自公元前300年，希波克拉底提倡尿液檢查診斷疾病以來(lái)，距今已有2300余年的歷史，但真正在臨床上能夠發(fā)揮重要作用的實(shí)驗(yàn)室檢查不過(guò)數(shù)百年時(shí)間，主要原因是受限于體外診斷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。沒(méi)有相應(yīng)的科技進(jìn)步和發(fā)展，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)不可能取得突破。所幸的是，近百年來(lái)體外診斷技術(shù)取得了令人矚目的重大發(fā)展。目前，實(shí)驗(yàn)室檢查對(duì)診斷、治療、預(yù)后等臨床醫(yī)療決策的貢獻(xiàn)度越來(lái)越高，尤其是近年來(lái)分子診斷技術(shù)的飛速發(fā)展，使得體外診斷技術(shù)再次實(shí)現(xiàn)革命性突破，分子診斷技術(shù)已覆蓋了腫瘤[1]、遺傳病[2]、血液病[3]、感染性疾病[4]、神經(jīng)精神性疾病[5]、器官移植[6]、出生缺陷[7]等多個(gè)領(lǐng)域，其檢查結(jié)果對(duì)機(jī)體易感性評(píng)估、疾病診斷、預(yù)后、治療監(jiān)測(cè)、個(gè)體化藥物治療、遺傳咨詢、健康管理以及家庭生育計(jì)劃制定等均具有重要的參考價(jià)值甚至決定性價(jià)值。醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的重要性比歷史上任何時(shí)候都更加突顯。
回顧歷史，體外診斷技術(shù)的發(fā)展可謂既蜿蜒曲折，又引人入勝。公元1300年，尿檢在歐洲普及(此時(shí)距希波克拉底提倡尿檢已過(guò)去了1 600年時(shí)間)。公元1500年，內(nèi)科醫(yī)生開(kāi)始使用尿液顏色比對(duì)圖進(jìn)行直觀尿液分析，1590年荷蘭顯微鏡學(xué)家、微生物學(xué)家安東尼·列文虎克(Antony van Leeuwenhoek，1632—1723)利用自制的顯微鏡首次發(fā)現(xiàn)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顯微鏡觀察下的細(xì)菌繪圖。1660年意大利學(xué)者M(jìn)alpighi應(yīng)用最原始的顯微鏡觀察到人類紅細(xì)胞，開(kāi)辟了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中細(xì)胞形態(tài)學(xué)檢查的先河。至此，以形態(tài)學(xué)檢查為主的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)已漸漸成型，醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)逐步奠定。
化學(xué)技術(shù)的發(fā)展為體外診斷技術(shù)帶來(lái)一次革命性的進(jìn)步，從此，實(shí)驗(yàn)室檢查不僅僅是單純的形態(tài)學(xué)觀察和描述了，實(shí)驗(yàn)室檢驗(yàn)的內(nèi)容和其臨床意義得到很大的豐富和發(fā)展。隨著化學(xué)的發(fā)展和一些先驅(qū)在生命科學(xué)領(lǐng)域的嘗試，人們認(rèn)識(shí)到人體組織的某些現(xiàn)象可用化學(xué)方法識(shí)別，且這些現(xiàn)象對(duì)疾病診斷有幫助。這種"化學(xué)標(biāo)志"具有與其他臨床癥狀和體征同樣的價(jià)值[9]。
體外診斷技術(shù)的第二次革命源于人類對(duì)"酶"的認(rèn)識(shí)和酶學(xué)技術(shù)的發(fā)展，1773年，意大利科學(xué)家學(xué)者斯帕蘭扎尼(Spallanzani，1729—1799)推斷胃液中一定含有某種消化肉塊的物質(zhì)。1833年，法國(guó)學(xué)者培安和培洛里發(fā)現(xiàn)淀粉酶。1836年，德國(guó)馬普生物研究所科學(xué)家施旺(Schwann，1810—1882)從胃液中提取出了消化蛋白質(zhì)的物質(zhì)-胃蛋白酶，解開(kāi)了消化之謎。1897年，德國(guó)化學(xué)家畢希納證明了活體酵素與非活體酵素的功能是相同的。并獲得了1907年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。20世紀(jì)30年代，科學(xué)家們相繼提取出多種酶的蛋白質(zhì)結(jié)晶，并證實(shí)酶是一類具有生物催化作用的蛋白質(zhì)。20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)家切赫(Cech，1947— )和奧爾特曼(Altman，1939—)發(fā)現(xiàn)少數(shù)RNA也具有生物催化作用。1938年，Somogyi發(fā)明了血清和尿液的淀粉酶臨床檢驗(yàn)方法，Gutman發(fā)明了第一個(gè)酸性磷酸酶的檢驗(yàn)方法，1954年，Kuby發(fā)明了血清肌酸磷酸激酶活性的實(shí)驗(yàn)室方法，1955年，Wroblewski和LaDue發(fā)明了血清乳酸脫氫酶的檢驗(yàn)方法，Karmen發(fā)明了天冬氨酸轉(zhuǎn)氨酶的檢驗(yàn)方法。不僅僅是酶自身的測(cè)定，人體中一些其他化學(xué)成分如血糖的測(cè)定，也充分利用了酶的作用：煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)的生成速率與葡萄糖濃度呈正比，在波長(zhǎng)340 nm監(jiān)測(cè)吸光度升高速率，從而可以計(jì)算出血清中葡萄糖濃度。這些設(shè)計(jì)精細(xì)的反應(yīng)，足以反應(yīng)酶學(xué)技術(shù)對(duì)體外診斷帶來(lái)的影響。
免疫學(xué)的發(fā)展和免疫技術(shù)的應(yīng)用無(wú)疑為體外診斷技術(shù)帶來(lái)第三次革命。1905年Bechtold發(fā)現(xiàn)了免疫擴(kuò)散的原理。1950年R.S.Yalow和FamineS. Berson發(fā)明了放射免疫分析法，1952年P(guān)oulik博士發(fā)明了免疫電泳，1959美國(guó)化學(xué)家R.S.耶洛和S.A.貝爾森提出利用同位素標(biāo)記的與未標(biāo)記的抗原同抗體發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性抑制反應(yīng)的放射性同位素體外微量分析方法，又稱競(jìng)爭(zhēng)性飽和分析法。他們因此獲得1977年的諾貝爾生物醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1967年，Abelev證明用患者血清中提取的α-甲胎球蛋白可以檢驗(yàn)患者是否患有睪丸惡性腫瘤。1971年瑞典學(xué)者Engvail和Perlmann，以及荷蘭學(xué)者Van Weerman和Schuurs分別報(bào)道了體液中微量物質(zhì)的固相免疫測(cè)定方法ELISA。1975年單克隆抗體雜交瘤技術(shù)的問(wèn)世。在此基礎(chǔ)上大量的單克隆抗體被制備出來(lái)，并廣泛應(yīng)用于臨床。1980年，D.Colcher發(fā)現(xiàn)了CA-72血清腫瘤標(biāo)志物，主要應(yīng)用于檢測(cè)直腸結(jié)腸癌。1981年，H.Koprowski發(fā)現(xiàn)了CA199，作為血清腫瘤標(biāo)志物主要是為了檢測(cè)胰腺癌，R.C.Bast發(fā)現(xiàn)了CA125應(yīng)用于檢測(cè)卵巢癌。在之后的數(shù)十年里，這種采用抗原-抗體結(jié)合原理建立的各種檢測(cè)方法在臨床上廣泛應(yīng)用，不僅用于測(cè)定機(jī)體自身的免疫功能，還能廣泛用于檢測(cè)各種腫瘤標(biāo)記物、自身抗體、感染性疾病標(biāo)志物、激素等。
分子診斷技術(shù)的迅猛發(fā)展無(wú)疑是體外診斷技術(shù)第四次革命，1953年Watson和Crick提出脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型可謂是里程碑式的成果，為分子生物學(xué)的發(fā)展和分子診斷技術(shù)的進(jìn)步奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。他們與Wilkins因此分享了1962年的諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)(此處值得一提的是Rosalind Franklin 1920—1958，她率先拍攝到的DNA晶體照片，為雙螺旋結(jié)構(gòu)的建立起到了決定性作用。但遺憾的是她并沒(méi)等到分享榮耀)。隨后分子生物學(xué)的研究進(jìn)展可謂精彩紛呈，新技術(shù)新方法的研發(fā)以超乎想象的速度問(wèn)世。自20世紀(jì)70—80年代，各種核酸雜交技術(shù)發(fā)展成熟并廣泛應(yīng)用。具有代表性的是斑點(diǎn)雜交(dot blot)、southern blot、northern blot和原位雜交(in situ hybridization)，以及各種標(biāo)記技術(shù)比如核素標(biāo)記、熒光標(biāo)記等在各實(shí)驗(yàn)方法上的應(yīng)用。1971年Khorana提出核酸體外擴(kuò)增的設(shè)想，但是，當(dāng)時(shí)的基因序列分析方法尚未成熟，對(duì)熱具有較強(qiáng)穩(wěn)定性的DNA聚合酶還未發(fā)現(xiàn)，寡核苷酸引物的合成仍處在手工、半自動(dòng)合成階段，這種想法似乎沒(méi)有任何實(shí)際意義。1985年，美國(guó)科學(xué)家Kary Mullis經(jīng)過(guò)兩年的努力，發(fā)明了PCR技術(shù)，也因此而獲得1993年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。同期取得進(jìn)展的另一項(xiàng)非常重要的技術(shù)是DNA測(cè)序技術(shù)，20世紀(jì)70年代末，美國(guó)生物化學(xué)家Walter Gilbert發(fā)明化學(xué)法、英國(guó)生物化學(xué)家Frederick Sanger發(fā)明采用同位素標(biāo)記的雙脫氧終止法手動(dòng)測(cè)序技術(shù)，使人類測(cè)定基因序列成為可能。兩位學(xué)者也于1980年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。80年代中期，自動(dòng)測(cè)序儀問(wèn)世(應(yīng)用雙脫氧終止法原理、采用熒光素代替同位素并使用計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別)，90年代中期，人們對(duì)DNA測(cè)序儀進(jìn)行重大改進(jìn)、采用集束化的毛細(xì)管電泳代替凝膠電泳，隨后發(fā)展出成本更低，通量更高，準(zhǔn)確度更高、速度更快的高通量測(cè)序技術(shù)(high-throughput sequencing)，又稱"下一代"測(cè)序技術(shù)("next-generation"sequencingtechnology)，能一次并行對(duì)幾十萬(wàn)到幾百萬(wàn)條DNA分子進(jìn)行序列測(cè)定。在其發(fā)展過(guò)程中具有代表性的主要有大規(guī)模平行簽名測(cè)序(massively parallel signature sequencing, MPSS)、聚合酶克隆技術(shù)(Polony Sequencing)、454焦磷酸測(cè)序(454 pyrosequencing)、Illumina Solexasequencing、ABI SOLiD sequencing、離子半導(dǎo)體測(cè)序(ion semiconductor sequencing)、DNA納米球測(cè)序(DNA nanoball sequencing)等。目前，DNA測(cè)序可進(jìn)行全基因組關(guān)聯(lián)分析(genome-wide association study, GWAS)、外顯子測(cè)序、轉(zhuǎn)錄組測(cè)序、非編碼RNA(如miRNA)測(cè)序、甲基化測(cè)序等，新技術(shù)的應(yīng)用，使人們對(duì)許多物種的基因組，包括外顯子、非編碼區(qū)、轉(zhuǎn)錄組和基因拷貝數(shù)變異有了更深入、更全面的認(rèn)識(shí)。對(duì)生物性狀、疾病的解析也取得了重大的突破。在基礎(chǔ)生物學(xué)研究和在眾多的應(yīng)用領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)診斷，生物技術(shù)，法醫(yī)生物學(xué)，系統(tǒng)生物學(xué)等中DNA測(cè)序已成為不可缺少的技術(shù)。除上述具有里程碑意義的進(jìn)展外，分子生物學(xué)發(fā)展過(guò)程中，尤其重大的成就是作為人類歷史上最偉大的三大科學(xué)計(jì)劃之一的人類基因組計(jì)劃的提出以及人類基因組序列圖的完成(另兩個(gè)為曼哈頓原子彈計(jì)劃和阿波羅登月計(jì)劃)，以1999年12月，第22號(hào)染色體測(cè)序完成開(kāi)始[10]，至2006年5月，1號(hào)染色體測(cè)序完成結(jié)束[11](余為2000年5月，21號(hào)染色體測(cè)序完成[12]；2001年12月，20號(hào)染色體測(cè)序完成[13]；2003年2月，14號(hào)染色體測(cè)序完成[14]；2003年6月，Y染色體測(cè)序完成[15]；2003年7月，7號(hào)染色體測(cè)序完成[16]；2003年10月，6號(hào)染色體測(cè)序完成[17]；2004年4月，13號(hào)和19號(hào)染色體測(cè)序完成[18,19]; 2004年5月，9號(hào)和10號(hào)染色體測(cè)序完成[19,20]; 2004年9月，5號(hào)染色體測(cè)序完成[21];2004年12月，16號(hào)染色體測(cè)序完成[22]; 2005年3月，X染色體測(cè)序完成[23]; 2005年4月，2號(hào)和4號(hào)染色體測(cè)序[24,25]; 2005年9月，18號(hào)染色體測(cè)序完成[26];2006年1月，8號(hào)染色體測(cè)序完成[27]; 2006年3月，11號(hào)，12號(hào)和15號(hào)染色體[28,29,30]；2006年4月，17號(hào)和3號(hào)染色體測(cè)序完成[31,32])，標(biāo)志著人類已解開(kāi)自身基因組的全部序列。該計(jì)劃的完成對(duì)社會(huì)發(fā)展和人類自身影響的重要性無(wú)論怎樣強(qiáng)調(diào)都不過(guò)分，對(duì)醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)的巨大影響是進(jìn)一步帶動(dòng)分子診斷技術(shù)的飛速發(fā)展。
除各種核酸分析技術(shù)外，質(zhì)譜技術(shù)近年來(lái)也取得突飛猛進(jìn)的發(fā)展，因?yàn)槭菣z測(cè)特征性的小分子，有些專家把質(zhì)譜技術(shù)歸類到廣義的分子診斷技術(shù)中。其基本原理是測(cè)量離子電荷/質(zhì)量比，首先使樣品中各組分發(fā)生電離，生成不同荷質(zhì)比的離子，然后經(jīng)加速電場(chǎng)的作用，形成離子束，進(jìn)入質(zhì)量分析器，再利用電場(chǎng)和磁場(chǎng)使發(fā)生相反的速度色散，最后將它們分別聚焦而得到質(zhì)譜圖，從而確定其質(zhì)量。世界上第一臺(tái)質(zhì)譜儀是英國(guó)物理學(xué)家、化學(xué)家Francis William Aston(1877—1945)于19世紀(jì)20年代研制成功，他用這臺(tái)裝置發(fā)現(xiàn)了多種元素同位素，研究了53個(gè)非放射性元素，發(fā)現(xiàn)了天然存在的287種核素中的212種等，并為此榮獲1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。目前，液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀，電感應(yīng)耦合等離子體質(zhì)譜儀，富立葉變換質(zhì)譜等已比較成熟。質(zhì)譜分析法已廣泛地應(yīng)用于化工、能源、藥物、刑偵、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域的質(zhì)譜具有靈敏度高、選擇性強(qiáng)、準(zhǔn)確性好等特點(diǎn)，在檢驗(yàn)醫(yī)學(xué)中可用于組分序列分析、結(jié)構(gòu)分析、分子量測(cè)定、組分含量測(cè)定等。現(xiàn)已應(yīng)用于核酸的檢測(cè)分析、小分子生物標(biāo)志物的檢測(cè)、大分子生物標(biāo)志物檢測(cè)、微生物鑒定、藥物分析等。
目前，分子診斷技術(shù)以其具有的靈敏度高、特異性強(qiáng)、簡(jiǎn)便快速、可進(jìn)行定性、定量檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，已廣泛應(yīng)用于疾病的預(yù)測(cè)、預(yù)防、預(yù)后、個(gè)體化藥物治療、產(chǎn)前篩查、遺傳性疾病、腫瘤、感染性疾病(包括細(xì)菌性感染、病毒性感染、寄生蟲(chóng)、真菌、人畜共患疾病等)、神經(jīng)精神性疾病等多個(gè)領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)對(duì)臨床醫(yī)療決策的貢獻(xiàn)度進(jìn)一步提升，檢驗(yàn)結(jié)果的重要性也達(dá)到空前的高度。許多檢測(cè)結(jié)果已不僅僅是"輔助診斷"了，而是對(duì)臨床醫(yī)療決策具有決定性的意義。但事物的發(fā)展總是具有兩面性的，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果對(duì)臨床重要性的提高，同時(shí)也不可避免的伴隨著實(shí)驗(yàn)室面臨風(fēng)險(xiǎn)的提高，除了直接影響醫(yī)療決策外，還伴隨著臨床醫(yī)護(hù)和患者對(duì)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的期望值提高和檢測(cè)質(zhì)量要求的提高。2015年8月，美國(guó)華盛頓州終審法院對(duì)一起由于染色體核型分析報(bào)告錯(cuò)誤引起的醫(yī)療糾紛，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)5年的訴訟后，最終判罰承擔(dān)檢測(cè)的醫(yī)療機(jī)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)室5 000萬(wàn)美元的天價(jià)賠償，為醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室提供了一個(gè)鮮活的風(fēng)險(xiǎn)教育案例。醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室需進(jìn)一步加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)管理，提高質(zhì)量管理水平，從檢測(cè)前、中、后每個(gè)環(huán)節(jié)切實(shí)規(guī)范管理和操作。讓"每一個(gè)檢測(cè)數(shù)據(jù)都關(guān)乎一個(gè)生命"的理念深入到每名檢測(cè)人員的意識(shí)里和每個(gè)操作流程的環(huán)節(jié)中。也只有如此，才能使醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)室的管理、質(zhì)量和能力與當(dāng)代醫(yī)學(xué)發(fā)展和科技進(jìn)步相適宜，與臨床診斷、治療、預(yù)后、預(yù)測(cè)和健康管理等要求相適宜。
