1. 引言：从科学发现到临床革命
出生缺陷是全球性的重大公共卫生问题，有效的产前筛查与诊断是实施早期干预、预防严重出生缺陷、保障母婴健康的关键环节。在NIPT问世之前，传统的产前筛查主要依赖于血清学标志物(如PAPP-A, β-hCG, AFP等)结合超声检查(如颈项透明层厚度)。虽然这些方法得到了广泛应用，但其存在固有的局限性：对唐氏综合征(T21)的检出率通常在85%~90%左右，且有约5%的假阳性率[1]。这意味着相当数量的真正患儿被漏诊，同时大量健康胎儿被误判为高风险，导致其家庭不得不面临后续确诊性的侵入性操作(如羊膜腔穿刺和绒毛膜活检)所带来的心理压力与约0.1%~0.5%的流产风险[2]。这种“筛查–诊断”模式在准确性与安全性之间的矛盾，催生了对更优技术的迫切需求。
NIPT的成功并非一蹴而就，它建立在数十年坚实的科学研究之上。其发展历程中的两个里程碑式的发现尤为关键。首先，香港中文大学卢煜明教授团队于1997年在《柳叶刀》上首次报道了在孕妇血浆和血清中存在胎儿游离DNA。这一划时代的发现打破了以往认为胎儿遗传物质难以通过无创的方式获取的认知，为所有无创产前检测技术奠定了最根本的理论基础[3]。其次，随着二代测序技术在2000年代后期的成熟，2008年，卢煜明教授团队与美国Stephen Quake教授团队几乎同时独立证明，通过大规模平行测序技术对母体血浆中的cfDNA进行定量分析，可以高精度地检测出胎儿唐氏综合征[4] [5]。这一研究从概念验证走向了技术实现，直接催生了自2011年起NIPT在全球范围内的商业化临床应用与推广。
由于该技术对于T21的检出率高达99%以上，假阳性率低于0.1% [6]，NIPT迅速被美国妇产科医师学会(ACOG)、国际产前诊断学会(ISPD)等全球多个专业学会推荐为高危孕妇(如高龄、超声软指标异常等)的一线筛查方案。近年来，随着成本下降和证据积累，其应用正逐步向普通产科人群普及，引发了产前筛查领域的技术革新[7]。
2. NIPT的技术核心原理与演进
母体血浆中的cfDNA是混合物，其中约90%~95%来源于母体自身细胞(主要是造血系统)，仅有约5%~10%来源于胎盘滋养层细胞，后者在遗传学上被视为胎儿的替代物。NIPT的所有技术都围绕着如何从母体背景“噪音”中精准地识别出少量胎儿信号而展开。
2.1. 基础NIPT：基于计数的非整倍体检测
最早商业化且最成熟的技术是基于低深度全基因组测序的方法。其原理是：对血浆中的cfDNA进行全基因组测序，将获得的数百万条短序列读数比对到人类参考基因组上，计数并计算每条染色体的读数占总常染色体读数的比例。在一个二倍体基因组中，每条染色体的比例预期是固定的。如果胎儿患有T21，那么第21号染色体的读数比例会显著升高。通过生物信息学算法(如Z-score或GC校正后的统计模型)的计算，可判断是否存在染色体数目异常[4] [5]。
2.2. 技术的多元化发展
随着技术演进，除了全基因组测序法，另外两种技术也占据了重要市场地位：
2.2.1. 靶向测序法
该方法不进行全基因组测序，而是通过探针杂交特异性捕获位于目标染色体(如21，18，13号)上的单核苷酸多态性(SNP)位点。通过分析这些位点的等位基因比例，可以推断胎儿的染色体拷贝数。该方法的优势在于能够检测部分三倍体嵌合体，且对胎儿DNA比例要求较低。
2.2.2. 甲基化差异分析
这是近年来兴起的重要技术方向。它利用胎盘DNA与母体血液DNA在特定基因组区域存在显著甲基化差异的特性。通过生物信息学方法(如MeMR算法)或实验方法(如酶消化)分离出来源于胎盘的cfDNA，从而直接分析胎儿的基因组信息，极大提高了信噪比，为检测更小精度的变异提供了可能[8]。
3. 应用进展与优势：从核心三体到全染色体组扫描
3.1. 核心三体与性染色体非整倍体筛查的成熟与优化
最初的NIPT专注于T21、T18、T13，其高检测精度已得到全球范围内无数大规模临床研究和Meta分析的反复验证。来自中国一项涵盖超146,000例妊娠的回顾性分析证实，其对T21的灵敏度和特异性均超过99.9% [9]，使其成为产前筛查当之无愧的“金标准”。随后，NIPT的检测范围扩大覆盖了性染色体非整倍体(SCA)，如特纳综合征(45, X)、克兰费尔特综合征(47, XXY)、XXX综合征(47, XXX)和XYY综合征(47, XYY)。尽管对SCA的检测特异性(约95%~99%)和阳性预测值(PPV，约30%~70%)略低于常染色体三体[10]，但它为早期发现与性发育、生育能力及神经认知功能相关的异常提供了宝贵信息，避免了此类疾病在孕晚期甚至出生后才被发现的困境，使家庭和医生能尽早进行遗传咨询和准备。
3.2. NIPT-plus：迈向微缺失/微重复综合征筛查
NIPT-plus代表了NIPT技术临床应用的一次重要广度飞跃。它旨在检测那些与多种明确的临床综合征相关的、大小通常在1~5 Mb范围内的亚染色体片段缺失或重复，即拷贝数变异(CNVs)。
3.2.1. 检测范围与临床价值
目前商业化NIPT-plus的检测范围通常涵盖7~20种不等的微缺失/微重复综合征，其中最核心的包括DiGeorge综合征(22q11.2缺失)、Angelman/Prader-Willi综合征(15q11.2-q13缺失)、猫叫综合征(5p缺失)以及1p36缺失综合征等。这些微缺失/微重复综合征大多伴有不同程度的智力障碍、发育迟缓、多发畸形和特殊面容，且在常规中期孕超声检查中可能没有特异性表现。更重要的是，其发生率(总体约1/1000)与孕妇年龄无关，因此NIPT-plus为所有孕妇群体，尤其是年轻孕妇，提供了一个早期筛查窗口。一项针对10,000例孕妇的大型前瞻性多中心研究表明，针对关键微缺失综合征的NIPT-plus筛查实现了高检出率(>95%)和可接受的特异性[11]。另一项更大规模的回顾性分析显示，在超过25,000例妊娠中，NIPT-plus检出了所有通过产前诊断技术确认的阳性微缺失病例，证明了其在真实世界中的有效性[12]。
3.2.2. 优势与深度挑战
NIPT-plus的主要优势在于其无创性和广泛的筛查范围，能够发现传统方法难以检测到的疾病。然而，其核心挑战在于阳性预测值(PPV)相对较低。由于检测的目标片段更小，信号更微弱，极易受到胎儿cfDNA比例过低、胎盘局限性嵌合(CPM)以及母体本身CNV等因素的干扰。研究表明，NIPT-plus对于微缺失/微重复的PPV通常在20%~80%之间波动，远低于T21接近99%的PPV [13]。因此，临床指南强调，任何NIPT-plus阳性结果在考虑终止妊娠前，都必须经过侵入性产前诊断(首选染色体微阵列分析)进行确认。这给临床遗传咨询带来了巨大压力，咨询医生必须清晰、准确地向孕妇及其家属解释筛查与诊断的区别，以及假阳性的可能性[14]。
4. 最新研究进展：从染色体到基因——NIPT 2.0时代
4.1. 面向单基因病的NIPT 2.0
检测单基因病被认为是当前NIPT领域最前沿和最具颠覆性的进展。与染色体水平的剂量变化不同，单基因病NIPT需要从母体背景DNA中识别出单个碱基的突变或小片段插入/缺失，其技术难度呈指数级增加。目前，攻克这一难题主要依赖两大策略：
4.1.1. 相对突变剂量法(RMD)
此方法主要适用于由父源遗传或胎儿自身新发突变导致的常染色体显性遗传病。其原理是，对于一个杂合位点，母体血浆中野生型和突变型等位基因的比例预期为1:1。如果胎儿从其父亲那里继承了一个突变等位基因(或发生了新发突变)，那么母体血浆中突变等位基因的比例将会显著增加(例如，从50%升至60%以上)。通过超深度测序(通常>10,000x)和精密的统计模型，可以检测到等位基因比例偏移。该方法已成功应用于如软骨发育不全(FGFR3基因)、努南综合征(PTPN11等基因)等一系列新发突变占比较高的单基因病。
4.1.2. 直接单倍型分型法(cSMART等)
此方法更为强大和通用，适用于常染色体隐性和遗传自父母的显性遗传病。其技术流程较为复杂：首先需要对父母双方进行高深度全基因组测序，构建出包含致病变异的父母单倍型图谱(即“phased haplotype”)；然后，通过特异性探针捕获母体血浆cfDNA中覆盖该致病基因区域的片段，通过分析这些片段的单倍型信息，推断胎儿是否继承了来自父母的“危险”单倍型组合。张菁等人在2019年发表的研究成果展示了这一方法的巨大潜力，他们通过一次检测成功筛查了30种常染色体显性遗传病，在回顾性队列中灵敏度高达99.3%，特异性为99.9% [15]。后续研究进一步将该技术应用于常染色体隐性遗传病，如先天性肾上腺皮质增生症(CYP21A2基因) [16]和β-地中海贫血(HBB基因) [17]，展现了其广泛的应用前景。目前，针对如进行性肌营养不良(DMD)、脊髓性肌萎缩症(SMA)等疾病的单基因病NIPT检测项目已在部分国家和地区进入临床验证或有限商业应用阶段[18]。
4.2. 全基因组测序与片段组学：超越遗传序列本身
低深度或高深度全基因组测序的广泛应用，催生了一个超越单纯基因序列信息的全新维度——片段组学(Fragmentomics)。研究发现，血浆中cfDNA的片段长度、末端序列、核小体保护模式等特征并非随机，而是与细胞来源和基因组的染色质开放状态密切相关。
4.2.1. 原理与机制
胎盘来源的胎儿cfDNA与母源cfDNA在片段特征上存在系统性且可测量的差异。例如，胎儿cfDNA通常比母体cfDNA更短。更重要的是，核小体在DNA上的缠绕会保护特定区域不被切割，因此在细胞凋亡后，cfDNA的末端起点和覆盖度会呈现出与基因组功能区域(如转录起始位点、增强子等)相关的周期性模式。
4.2.2. 前沿应用
片段组学信息不仅能作为胎儿DNA比例的辅助估算指标，更能独立用于疾病检测。通过机器学习模型分析这些复杂的片段模式，可以更精确地推断胎儿的基因组信息和胎盘的健康状态。例如，通过分析cfDNA的甲基化模式，可以无创地构建胎儿的“表观遗传蓝图”，这为筛查由印记基因异常(如Angelman/Prader-Willi综合征)或胎盘功能不良导致的疾病(如先兆子痫、胎儿生长受限)开辟了全新道路[19]。卢煜明教授团队2021年的研究成果进一步阐释了如何通过超深度cfDNA测序揭示胎儿全基因组的遗传和突变谱，并深入展示了片段组学在精确推断cfDNA组织来源方面的能力[20]。
近期，有研究团队利用片段组学与甲基化组学结合，在妊娠早期无创筛查胎儿先天性心脏病方面取得了突破性进展，为筛查非遗传性出生缺陷提供了全新范式[21]。
5. 临床实施的挑战
随着NIPT范围的爆炸性扩大，其带来的挑战也日益复杂和深刻，亟需临床医生、遗传学家、政策制定者和公众的共同面对。
5.1. 技术性能的挑战
5.1.1. 检测失败与低胎儿比例
约1%~3%的检测会因胎儿DNA比例过低(通常<4%)而失败，这与孕周过早、孕妇体重过高等因素相关。低胎儿比例会直接影响所有检测项目的准确性。
5.1.2. 胎盘嵌合体
这是NIPT假阳性的最主要生物学原因。NIPT检测的是胎盘滋养层细胞的DNA，而非胎儿本身的DNA。当胎盘存在染色体异常而胎儿正常时(即限制性胎盘嵌合体)，NIPT结果会呈阳性而羊水穿刺结果正常，造成临床困惑。
5.1.3. 母体因素干扰
母体本身存在的染色体异常(如平衡易位)、良性CNV或体细胞嵌合体，以及母体罹患恶性肿瘤，都会释放异常的cfDNA进入血液，导致NIPT出现与胎儿无关的阳性结果[22]。
5.2. 临床咨询与管理的巨大压力
NIPT-plus和单基因病NIPT返回的结果远比“21三体高风险”复杂。临床医生可能面临“意义不明确的拷贝数变异(VOUS)”、“外显不全或表现度差异的疾病”或“成年期发病的遗传病”等结果。如何向非专业的孕妇家庭解释这些复杂概念、PPV的不确定性以及后续的决策选项，是对遗传咨询体系的巨大考验。信息过载可能导致孕妇焦虑，而对其结果的误解可能导致不恰当的妊娠决策[23]。
6. 伦理、法律与社会议题的深化与挑战
NIPT技术的扩展使其不再是单纯的医疗工具，更成为一个深刻的社会伦理议题，亟需从多维度进行审视。
6.1. 文化差异与伦理冲突的多元化
不同文化和社会背景对生命起源、残疾认知及生育选择存在显著差异。在强调家庭完整性与生命神圣性的文化中，基于遗传信息的妊娠终止可能面临更大的宗教或道德阻力[24]。而对“何谓正常”、“何谓值得生存的生命”的界定，技术筛查无形中嵌入了特定的价值判断，这可能与多元的社会价值观产生冲突。
6.2. 全球健康公平性的严峻挑战
尽管NIPT成本下降，其在低收入国家和资源匮乏地区的可及性依然严重不足。这可能导致全球范围内出生缺陷负担的“不平等固化”，即高收入地区通过技术手段降低严重遗传病发生率，而低收入地区则无法享有同等的预防机会，加剧健康差距[25]。即使在国家内部，社会经济地位差异也可能造成新的健康不平等。
6.3. 对残疾社群社会地位的长期影响
广泛推行遗传筛查向社会传递了一个隐含信息，即避免残疾儿的出生优于改善残疾人的生存环境与社会支持。这引发了残疾社群的深切担忧，认为此类技术可能强化社会对残疾的污名化，并侵蚀对包容性与多样性承诺的社会基础[26] [27]。如何在进行产前筛查的同时，保障残疾人的尊严与权利，是必须面对的伦理课题。
6.4. 基因数据治理的复杂性与法律真空
NIPT，特别是全基因组测序，产生了海量敏感的遗传信息。这些数据的所有权归属(孕妇、胎儿、检测机构？)、使用边界(除本次产前筛查外，能否用于科研、药物开发或亲属疾病风险评估？)、长期存储与安全保护，均是当前法律与监管框架尚未完全明确的灰色地带[28]。缺乏严格的数据治理规范，个人基因隐私面临被滥用或歧视的潜在风险。
7. 全球现状与指南演进
全球各国对NIPT的临床应用采取了不同的监管和推荐策略。在北美和欧洲许多国家，NIPT已成为高危妊娠的一线筛查工具。近年来，包括荷兰、英国在内的国家已开始在国家卫生服务体系内为所有孕妇提供NIPT，作为替代传统血清学筛查的选项，这标志着其向普通人群的正式迈进。
专业学会的指南也在不断更新以跟上技术发展的步伐。早期指南对NIPT-plus持谨慎态度，主要关注其PPV不足的问题。然而，随着证据积累，2022年，国际产前诊断学会(ISPD)等学会联合发布声明，指出在充分知情同意的前提下，为所有孕妇提供微缺失筛查在伦理上是可接受的[29]。对于单基因病NIPT，目前的指南普遍仍将其定位为研究性质或仅适用于有特定家族史的高风险家庭，尚不推荐用于普通人群的普筛[30]。中国的相关专家共识也强调了规范临床应用、加强质量控制和遗传咨询的重要性[31]。
8. 未来展望
NIPT的未来发展图景广阔而多维，正朝着构建一个全面、精准、无创的产前健康评估体系迈进。
8.1. 整合性“全能型”NIPT
未来的终极目标是开发一个单一平台，一次抽血即可同步评估染色体非整倍体、全基因组CNV (而不仅仅是检测范围内的特定的几种微缺失/微重复)和数百种高发单基因病。这将真正实现“一管血，全知晓”的愿景，但也对数据解读和咨询提出了最高难度的挑战[32]。
8.2. 多组学数据融合与人工智能
结合基因组学、片段组学、甲基化组学、转录组学甚至蛋白组学信息，并通过人工智能算法进行整合分析，将极大提升检测的广度、深度和准确性。这不仅限于胎儿遗传病筛查，更可能实现对胎盘源性妊娠并发症(如子痫前期、早产)的早期精准风险预测，从而开启预防性医疗的大门[33]。
8.3. 从筛查到诊断的范式转变
随着技术精度(尤其是单倍型分型法)达到近乎完美的水平，NIPT有望在特定场景下(如对新发突变的常染色体显性遗传病)挑战侵入性诊断的“金标准”地位。然而，要实现这一范式转变，需要跨越大规模前瞻性临床验证、严格的伦理审核和全球范围的法规批准等漫长而艰巨的历程[34]。
8.4. 筛查范围的超越与跨界应用
cfDNA分析的应用已不局限于胎儿。研究正在积极探索其在无创评估胎儿宫内感染(如CMV)、母胎免疫反应以及甚至利用异常的cfDNA片段模式、拷贝数变异和甲基化特征进行母体早期癌症筛查(即“液态活检”的产前应用)中的价值，这展现了NIPT技术更为广阔的应用前景[35]。
9. 结论
NIPT的发展正处在一个从精准筛查迈向全面风险评估的关键十字路口。当前领域的核心矛盾集中于：技术检测能力的飞速拓展与临床解读、咨询及管理能力相对滞后之间的矛盾；筛查信息的极大丰富与孕妇家庭理解、承受及决策能力有限之间的矛盾；以及技术本身的价值中立性与其在社会应用中不可避免的价值判断和伦理风险之间的矛盾。基于这些矛盾，未来3~5年的研究应聚焦于以下几个关键方向：1) 建立针对NIPT-plus和NIPT 2.0的动态、个性化阳性预测值(PPV)预测模型，整合胎儿DNA比例、母体背景等因素，以辅助临床决策；2) 开展大规模、多中心的前瞻性研究，不仅评估扩展性NIPT在普通人群中的临床效用与成本效益，更需系统评估其对孕妇心理健康、家庭决策及社会观念的长期影响；3) 联合生物伦理学、法学及社会学专家，制定针对NIPT基因数据共享、隐私保护、所有权及商业化使用的国际伦理指南与监管框架，为技术的负责任推广奠定基石。唯有通过跨学科的协同努力，在提升技术性能的同时，同步构建与之匹配的伦理规范、咨询体系与社会共识，才能稳妥地将NIPT的巨大潜力转化为切实改善母婴健康结局的临床福祉。
基金项目
2022年河南省儿童遗传代谢性疾病重点实验室开放课题“ECPAS基因导致自闭症的分子病理学及斑马鱼建模研究”(项目编号：SS202201)。
NOTES
*通讯作者。