歷史視角下的當代體外診斷行業變遷

邢菁華，張洵君

北京大學 醫學部，北京 100191

歷史視角下的當代體外診斷行業變遷

邢菁華，張洵君

北京大學 醫學部，北京 100191

當代體外診斷（In Vitro Diagnostics，IVD）的歷史變遷與檢驗醫學的發展密不可分，其新科學技術的應用極大推動了體外診斷產業化發展道路，也相應推動和促進了檢驗醫學的發展。本文通過梳理當代IVD的演進歷程，即從最原始的手工法發展到全自動分析，闡明生物醫學技術發展與應用的復雜過程和價值，并對其未來的發展方向做出了展望，以期為今后相關研究提供借鑒。

歷史視角；體外診斷；即時診斷；精準醫療；分子診斷；全球監管

引言

體外診斷（In Vitro Diagnostics， IVD）是臨床醫學診斷、治療及預防等醫療決策的基礎，目前IVD對臨床醫療決策的影響已經超過70%，尤其是當代IVD新技術的變革對臨床醫學的發展起到至關重要的作用。隨著科學技術的快速發展，IVD行業先后經歷了化學發光、酶免疫、單克隆抗體技術、DNA/RNA分子技術的變革，每一次技術革命都使IVD試劑跨上了一個新的臺階，不僅靈敏度、特異性有了極大提高，而且應用范圍迅速擴大，操作門檻逐步降低，商業價值日趨重要。

近年來，各國對包括IVD在內的生物高新技術一直持鼓勵、支持的態度，這有助于IVD行業的快速增長。但就IVD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。比如在英國生物學家李約瑟[1]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，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IVD的科技史有所涉及，比如首都師范大學生物系陳光[2]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”；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[3]發表了“DNA測序技術的發展歷史與最新進展”；2015年中國檢驗醫學專家叢玉隆教授[4]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”，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IVD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IVD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IVD中關鍵要素的發展進行闡述。

1 體外診斷的興起和發展

IVD是指在人體之外，通過對人體樣本（血液、體液、組織等）進行檢測而獲取臨床診斷信息，進而判斷疾病或機體功能的產品和服務[5]。根據國家食品藥品監督管理總局的《醫療器械分類目錄》標準，IVD歸屬于6840臨床檢驗分析儀器類[6]。

按照檢測原理和方法，IVD主要有血液與體液診斷、微生物診斷、生化診斷、免疫診斷、分子診斷和即時診斷（Point of Care Testing，POCT）等。目前我國的IVD主要分為生化診斷、免疫診斷和分子診斷3大類。

回顧歷史，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。1674年，荷蘭顯微鏡學家、微生物學家安東尼·列文虎克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[7]。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IVD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IVD技術革命開始。經過不到百年的發展，IVD技術已經取得了令人矚目的成績。當代IVD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是免疫學的發展和免疫技術的應用，首先是1950年美國紐約退伍軍人管理局醫院的所羅門·伯森和羅莎林·雅洛發明了放射免疫分析法（Radioactivity Immunoassay Method，RIA），1959年，Yalow等[8]最先發表了內源性血漿胰島素的測定。為此，Yalow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RIA。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。

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（Enzyme-Linked Immune Sorbent Assays，ELISA），它采用抗體和顏色反應來測定的免疫診斷中的一項技術[9]。1971年，瑞典學者Engvall等[10]以及荷蘭學者Weerman等[11]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。

1975年，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[12]。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。兩位學者也于1980年獲得諾貝爾化學獎[13]。

1980年，D.Colcher發現了CA-72血清腫瘤標志物，主要應用于檢測直腸結腸癌。1981年，H.Koprowski發現了CA199，作為血清腫瘤標志物主要是為了檢測胰腺癌，R.C.Bast發現了CA125應用于檢測卵巢癌。1989年因Weinbery和Bishop發現癌基因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[14]。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。

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。1985年，美國科學家率先提出人類基因組計劃和完成了人類基因序列圖[15]，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，Affymetrix公司制造出第一張基因芯片[16]，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。

2010年以來，是多種IVD方法的交叉與整合，同時引入POCT、個性化健康保健和精準醫療，總體是向簡易化和個體化趨勢發展。將來，IVD中兩大最具有發展潛力的分子診斷和POCT成為該領域的發展主力軍。在個體化醫療的基礎之上，引入了“精準醫療”的概念。它是通過大量人群與特定疾病比對和鑒定，由此精確找到個體疾病的原因和特點進行的一種靶向治療方法[17]。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和概念，對其不同患者最終實現個性化的治療方案。

貫穿整個20世紀中期到現在，從IVD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 分子診斷和精準醫療的崛起

20世紀中期James Watson和Francis Crick提出了DNA雙螺旋結構模型，從此分子生物學的概念開始引入[18]。進入70年代后，分子診斷作為IVD的重要領域之一，是IVD行業中技術要求最高、發展最快的子行業，是當代醫學發展的必然結果。之后的人類基因組測序圖的繪制，將其代入了又一個新時代的機遇和挑戰。

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[19]。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4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。IVD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。

另一個推動IVD發展的關鍵因素是這些年“精準醫療”的提出。“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[20]。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，還有計算和分析大規模數據的發展，精準治療飛速發展。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），尤其是一些罕見病的治療上，精準治療的下一步發展中臨床試驗數據整合和標準化將成為關鍵。當今，人們逐漸加深對疾病和自身健康的認識，使得精準醫療的重要性也再次凸顯，并得到醫學界和各國政府的廣泛認可。

3 臨床實驗室到POCT即時診斷的演變

隨著經濟的發展、社會的進步和人口整體素質的提高，IVD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IVD已經逐步滲透到家庭診斷中。人們已經不再單純被動治療，而是通過自身需求，應用不同的便攜式檢驗試劑和儀器，主動預防和檢測身體的各項指標。“即時即地”成為了IVD新的發展趨勢。

在POCT的發展初期，曾有不少其他命名，如床邊檢測、患者身邊檢測、家用檢驗、實驗室外的檢驗、醫師診所檢驗和分散檢驗等[21]。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[22]。

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。20世紀70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20世紀70年代末期，第一個家早孕測試誕生，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試紙實現了POCT[23]。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。

4 從基礎研發走向產業的全球監管

早期IVD的出現無疑成為了醫學界新的挑戰，由于采用完全不同的檢測工具和方法，其產業發展受到傳統醫學的質疑。雖然醫學工作者仍然在強調患者病史和癥狀的重要性，但在實際操作中，檢測工具的確能讓醫生更清楚的了解到病人血液所存在的問題，在疾病的預測、診斷和治療中起到了的越來越重要的作用，讓生產商和醫療專業人員很快認識到IVD產業是醫療環境中不可或缺的部分。考慮到更加合理優化資源、提高監管力度，一些效仿藥品法規的監管制度開始應用于IVD產業。

歐美等發達國家對IVD的監管制度起步較早，1976年，美國國會率先立法《醫療器械修訂案》，它涵蓋了IVD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。并對IVD器械劃分為3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[24]。隨后的《美國臨床實驗室改進法案修正案》（CLIA’88）于1988年通過[25]，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路，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。

在歐洲，IVD最初是基于國家法律監管。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[26]。2004年5月，歐盟新增了10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IVD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，實現了覆蓋對所有IVD產品的分類監管體系。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。

5 體外診斷的前景展望

當代以IVD為代表的生物技術迅猛發展，IVD向更簡便，更快捷，多信息化的方向發展。伴隨著社會經濟的發展。現代人越來越注重自身的健康，IVD的主要目的已轉向疾病的預防和早期發現。同時，對于個性化治療的需求，使得靶向精準治療成為了IVD發展的方向和目標。

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，IVD產業近年來整體快速成長，中國已經成為全球IVD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IVD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。當代IVD關鍵要素的變遷圖景，見圖1。

圖1 當代IVD關鍵要素的變遷圖景

從圖中能清晰的看到成功地開發一個新的IVD產品所賦予的基本要求已經發生了巨大的改變。無論是從技術上的革新，還是從檢驗方式的轉變，以及各國政府對其監管制度的制定。今天，IVD再次經歷著重大的轉折點，大數據時代正在改變人們的生活方式，特別是精準醫療將成為IVD未來發展的新目標。IVD使得越來越多的人們將治療為目的轉向疾病預防和健康促進。IVD正在發生著天翻地覆的變化，將繼續改變著我們的現在和未來。

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Historical Perspective: Contemporary Development of in Vitro Diagnostics

XING Jinghua, ZHANG Xunjun
Department of Medicine, Peking University, Beijing 100191, China

The history change of contemporary in vitro diagnostic (IVD) is closely connected with the development of laboratory medicine, at the same time, the application of new scientific technology has greatly pushed the development path of industrialization of IVD, has promoted the development of laboratory medicine accordingly. By analyzing the evolution of contemporary IVD, that is,from the original manual method to automatic analysis, biomedical technology development and application of complex process and value, and the future direction were expounded in this paper. It will provide some supports for the researchers in the related fields in the future.

historical perspective; in vitro diagnostics; point of care testing; precision medicine; molecular diagnostics; global regulation

R446

A

10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.029

1674-1633(2017)11-0115-05

2017-05-09

2017-09-13

本文作者：邢菁華，博士，北京大學醫學人文研究院助理研究員，北京大學哲學系宗教學系與北京大學醫學人文研究院聯合招收科學技術史（醫學史）博士后，主要研究方向為當代生物科技史與產業史；張洵君，高級經濟師，北京大學醫學人文研究院科學技術史博士研究生。

作者郵箱：xingjinghua@bjmu.edu.cn

本文編輯 王婷