开展的年会中展示了一些技术新颖的便携式、易操作的技术设备，使更多的人知道了POCT的应用。

       进入21世纪，随着科学技术的进步，其检测的准确度和可靠度得到极大的提高。从实验室到医院和护理中心,再到家庭,尤其是糖尿病等慢性病的检测，POCT配套试剂和小型床边诊断仪器越来越受患者的青睐。由于市场需求的增加，POCT制造商的商业化进程加速发展。

 

3. 体外诊断的全球监管历程

体外诊断已从基础的医学研发，经历了高速发展期，如今体外诊断产品在临床上用于疾病的预测、预防、诊断、治疗监测、预后观察和健康状态评价，起到越来越重要的作用。如何更科学的监管、优化管理资源、提高监管工作的系统性和有效性，成为了监管部门的首要任务。

欧美等发达国家开展医疗器械的分类监管工作时间比较长，已形成了较好的监管体系。    1976年，美国国会率先立法《医疗器械修订案》，它涵盖了体外诊断产业，要求所有销售的设备在美国食品药品监督管理局FDA注册并遵守质量控制指导。《医疗器械修订案》对体外诊断器械划分为三种类别：（1）临床化学和临床毒理学器械；（2）血液学和病理学器械；（3）免疫学和微生物学器械[15]。随后美国国会于1988年通过了《美国临床实验室改进法案修正案》(CLIA ' 88)，并设置了医生检测的最低要求和帮助建立一个新的细分市场。

美国的监管之路是漫长而富有挑战的，特别是这些年基因检测的发展和普及给各国监管部门带来了巨大挑战。美国通过加强对实验室研发诊断试剂( laboratory developed test，LDT) 的监管来应对基因检测带来的风险，其经验被世界卫生组织以及很多国家认可。

欧洲的体外诊断最初是基于国家的法律监管。在欧盟的体外诊断监管上，对不同类别体外诊断产品的市场准入管制根据《医疗器械指令》和《体外诊断医疗器械指令》，生产商需要依据符合性评估程序，才能通过公告机构的审查。欧洲委员会1998年，通过了《体外诊断医疗器械指令》(98/79 / EC)生效，要求绝大多数的诊断设备需要符合指令的评价体系，并通过具备CE标志才能准入市场[16]。2004年5月，欧盟新增了十个成员国，加上原有的17个成员国，欧盟目前已有27个成员国，欧盟已是一个越来越大的单一市场。

我国医疗器械的分类监管历程始于1989年，当时为确保上市产品的安全有效，开展了医疗器械市场准入工作。尤其是2000年，国务院颁布《医疗器械监督管理条例》，标志着我国的医疗器械监管开始进入了法制化轨道。2013 年，国家食品药品监督管理总局CFDA印发《体外诊断试剂分类子目录》，并于2014 年制定《第一类医疗器械产品目录》，将体外诊断试剂正式归入医疗器械监管范畴。我国的医疗器械监管体系借鉴欧盟和美国实施分类规则指导下的分类目录制度，实现了覆盖整个产品品种的分类监管体系。目前一些监管问题仍然存在，但相关政策的制定会在将来不断地修改和完善。

 

4. 体外诊断的未来发展趋势分析

纵观体外诊断的发展历程，正是由于包括物理学、化学、免疫学、分子生物学等学科在内的一个个犹如星斗般灿烂的重大发现和发明，才使得体外诊断与治疗学科与时俱进，不断丰富、发展与完善。当代以体外诊断为代表的生物技术迅猛发展，体外诊断向更简便，更快捷，多信息化的方向发展。与此同时，伴随着社会经济的发展，体外诊断正在经历着重大的转折点，运用生物信息与大数据的发展，精准医疗成为了一个新的医疗模式，这种对不同患者最终实现个性化的治疗方案将对未来体外诊断的发展提出全新的挑战。

从行业整体看，受益于各国政府的重视，诊断技术的升级，医保覆盖面的提升和市场的需求，体外诊断产业近年来整体快速成长，中国已经成为全球体外诊断发展速度最快的国家之一。从细分领域看，分子诊断将成为继生化、免疫、血细胞等主流细分领域之后的最具有发展前景的体外诊断领域。在分子诊断中具有代表性的基因芯片，因具有同时能够检测多个靶点的功能和快速有效的特点，也将成为新一代分子诊断试剂开发的主流。

如果说前三次工业革命使得人类发展进入了空前繁荣的时代，也造成了巨大的能源、资源消耗，付出了巨大的环境代价。进入第四次工业革命，推动了体外诊断向着智能化、互联网大数据、人工机器人、3D打印，以这些为核心的智能化技术给体外诊断产业带来了新的机遇、新的理念，实验室从自动化向信息化、智能化以致成为“绿色实验室”方向逐步发展。体外诊断产业的竞争已不是单方向市场，而是多元的，多广度的，多维度的全球竞争新格局。体外诊断的发展与创新将继续改变着我们的现在和未来。

 

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作者简介：邢菁华，女，博士，北京大学医学人文研究院助理研究员，北京大学医学人文研究院与北京大学哲学系宗教学系联合招收科学技术史(医学史)博士后。研究方向：当代生物科技史。

Email: xingjinghua@bjmu.edu.cn

《医学与哲学》2017年7月第38卷第7B期总第577期

来源：医学人文研究  作者：邢菁华