法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)的研究進(jìn)展與比較研究

程　力

(太原警官職業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)處，山西 太原 030032)

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法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)的研究進(jìn)展與比較研究

程力

(太原警官職業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)處，山西 太原 030032)

摘要：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)帶動(dòng)了DNA檢測技術(shù)在法醫(yī)領(lǐng)域的不斷發(fā)展.以目前世界上比較先進(jìn)的三個(gè)DNA檢測平臺(tái)為例，探討法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)的研究與應(yīng)用.每項(xiàng)技術(shù)有其優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際的法醫(yī)DNA檢測中，要靈活地選用檢測平臺(tái)，以促進(jìn)工作的順利開展.

關(guān)鍵詞：DNA檢測；生物特征；刑事證據(jù)；鑒定

近幾年來，中國社會(huì)刑事犯罪率不斷上升，造成極緊張的社會(huì)氛圍.加強(qiáng)刑事案件偵破手段，成為現(xiàn)在依法治國的重要內(nèi)容.DNA檢測技術(shù)作為一項(xiàng)能夠準(zhǔn)確識(shí)別生物特征的技術(shù)，為法醫(yī)學(xué)鑒定提供了科學(xué)的依據(jù)，因此也成為現(xiàn)代最重要的刑事技術(shù)手段.

我國刑事偵破對DNA檢驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用是逐年遞增，截至2015年，公安機(jī)關(guān)在辦案實(shí)踐中，利用DNA檢測技術(shù)識(shí)別70余萬涉案人員，認(rèn)定81萬余起各類刑事案件，另外鑒定被拐賣、失蹤兒童4900人.DNA檢測技術(shù)的引用，嚴(yán)厲打擊了刑事犯罪，極大維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定.因此一直得到世界法醫(yī)界的重視.尤其是對法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)研究與應(yīng)用，各國都設(shè)立專門的研究組織與部門，縱向挖深DNA檢測技術(shù).以美國為主的發(fā)達(dá)國家，不斷推出新的DNA檢測技術(shù)，比如新款A(yù)BI3500遺傳分析儀、采用微流控技術(shù)快速DNA檢測儀以及NGS新一代(二代、三代)測序平臺(tái)等.二代測試平臺(tái)已經(jīng)在發(fā)揮重大的法醫(yī)DNA檢驗(yàn)作用.公安部在“十一五”中首次使用我國成功研發(fā)的首臺(tái)法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)，打破了國外技術(shù)壟斷.隨后的“十二五”“十三五”期間，警察機(jī)關(guān)緊跟國際水平，引領(lǐng)我國法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)研究與應(yīng)用.

1GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀的研究發(fā)展

(1)在2012年左右，美國FBI CODIS把STR位點(diǎn)從 13個(gè)增加到20個(gè)，利用六色熒光光譜處理技術(shù)，提升了識(shí)別個(gè)體與親緣復(fù)雜關(guān)系的能力[1].基于新增的STR位點(diǎn)檢測，公安部法醫(yī)研究所也開始對GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀的光譜分析技術(shù)進(jìn)行升級研究，校正空間、光譜，優(yōu)化STR數(shù)據(jù)的預(yù)處理與質(zhì)量評價(jià)流程.從五色增加到六色的技術(shù)算法系統(tǒng)，相應(yīng)增加同個(gè)電泳通道能夠檢測的顏色.因此六色熒光屏技術(shù)對于DNA檢測技術(shù)的綜合發(fā)展具有重要意義，體現(xiàn)軟硬件與試劑耗材性能的良好結(jié)合.六色熒光光譜處理技術(shù)工作有四個(gè)環(huán)節(jié)：1)依據(jù)需要檢測樣本，選擇、設(shè)計(jì)具有六色試劑體系STR工作模型，規(guī)劃DNA檢測平臺(tái)階段程序的動(dòng)作程序；2)參照六色試劑燃料情況，查找光譜分布矩陣，分析逆運(yùn)算，并使用事前算法校矩陣；3)發(fā)送命令集，儀器硬件平臺(tái)接收后，對六色STR數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并依據(jù)實(shí)時(shí)基線進(jìn)行校正處理；4)對STR數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合檢測，全面分析處理文件信息、光校正信息、樣本信息、運(yùn)行信息等，將含有六色試劑DNA數(shù)據(jù)信息以FID、ABIF的數(shù)據(jù)格式輸送出來.

依照上面步驟進(jìn)行DNA 測試，最終得出，六色DNA熒光光譜中的數(shù)據(jù)信息，是可以被GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀準(zhǔn)確采集.并通過光譜矩陣建模，精確分析STR熒光光譜.利用分析儀呈現(xiàn)出六色熒光光譜的情況，實(shí)現(xiàn)識(shí)別個(gè)體生物特征與復(fù)雜的親緣關(guān)系.

(2)DNA遺傳信息庫的規(guī)模不斷擴(kuò)充龐大，DNA數(shù)據(jù)對于刑事偵查的作用也在不斷加大.一系列中高通道系列的DNA遺傳分析技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，PCR體系就是其中一例.PCR體系的初衷就是為減少在龐大的DNA數(shù)據(jù)庫中的檢測時(shí)間.為處理這項(xiàng)難題，公安部法醫(yī)研究所以16通道毛細(xì)管電泳DNA遺傳分析儀為技術(shù)基礎(chǔ)，創(chuàng)新研究24、96中高通道法醫(yī)DNA遺傳分析儀.如果說GA118系列的16A法醫(yī)DNA遺傳分析儀是技術(shù)與材料的綜合，24、96中高通道法醫(yī)DNA遺傳分析儀則是系統(tǒng)的綜合，引進(jìn)激光誘導(dǎo)技術(shù)，構(gòu)建熒光檢測系統(tǒng)，并且對進(jìn)樣、恒溫、數(shù)據(jù)輸送與處理等系統(tǒng)，都進(jìn)行一定的更新，整體性提高了遺傳分析儀技術(shù).以GA118-16A為原型，24、96中高通道遺傳分析儀器，使用小體積、低耗能、壽命更長的固體激光器，淘汰了氬離子氣體激光器，提高激光傳輸系統(tǒng)的工作效率.熒光光譜檢測系統(tǒng)上，長波通濾光片具有大視野場角，準(zhǔn)直孔徑更大，可以鏡頭成像，配備512*512制冷CCD，保證技術(shù)的均勻性，可以檢測寬光譜范圍熒光光譜；恒溫系統(tǒng)上，引進(jìn)格柵與3D均勻循環(huán)恒溫技術(shù)，優(yōu)良創(chuàng)新風(fēng)道設(shè)計(jì)，提高熱傳導(dǎo)與溫控系統(tǒng)的工作效率，實(shí)現(xiàn)了體積增大、靈敏度提高的系統(tǒng)目標(biāo)；在STR數(shù)據(jù)軟件系統(tǒng)上，利用先進(jìn)CCD驅(qū)動(dòng)時(shí)序電路設(shè)計(jì)，采用嵌入式電路設(shè)計(jì)，完善CCD數(shù)據(jù)采集電路，強(qiáng)化采集與傳輸空間、數(shù)據(jù)的方法，對空間、光譜、STR數(shù)據(jù)采集算法進(jìn)行更加嚴(yán)格地校正.因此，從整個(gè)系統(tǒng)上進(jìn)行分析，24、96中高通道遺傳分析儀具有全面的改進(jìn)，盡管現(xiàn)在這兩種DNA檢測平臺(tái)在法醫(yī)實(shí)踐中并未正式使用，但是24通道DNA遺傳分析儀已經(jīng)完成原樣試機(jī)，96DNA遺傳分析儀則正在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試.

(3)DNA遺傳分析儀只是在技術(shù)層面完成了DNA數(shù)據(jù)檢測工作，對于數(shù)據(jù)的分析，另外還有評判專家系統(tǒng).與GA118系列法醫(yī)DNA遺傳分析儀同步發(fā)展起來，DNA遺傳數(shù)據(jù)評判專家分析系統(tǒng)與其同軌而行，緊密相連，也是刑事偵查員分析DNA遺傳信息數(shù)據(jù)的平臺(tái).DNA遺傳信息數(shù)據(jù)評判專家系統(tǒng)，直接得出DNA遺傳信息的結(jié)論，常用在法醫(yī)與鑒定親緣關(guān)系、染色體與DNA異常診斷、SNP分裂等方面.但是，我國DNA遺傳數(shù)據(jù)評判專家分析系統(tǒng)起步相對較晚，在國家“十一五”期間，公安部物證鑒定中心開始研究DNA分析技術(shù)，取得良好成就.

公安部法醫(yī)研究所加深研究六色試劑DNA數(shù)據(jù)分析技術(shù)，核心部分有：Ladder分型參照系建立方法、DNA分型質(zhì)量評價(jià)方法、SIZE內(nèi)標(biāo)的定標(biāo)方法與DNA分型質(zhì)量評價(jià)方法，分別取得重大的研究成果.以相關(guān)試劑體系為基礎(chǔ)，完善六色Ladder分型參照系，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)定長DNA片段，提升基因分型數(shù)據(jù)處理技術(shù).

在六色試劑SIZE定標(biāo)上，GA118系列遺傳分析儀建立了完整的六色光譜數(shù)據(jù)的Size基線調(diào)整、譜峰識(shí)別、標(biāo)準(zhǔn)譜峰序列匹配、SIZE定標(biāo)、SIZE質(zhì)量評價(jià)流程；在Ladder分型參照系上，GA118系列遺傳分析儀基于Panel、Marker、Bin參考數(shù)據(jù)，重構(gòu)了六色試劑體系Panel、Marker、Bin，實(shí)現(xiàn)了實(shí)際六色試劑體系的Ladder譜峰位置和參考Ladder位置的正確匹配；在DNA樣本分型上，GA118遺傳分析儀采用前面步驟生成的六色Ladder分型參照系，成功實(shí)現(xiàn)了9947標(biāo)準(zhǔn)品和實(shí)際DNA案件樣本的STR分型，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)六色熒光光譜試劑體系的DNA片段定長和基因分型數(shù)據(jù)處理.

2微流控快速DNA分析儀的研發(fā)

法學(xué)證據(jù)的搜集比較重視及時(shí)性與現(xiàn)場性，這促使發(fā)達(dá)國家研發(fā)新的DNA檢測平臺(tái)，以微流控技術(shù)為基礎(chǔ)研發(fā)的DNA檢測儀即是最好平臺(tái).美國IntegenX公司研發(fā)的RapidHIT 200就是利用微流控研發(fā)出的具有代表性的DNA檢測儀器.

RapidHIT 200結(jié)合MOVe流體集成技術(shù)與流控芯片，更迅速地處理血拭子樣品與咽拭子.利用一次性的芯片匣，該系統(tǒng)可單次以對4-8個(gè)拭子樣品進(jìn)行處理，在90分鐘內(nèi)生成CODIS兼容的結(jié)果.整機(jī)相對緊湊，重量約為81.5kg，尺寸為48cm×73cm×71cm.樣品細(xì)胞在芯片上進(jìn)行裂解后，使用磁珠對其中的DNA進(jìn)行提取和純化，完成STR位點(diǎn)擴(kuò)增，最終產(chǎn)物在芯片外的毛細(xì)管進(jìn)行電泳分離.

進(jìn)行驗(yàn)證測試時(shí)，美國 GE和Netbio公司合作的DNAScan系統(tǒng)測試結(jié)果，相比RapidHIT更加接近.BioChipSet匣不僅整合了樣品提取和擴(kuò)增用的微流控芯片，也集成了毛細(xì)管電泳芯片.

對于快速DNA 檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，公安部也利用微流控技術(shù)加大對其研究，設(shè)計(jì)版塊主要有四個(gè)：樣品處理、分離、檢測、分析.利用微流控技術(shù)處理樣品，與原來DNA檢測系統(tǒng)大不相同，也是整個(gè)DNA檢測系統(tǒng)的核心部分.輸入系統(tǒng)樣本為拭子，快速裂解細(xì)胞、提取DNA、擴(kuò)增位點(diǎn)、檢測分離，最后輸出STR位點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息.選擇樣本數(shù)目在5至16個(gè)之間.既可以滿足實(shí)際需要，又能節(jié)約儀器成本.

處理模塊具備核心的微流控芯片，在設(shè)備配套上也比較齊全，包括氣壓、溫度控制系統(tǒng)與樣品儲(chǔ)存系統(tǒng).使用塑料芯片就可以，既方便加工，又可降低成本，常用的是聚丙烯、共聚物、環(huán)烯烴聚合物.芯片當(dāng)中有液體與氣體管路，具有多層化，以氣路的正負(fù)電壓控制閥門開閉，實(shí)現(xiàn)流體控制技術(shù).進(jìn)行毛細(xì)血管電泳時(shí)，以高壓電源與溫控原件實(shí)現(xiàn)快速的溫度控制，制造緊湊的儀器體積環(huán)境，縮短分離時(shí)間.

拭子上的細(xì)胞經(jīng)過充分的裂解后，使用磁珠或者硅膠柱進(jìn)行分離純化，洗脫后進(jìn)行若干個(gè)STR位點(diǎn)的多重PCR擴(kuò)增.芯片上的PCR擴(kuò)增的體積通常不超過10μL，方便實(shí)現(xiàn)快速的變溫.同時(shí)選用快速的PCR酶，最終將傳統(tǒng)的超過2個(gè)小時(shí)的PCR反應(yīng)縮短到30分鐘內(nèi).擴(kuò)增產(chǎn)物在分離系統(tǒng)中進(jìn)行毛細(xì)管電泳.

3NGS新一代DNA測序儀

在法醫(yī)學(xué)應(yīng)用上，NGS新一代測序技術(shù)可謂大展手腳，在近幾年迅速發(fā)展起來，同時(shí)被法醫(yī)界稱為“深度測序技術(shù)”，“第二代測序技術(shù)”.

NGS新一代測序技術(shù)近幾年的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣，其擺脫傳統(tǒng)電泳的技術(shù)，具有高通量的技術(shù)特點(diǎn).相比上一代，NGS新一代測序技術(shù)邊合成邊測試的工作方法，可以對DAN數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測，避免操作時(shí)間過長出現(xiàn)過度變化的情形.其中，具有代表性的包括基于焦磷酸測序的454 測序技術(shù)(檢測化學(xué)發(fā)光) ，Ion Torrent測序技術(shù)(檢測微小的pH 變化)，基于連接酶測序的SOLiD技術(shù)和Complete Genomics技術(shù)，基于單分子聚合酶延伸過程檢測的Helicos技術(shù) 和PacBio技術(shù)以及目前占據(jù)最主要地位的基于熒光標(biāo)記和可逆保護(hù)集團(tuán)的聚合酶延伸的Illumina/Solexa技術(shù)[2].這些技術(shù)大大提高測序通量和速度，同時(shí)顯著降低了測序成本.這些技術(shù)不僅在醫(yī)療和生命科學(xué)研究得到了應(yīng)用，也在法醫(yī)鑒定，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)育種，現(xiàn)代生物育種等方面發(fā)揮了重要作用.

NGS新一代測序技術(shù)一直是法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn).至2015年9月，相關(guān)的學(xué)術(shù)研究數(shù)量十分多，PubMed檢索的國際學(xué)術(shù)論文數(shù)量已經(jīng)達(dá)到200多篇.美國產(chǎn)業(yè)界一直非常重視對NGS新一代測序技術(shù)的研究，不斷對DNA檢測平臺(tái)進(jìn)行創(chuàng)新，增長法醫(yī)試劑盒，增加DNA檢測的初始量，達(dá)到100pg～1ng，能夠檢測231個(gè)STR位點(diǎn)[3].

這項(xiàng)技術(shù)很好地適應(yīng)偵查機(jī)關(guān)對刑事證據(jù)偵查的要求，在辨別與分析當(dāng)事人DNA數(shù)據(jù)上及時(shí)便捷.因此法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的關(guān)注度非常高.許多DNA技術(shù)發(fā)明公司，也在不斷地加大對其研究與開發(fā)，發(fā)明出不同系統(tǒng)的檢測系統(tǒng)，不過也遇到了一些相應(yīng)問題.然而，不論怎么說，NGS新一代測序技術(shù)代表著一個(gè)發(fā)展趨勢.

NGS新一代測序技術(shù)的不同系統(tǒng)各有優(yōu)劣，共同推動(dòng)了基于NGS新一代測序技術(shù)在法醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用.這類NGS新一代測序平臺(tái)具備強(qiáng)大的DNA測序數(shù)據(jù)生產(chǎn)能力，采用多重測序的辦法提高DNA測序質(zhì)量，在法醫(yī)學(xué)應(yīng)用上可給出更加豐富的DNA序列信息，在降解DNA分型、復(fù)雜混合樣本解析、復(fù)雜親緣關(guān)系鑒定、表型推斷等法醫(yī)DNA應(yīng)用領(lǐng)域具備優(yōu)勢.同時(shí)，NGS新一代測序技術(shù)在法醫(yī)DNA領(lǐng)域廣泛應(yīng)用還要面臨一些挑戰(zhàn)：1)基于NGS新一代測序技術(shù)的法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)儀器、試劑耗材還非常昂貴，需要進(jìn)一步降低成本；2)基于NGS新一代測序技術(shù)的法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，相關(guān)數(shù)據(jù)信息處理需要較強(qiáng)大的計(jì)算能力，存儲(chǔ)和管理需要更多的硬件支持[4].

4結(jié)語

法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)在科技發(fā)展形勢中，肯定還會(huì)有新的突破.盡管目前sanger測序技術(shù)是目前法醫(yī)檢測平臺(tái)的黃金標(biāo)準(zhǔn)，代表現(xiàn)在國際最高水平，但是在未來法醫(yī)領(lǐng)域，STR位點(diǎn)數(shù)量會(huì)不斷增多，sanger測序技術(shù)同樣也會(huì)面臨挑戰(zhàn).因此，要促進(jìn)法醫(yī)DNA檢測平臺(tái)不斷走向完善，更好地服務(wù)于刑事證據(jù)的鑒定識(shí)別，打擊刑事犯罪，發(fā)揮現(xiàn)代技術(shù)的社會(huì)治理功能.DNA檢測技術(shù)的進(jìn)一步完善，也是需要相關(guān)技術(shù)人員與廣大社會(huì)公民的不懈努力.

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(責(zé)任編校：晴川)

Progress and Comparative Study of Forensic DNA Testing Platforms

CHENG Li

(Department of Experiment, Taiyuan Police Vocational College, Taiyuan Shanxi 030032, China)

Abstract：Modern science and technology led to the continuous development of DNA testing technology in the forensic field. Taking three advanced testing platforms in the world as examples, the paper discussed the research and application of DNA testing platforms in the forensic field. Each technology has its advantages and disadvantages.In the actual forensic DNA testing, it is necessary to utilize these testing platforms in a flexible way, so as to promote the smooth development of the work.

Key Words：DNA testing; biological characteristics;criminal evidence; appraisal

中圖分類號:D918.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號：1008-4681(2016)02-0017-03

作者簡介：程力(1973— )，女，山西太原人，太原警官職業(yè)學(xué)院實(shí)驗(yàn)處講師.研究方向：法醫(yī)DNA檢測.

收稿日期：2016-03-04