历史视角下的当代体外诊断行业变迁
邢菁华，张洵君
北京大学 医学部，北京 100191
[摘 要]当代体外诊断（In Vitro Diagnostics，IVD）的历史变迁与检验医学的发展密不可分，其新科学技术的应用极大推动了体外诊断产业化发展道路，也相应推动和促进了检验医学的发展。本文通过梳理当代IVD的演进历程，即从最原始的手工法发展到全自动分析，阐明生物医学技术发展与应用的复杂过程和价值，并对其未来的发展方向做出了展望，以期为今后相关研究提供借鉴。
[关键词]历史视角；体外诊断；即时诊断；精准医疗；分子诊断；全球监管
引言
体外诊断（In Vitro Diagnostics， IVD）是临床医学诊断、治疗及预防等医疗决策的基础，目前IVD对临床医疗决策的影响已经超过70%，尤其是当代IVD新技术的变革对临床医学的发展起到至关重要的作用。随着科学技术的快速发展，IVD行业先后经历了化学发光、酶免疫、单克隆抗体技术、DNA/RNA分子技术的变革，每一次技术革命都使IVD试剂跨上了一个新的台阶，不仅灵敏度、特异性有了极大提高，而且应用范围迅速扩大，操作门槛逐步降低，商业价值日趋重要。
近年来，各国对包括IVD在内的生物高新技术一直持鼓励、支持的态度，这有助于IVD行业的快速增长。但就IVD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。比如在英国生物学家李约瑟[1]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，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IVD的科技史有所涉及，比如首都师范大学生物系陈光[2]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”；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[3]发表了“DNA测序技术的发展历史与最新进展”；2015年中国检验医学专家丛玉隆教授[4]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”，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IVD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IVD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IVD中关键要素的发展进行阐述。
1 体外诊断的兴起和发展
IVD是指在人体之外，通过对人体样本（血液、体液、组织等）进行检测而获取临床诊断信息，进而判断疾病或机体功能的产品和服务[5]。根据国家食品药品监督管理总局的《医疗器械分类目录》标准，IVD归属于6840临床检验分析仪器类[6]。
按照检测原理和方法，IVD主要有血液与体液诊断、微生物诊断、生化诊断、免疫诊断、分子诊断和即时诊断（Point of Care Testing，POCT）等。目前我国的IVD主要分为生化诊断、免疫诊断和分子诊断3大类。
回顾历史，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。1674年，荷兰显微镜学家、微生物学家安东尼·列文虎克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[7]。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IVD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IVD技术革命开始。经过不到百年的发展，IVD技术已经取得了令人瞩目的成绩。当代IVD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是免疫学的发展和免疫技术的应用，首先是1950年美国纽约退伍军人管理局医院的所罗门·伯森和罗莎林·雅洛发明了放射免疫分析法（Radioactivity Immunoassay Method，RIA），1959年，Yalow等[8]最先发表了内源性血浆胰岛素的测定。为此，Yalow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RIA。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。
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（Enzyme-Linked Immune Sorbent Assays，ELISA），它采用抗体和颜色反应来测定的免疫诊断中的一项技术[9]。1971年，瑞典学者Engvall等[10]以及荷兰学者Weerman等[11]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。
1975年，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[12]。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。两位学者也于1980年获得诺贝尔化学奖[13]。
1980年，D.Colcher发现了CA-72血清肿瘤标志物，主要应用于检测直肠结肠癌。1981年，H.Koprowski发现了CA199，作为血清肿瘤标志物主要是为了检测胰腺癌，R.C.Bast发现了CA125应用于检测卵巢癌。1989年因Weinbery和Bishop发现癌基因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[14]。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。
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。1985年，美国科学家率先提出人类基因组计划和完成了人类基因序列图[15]，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，Affymetrix公司制造出第一张基因芯片[16]，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。
2010年以来，是多种IVD方法的交叉与整合，同时引入POCT、个性化健康保健和精准医疗，总体是向简易化和个体化趋势发展。将来，IVD中两大最具有发展潜力的分子诊断和POCT成为该领域的发展主力军。在个体化医疗的基础之上，引入了“精准医疗”的概念。它是通过大量人群与特定疾病比对和鉴定，由此精确找到个体疾病的原因和特点进行的一种靶向治疗方法[17]。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和概念，对其不同患者最终实现个性化的治疗方案。
贯穿整个20世纪中期到现在，从IVD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 分子诊断和精准医疗的崛起
20世纪中期James Watson和Francis Crick提出了DNA双螺旋结构模型，从此分子生物学的概念开始引入[18]。进入70年代后，分子诊断作为IVD的重要领域之一，是IVD行业中技术要求最高、发展最快的子行业，是当代医学发展的必然结果。之后的人类基因组测序图的绘制，将其代入了又一个新时代的机遇和挑战。
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[19]。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4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。IVD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。
另一个推动IVD发展的关键因素是这些年“精准医疗”的提出。“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[20]。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，还有计算和分析大规模数据的发展，精准治疗飞速发展。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），尤其是一些罕见病的治疗上，精准治疗的下一步发展中临床试验数据整合和标准化将成为关键。当今，人们逐渐加深对疾病和自身健康的认识，使得精准医疗的重要性也再次凸显，并得到医学界和各国政府的广泛认可。
3 临床实验室到POCT即时诊断的演变
随着经济的发展、社会的进步和人口整体素质的提高，IVD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IVD已经逐步渗透到家庭诊断中。人们已经不再单纯被动治疗，而是通过自身需求，应用不同的便携式检验试剂和仪器，主动预防和检测身体的各项指标。“即时即地”成为了IVD新的发展趋势。
在POCT的发展初期，曾有不少其他命名，如床边检测、患者身边检测、家用检验、实验室外的检验、医师诊所检验和分散检验等[21]。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[22]。
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。20世纪70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20世纪70年代末期，第一个家早孕测试诞生，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试纸实现了POCT[23]。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。
4 从基础研发走向产业的全球监管
早期IVD的出现无疑成为了医学界新的挑战，由于采用完全不同的检测工具和方法，其产业发展受到传统医学的质疑。虽然医学工作者仍然在强调患者病史和症状的重要性，但在实际操作中，检测工具的确能让医生更清楚的了解到病人血液所存在的问题，在疾病的预测、诊断和治疗中起到了的越来越重要的作用，让生产商和医疗专业人员很快认识到IVD产业是医疗环境中不可或缺的部分。考虑到更加合理优化资源、提高监管力度，一些效仿药品法规的监管制度开始应用于IVD产业。
欧美等发达国家对IVD的监管制度起步较早，1976年，美国国会率先立法《医疗器械修订案》，它涵盖了IVD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。并对IVD器械划分为3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[24]。随后的《美国临床实验室改进法案修正案》（CLIA’88）于1988年通过[25]，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路，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。
在欧洲，IVD最初是基于国家法律监管。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[26]。2004年5月，欧盟新增了10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IVD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，实现了覆盖对所有IVD产品的分类监管体系。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。
5 体外诊断的前景展望
当代以IVD为代表的生物技术迅猛发展，IVD向更简便，更快捷，多信息化的方向发展。伴随着社会经济的发展。现代人越来越注重自身的健康，IVD的主要目的已转向疾病的预防和早期发现。同时，对于个性化治疗的需求，使得靶向精准治疗成为了IVD发展的方向和目标。
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，IVD产业近年来整体快速成长，中国已经成为全球IVD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IVD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。当代IVD关键要素的变迁图景，见图1。
图1 当代IVD关键要素的变迁图景
从图中能清晰的看到成功地开发一个新的IVD产品所赋予的基本要求已经发生了巨大的改变。无论是从技术上的革新，还是从检验方式的转变，以及各国政府对其监管制度的制定。今天，IVD再次经历着重大的转折点，大数据时代正在改变人们的生活方式，特别是精准医疗将成为IVD未来发展的新目标。IVD使得越来越多的人们将治疗为目的转向疾病预防和健康促进。IVD正在发生着天翻地覆的变化，将继续改变着我们的现在和未来。
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Historical Perspective: Contemporary Development of in Vitro Diagnostics
XING Jinghua, ZHANG Xunjun
Department of Medicine, Peking University, Beijing 100191, China
Abstract: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.
Key words:historical perspective; in vitro diagnostics; point of care testing; precision medicine; molecular diagnostics; global regulation
[中图分类号]R446
[文献标识码]A
doi：10.3969/j.issn.1674-1633.2017.11.029
[文章编号]1674-1633(2017)11-0115-05
收稿日期：2017-05-09
修回日期：2017-09-13
本文作者：邢菁华，博士，北京大学医学人文研究院助理研究员，北京大学哲学系宗教学系与北京大学医学人文研究院联合招收科学技术史（医学史）博士后，主要研究方向为当代生物科技史与产业史；张洵君，高级经济师，北京大学医学人文研究院科学技术史博士研究生。
作者邮箱：xingjinghua@bjmu.edu.cn
本文编辑 王婷