遗传性耳聋基因诊断芯片系统的研制及其应用清华大学成果与知识

国家技术发明奖提名项目公示内容一、项目名称：遗传性耳聋基因诊疗芯片系统的研制及其应用二、提名单位意见：此项遗传性耳聋基因诊疗芯片系统是国际首个获得临床行政同意的耳聋分子诊疗产品，含有精确、敏捷、高效、稳定等特点，解决了痕量样品基因检测的难题，且研制出全套适合大规模筛查的配套仪器及整体解决方案。项目已获授权专利40项（含中国发明专利16项，国外专利20项），其中2项获得中国专利优秀奖。获得软件著作权证1项，医疗器械注册证书4个。项目成果于获得黄家驷生物医学工程奖一等奖及中华医学科技奖二等奖，获得妇幼健康科学技术奖科技成果奖一等奖，获得北京市科学技术奖二等奖，获国家重点新产品称号。至今的应用实践中，该项目在婚育指导、产前筛查、新生儿和高危人群筛查耳聋病因诊疗等领域，都获得了良好的社会效益和经济效益，已推广到全国涉及台湾在内的30余个省市及越南，并在20个省市纳入政府民心工程。截至今年6月底，已成功检测294余万人份。使我国成为国际上规模最大的遗传病分子筛查的国家。通过提前干预，减少了耳聋出生缺点，为提高我国人口质量起到了突出的支撑作用，经卫生经济学分析，耳聋基因筛查的效益成本比为7.27:1。项目成果近三年累计销售额突破2.4亿元人民币。对照国家技术发明奖授奖条件，提名该项目为国家技术发明奖二等奖。三、项目介绍：我国听力残疾者高达2054万，占残疾人总数24%，居第二位，且每年新增3万聋儿。在治疗方面，除昂贵的人工耳蜗植入外，重度耳聋尚无法治疗。因此，早期诊聋防聋至关重要。研究表明，60%重度耳聋源于遗传，且含有高度种族及等位基因遗传异质性。然而对于多基因、多位点、多样本分析，传统技术要么操作繁琐、通量低；要么平台昂贵且耗费人力物力，如测序法。迫切需要在阐明中国耳聋群体遗传致聋因素基础上，研发高精度、高敏捷度、高通量、低成本的新型基因突变检测技术及配套设备，以实现规模化防止耳聋。项目组在国家863等重大项目支持下，获得以下创新成果：技术发明点一：在临床收集了7630例耳聋临床病例和2898例正常个体样本，进行遗传性耳聋高危人群的分子病因学研究，拟定GJB2、SLC26A4、12SrRNA、GJB3为中国人群重要的遗传性耳聋致病基因及其上9个突变为中国耳聋人群高发突变。技术发明点二：发明了①多重等位基因特异性扩增及通用芯片技术；②提高基因扩增特异性的人工引入错配碱基技术；③磁珠分离富集单链DNA及磁珠、荧光双标记技术；④运用表面张力精确控制杂交技术。基于上述技术发明，项目组率先研制出全球首款耳聋基因诊疗芯片，可同时检测技术发明点一中选出来的4个最常见的致聋基因上的9个突变热点。该芯片于获得医疗器械注册证书，获得国家重点新产品称号，是至今获证最早、覆盖位点最多、筛查人群最大，且唯一实现干血斑等痕量样品检测的高敏捷度产品。技术发明点三：围绕芯片核心技术，发明了芯片点样仪、芯片杂交仪、芯片扫描仪等配套设备，形成了系统的芯片制备、反映及检测平台；还发明了全自动液体工作站，实现了核酸自动提取和单链DNA制备，使筛查的效率和精确性得到进一步保障。芯片扫描仪于获得医疗器械注册证书，全自动液体工作站于获得医疗器械注册证书。上述设备共获4项北京市自主创新产品奖。项目共获16项中国发明专利授权，20项国外专利授权，其它知识产权5项（含1项软件著作权）。其中2项发明专利获得中国专利优秀奖。截至6月底，成果已推广至涉及台湾在内的国内30余个省市及越南，检测总量达294余万人份，使我国成为世界上最大规模的遗传病基因筛查国家，其中筛查新生儿224余万例，通过遗传咨询，避免药品致聋并减少迟发性耳聋和后裔聋儿出生率；筛查耳聋遗传高危人群4.8万例，通过遗传咨询使其避免生育聋儿；在产前筛查上，筛查孕早期个体3.6万例，通过必要的产前诊疗避免聋儿出生；筛查发现携带线粒体突变个体5552例，通过追踪母系组员及发放用药指南，使约5.5万例携带者避免药品致聋。项目成果近三年累计销售额突破2.4亿元人民币。在北京等20个省市作为政府民心工程进行耳聋基因筛查，已获得良好的社会经济效益，并切实引领和增进了整个基因诊疗产业的发展。四、客观评价：1.成果鉴定：项目的芯片平台及仪器已通过验收并通过教育部鉴定，鉴定意见为：“整体技术达成国际先进水平，部分达成国际领先水平”。见附件3-7、8。芯片和有关仪器平台技术在美国FDA组织实施的微阵列芯片质控项目中获得同国际主流平台（安捷伦公司、TeleChem公司等）一致性较好的成果，美国FDA等专家有关质控成果的两篇有关论文发表在《NatureBiotechnology》杂志上（，24(9):1140-50，，28(8):827-38）。见附件3-11、12。2.检测报告本项目研发的九项遗传性耳聋基因检测试剂盒于获得医疗器械注册证书，获得证书的前提是要通过中国食品药品检定研究院（中检院）等机构的注册检查，通过对产品的特异性、重复性、最低检测限等性能进行检查，该产品已检查合格并获得检查报告。本项目后续进一步研发的十五项遗传性耳聋基因检测试剂盒也已于获得医疗器械注册证书。见附件3-1、2、9。配套研制的芯片扫描仪于获得医疗器械注册证书。同样该扫描仪在获证前也获得了中检院出具的注册检查报告。配套研制的全自动液体工作站于获得医疗器械注册证书。另外扫描仪（LuxScanHT24）、点样仪（PersonalArrayer16）、杂交仪（BioMixerII）、洗干仪（SlideWasher8）均已通过CE认证。见附件3-3、4、5、6、10。3.同行评价：中国工程院院士、世界卫生组织防聋合作中心主任、中华医学会耳鼻咽喉头颈外科学分会前任主任委员、北京同仁医院耳鼻咽喉头颈外科专家韩德民专家在“遗传性耳聋基因筛查突破百万暨科学与国际合作论坛”上对项目的创新技术和应用效果予以高度评价。中国医学科学院基础研究所张学专家（人类遗传学专家）在“东亚人类遗传学联盟会”、“国际工程科技高端论坛-中国分子诊疗技术暨第六届中国分子诊疗技术大会”上，也对项目的创新技术和应用效果予以高度评价。见附件5-25。4.国际学术影响力：美国耳鼻咽喉头颈外科学院、外科学院院士、美国迈阿密大学医学院遗传性耳聋中心主任刘学忠专家在一系列国际会议上，介绍了项目的研发成果及应用，并对项目的创新性和应用效果予以高度评价，有关会议涉及：第十届亚太人工耳蜗植入及有关科学大会（APSCI）、华人遗传学大会、国际工程科技高端论坛-中国分子诊疗技术暨第六届中国分子诊疗技术大会、中国工程科技论坛-分子诊疗技术暨第八届中国分子诊疗技术大会，报告题目为“从DNA到临床应用：共创中美及全球聋病基因筛查方略”。他在上述会议报告中对项目评价：“解放军总医院和清华大学、博奥生物合作，基于分子病因学研究成果研发耳聋芯片并应用于大规模耳聋筛查，为聋病早期诊疗和防止提供了新途径”。正由于项目的良好应用效果，美国迈阿密大学医学院（全美第二大医疗中心）于启动与项目完毕单位的科研合作，已开发成功欧美人群遗传性耳聋基因检测芯片，现在芯片和仪器已在美国迈阿密大学已通过测试，发表了有关论文（PloSOne,,12(3):e0169219）。见附件5-14、24。5.获奖状况：“一种检测遗传耳聋的试剂盒”获国家知识产权局中国专利优秀奖；“一种激光微阵列芯片扫描仪”获国家知识产权局中国专利优秀奖。见附件5-15、16。“遗传性耳聋基因诊疗芯片的研制及其临床应用”项目中国生物医学工程学会黄家驷生物医学工程奖一等奖；获中华医学科技奖二等奖；获妇幼健康研究会全国妇幼健康科学技术奖科技成果奖一等奖；获北京市科学技术奖二等奖。见附件5-17、18、19、20。“九项遗传性耳聋基因检测试剂盒（微阵列芯片法）”获科学技术部国家重点新产品称号。见附件5-21。五、推广应用状况：截至今年6月底，全国应用项目成果进行遗传性耳聋检测人数共294余万，是全球最大规模使用分子检测技术对遗传性疾病的筛查和诊疗，共发现500余名先天性聋儿和5500余名药品性耳聋敏感个体。协助5.5万余例突变基因携带个体避免药品致聋，并避免生育聋儿。北京、成都等20个省市应用项目成果开展了遗传性耳聋基因筛查，已筛查224余万名新生儿。涉及台湾在内的30余个省市的150多家医院搭建了耳聋基因筛查和诊疗平台。重要应用单位状况（不超出15个）序号应用单位名称应用技术应用起止时间应用单位联系人及电话经济/社会效益1北京博奥医学检查全部限公司耳聋基因诊疗芯片系统至今邓涛/见附件2-12首都医科大学附属北京同仁医院耳聋基因诊疗芯片系统至今赵丽萍/见附件2-23首都医科大学附属北京小朋友医院耳聋基因诊疗芯片系统至今郭永丽/见附件2-34宁夏医科大学总医院耳聋基因诊疗芯片系统至今王立斌/见附件2-45烟台毓璜顶医院耳聋基因诊疗芯片系统至今孙成铭/见附件2-56济南市妇幼保健院耳聋基因诊疗芯片系统至今张彦/见附件2-67中国听力语言康复研究中心耳聋基因诊疗芯片系统至今曲春燕/见附件2-7六、重要知识产权证明目录：（不超出10项，前3项为核心知识产权）序号知识产权类别知识产权具体名称国家授权号授权日期证书编号权利人发明人专利有效状态1发明专利一种检测遗传性耳聋的试剂盒中国ZL2.77月2日第号博奥生物有限公司；清华大学张冠斌、项光新、邢婉丽、程京有效2发明专利一种磁珠与发光体共标记以检测遗传性耳聋的试剂盒中国ZL2.97月9日第号博奥生物集团有限公司；清华大学高华方、项光新、蒋迪、邢婉丽、程京有效3发明专利微阵列芯片检测中核苷酸序列的颗粒标记办法中国ZL2.59月16日第号博奥生物集团有限公司；清华大学李阳、张冠斌、蒋迪、项光新、邢婉丽、程京、戴朴、韩东一有效4发明专利Methodsforidentificationofallelesusingallele-specificprimersforamplification美国US91335169月15日——博奥生物集团有限公司；清华大学李彩霞、高华方、刘湘、蔡斌、张地、程京有效5发明专利Microarraydeviceshavingcontrollablereactionvolume欧洲EP15951443月10日——博奥生物有限公司；清华大学邢婉丽、鲜飞军、王宪华、程京有效6发明专利AsymmetricPCRamplification,itsspecialprimerandapplication美国US87350675月27日——博奥生物集团有限公司；清华大学张治位、王璨、祝令香、张琼、程京有效7发明专利一种操纵磁珠分离目的分子的办法中国ZL2.07月9日第号博奥生物集团有限公司；清华大学李航、项光新、周晶琳、谢秉霖、王小龙、王东有效8发明专利OpticalsystemsFormicroarrayscanning美国US77064194月27日——博奥生物有限公司王宪华、黄国亮、程京、张弘、高泰山有效9发明专利Deviceforwashingandhybridizationofbiochips欧洲EP21372939月19日——博奥生物有限公司；清华大学李航、叶建新、艾杏凌、王宪华、张亮、程京有效10发明专利Microvalvecontrolledprecisionfluiddispensingapparatuswithaself-purgingfeatureandmethodforuse美国US859759212月3日——博奥生物有限公司，清华大学王东、邹鲲、程京有效七、重要完毕人状况（不超出6人）：排序姓名重要奉献工作单位完毕单位职称职务1程京第1完毕人。1.项目重要负责人，负责总体设计；2.对磁珠、荧光双标记体系检测办法的设计、标签杂交体系设计、芯片扫描仪的光学构造设计做出了重要奉献，是三维摇动杂交仪新设计的提出者，对项目中的技术发明点2、3都有重要奉献；3.核心发明专利3项（附件1-1~3）的发明人、重要发明专利6项（附件5-1~3，附件5-5~7）的发明人，代表性文章1篇（附件5-13）的第一作者和代表性文章4篇（附件5-10~12，附件5-14）的共同作者。清华大学清华大学专家国家工程研究中心主任2戴朴第2完毕人。1.负责耳聋分子病因学研究及指导芯片检测位点设计，对项目中的技术发明点1有重要奉献；2.核心发明专利1项（附件1-3）的发明人，代表性文章4篇（附件5-8~11）的共同作者。中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院主任医师科室副主任3邢婉丽第3完毕人。1.主持磁珠单链核酸制备的流程设计、双标记体系中标记物设计和颗粒标记办法中颗粒的选择，对项目的技术发明点2、3都有重要奉献；2.核心发明专利3项（附件1-1~3）的发明人、重要发明专利1项（附件5-2）的第一发明人，代表性文章4篇（附件5-10~12，附件5-14）的共同作者。清华大学清华大学研究员国家工程研究中心副主任4张冠斌第4完毕人。1.负责分型引物设计验证、构建磁珠分离富集单链DNA并与通用芯片进行杂交的办法和体系，对项目的技术发明点2有重要奉献；2.核心发明专利1项（附件1-1）的第一发明人、核心发明专利1项（附件1-3）的发明人，代表性文章1篇（附件5-11）的第一作者。博奥生物集团有限公司博奥生物集团有限公司专家级高工部门主任5项光新第5完毕人。1.研发了磁珠荧光双标记技术、自动化磁分离体系的构建和验证，对项目中的技术发明点2有重要奉献；2.核心发明专利3项（附件1-1~3）的发明人、重要发明专利1项（附件5-4）的发明人，代表性文章3篇（附件5-11、12、14）的共同作者。博奥生物集团有限公司博奥生物集团有限公司专家级高工部门主任6王国建第6完毕人。1.指导耳聋分子病因学研究及指导芯片检测位点设计，对项目的技术发明点1有重要奉献；2.代表性文章1篇（附件5-9）的共同作者。中国人民解放军总医院中国人民解放军总医院副主任医师无八、完毕人合作关系阐明：项目组由来自清华大学、中国人民解放军总医院、博奥生物集团有限公司的研究者共同构成，通过十余年的合作，研发了遗传性耳聋基因诊疗检测技术及产品，并主动进行临床转化和推广应用，产生了明显的社会和经济效益。第一完毕人程京院士是项目的总体指导人和技术发明的总体策划人，第三完毕人邢婉丽研究员是芯片系统总体技术发明工作的实际执行负责人和成果实施工作的总体执行人，第四完毕人张冠斌博士和第五完毕人项光新博士在第一和第三完毕人指导下分别设计并实施基于磁珠的DNA单链分离富集与荧光、磁珠双标记体系等技术发明（核心专利3项，附件1-1、2、3），并共同完毕PCR扩增引物和芯片探针标签（Tag）设计和优化、验证及芯片试剂盒的医疗器械注册申报工作。第二及第六完毕人解放军总医院的戴朴专家、王国建副主任医师从起带领研发团体进行了中国人遗传性耳聋分子病因学的研究，发现了中国人群重要的耳聋致病基因及突变热点，为项目的芯片设计和应用奠定了基础。解放军总医院与清华大学及博奥生物集团的合作从即开始，始终持续到现在。戴朴专家、王国建副主任医师带领团体在基因芯片验证、医疗器械注册申报及应用推广方面与清华大学、博奥生物集团有限公司紧密合作，为项目做出了重要奉献。上述项目关系介绍精确无误，证明材料真实可靠，并得到各参加单位和个人的共同确认。第一完毕人：程京完毕人合作关系状况汇总表序号合作方式合作者（项目排名）合作时间合作成果证明材料备注1共同知识产权程京（1）邢婉丽（3）张冠斌（4）项光新（5）-一种检测遗传性耳聋的试剂盒发明专利见附件1-12共同知识产权程京（1）邢婉丽（3）项光新（5）-一种磁珠与发光体共标记以检测遗传性耳聋的试剂盒发明专利见附件1-23共同知识产权程京（1）戴朴（2）邢婉丽（3）张冠斌（4）项光新（5）-微阵列芯片检测中核苷酸序列的颗粒标记办法发明专利见附件1-34共同知识产权程京（1）邢婉丽（3）-Microarraydeviceshavingcontrollablereactionvolume发明专利见附件5-25论文合著戴朴（2）王国建（6）-Phenotypeandgenotypeofdeafpatientswithcombinedgenomicandmitochondrialinheritancemodels论文见附件5-96论文合著程京（1）戴朴（2）邢婉丽（3）-ConstructionofaMultiplexAllele-SpecificPCR-BasedUniversalArray(ASPUA)andItsApplicationtoHearingLossScreening论文见附件5-107论文合著程京（1）戴朴（