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犯罪科學系列(一):次世代定序(NGS)辦案的未來指日可待?

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美國刑事偵探推理影集《 CSI 犯罪現場》中,科學家在犯罪現場仔細採集微量證物回到實驗室,利用先進科學儀器精準分析重建犯罪現場,詳實推理出犯罪經過與對象,始終膠著懸疑的案情得以真相大白的過程,相信是許多人熟悉的晚間電視娛樂。但真實辦案的過程能如此順利嗎? 隨著生物技術的快速發展,如次世代定序 (NGS)、腸道菌等應用興起,又會為鑑識科學領域帶來什麼樣的新契機呢 ? 基因線上規劃一系列的專題報導,包含專文介紹知名鑑識專家訪談,為讀者提供遺傳學技術在鑑識科學應用的基本認識及最新的技術進展。

現今鑑識科學的侷限

在現實世界裡,我們仍不時聽說有懸而未解的疑案,又或是因為證據的缺乏,懷疑是否無辜的人進了監獄,有罪的人仍在外逍遙。因為光憑指紋鑑定、血液分析、齒痕採證等這些歷經百年仍堅守崗位的鑑定技術,實則無法在第一時間推敲出所有犯罪的全部樣貌,真正鎖定該為罪行負責的犯罪者。雖然脫氧核糖核酸(DNA)技術應用於刑事鑑定已有一段時日,各種生物跡證的處理分析也逐漸蓬勃發展 。但仍存在許多盲點和可進步的空間,例如分析成本居高不下、當樣本材料稀少時,有可能難以指認出犯罪嫌疑人等。

這樣的困境,透過近幾年發展突飛猛進的遺傳醫學科技──次世代基因定序技術(Next Generation Sequencing , NGS), 或許能為傳統以現場跡證、彈道、指紋、衣物纖維、鞋印等分析為主的法醫刑事鑑定,從遺傳醫學科技解析,提供不一樣的角度與新契機。

DNA 技術應用於鑑識科學的過往迎來

一九七O年代起,人類在基因工程的技術開始起飛,雖然大部份是應用於醫學及生物的領域,然而隨著科技進步,使遺傳科技也逐漸跨入法醫學的範疇。以 DNA 分型(DNA typing)鑑定犯罪嫌疑人,可說是近代法醫學最主要的輔助工具,該技術首先採用於 1985 年英國的個案調查,並於 1986 年首次在美國的商業實驗室裡進行,1988 年起,美國聯邦調查局(FBI)也正式採用。

人體的 DNA 上有許多「短片段重覆序列」(short tandem repeat, STR),這些 DNA 片段因個體而有所差異;綜合這些不同之處,某地區、國家,甚至全人類個體與個體間的差異,就能以此綜合結果加以區分,如同指紋般精準辨識出個人獨特的專屬密碼。目前,是法醫用以鑑定 DNA 的主要依據 。

從 1983 年開始發展的「聚合酶鏈鎖反應」(polymerase chain reaction, PCR),能在極短時間內擴增特定的 DNA 片段,增加可分析的樣本。在法醫學上,警方辦案時只需採取極少量的檢體,如強姦或槍殺痕跡、精液、毛髮、組織,將這些微量基因送至實驗室,由檢驗人員利用 PCR 技術放大後,便可以同時檢測多個 STR 位點,再採取可疑人犯的基因作比對,往往就能使凶手無所遁形 。然而在實務操作中,聚合酶連鎖反應可能因各種因素失敗,部分原因是由於其對污染的敏感性,導致擴增錯誤的 DNA 產物。

來源:http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1672022914001053-gr1.jpg

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延伸閱讀:神探李昌鈺解密 DNA背後的真相

次世代基因定序 NGS 法醫未來新趨勢

次世代定序技術(NGS),能產生更加特異的基因標記,並通過集中式資料庫收集和共享這些數據,再加上其具有高速自動化分析能力和低成本優勢,近年來發展迅速,成為許多基因組研究者的重要分析工具。

在真實世界的法醫學中,DNA 樣本通常是有限的,無法滿足在線粒體基因組中不同染色體上同時分析多個基因座 (locus) 的要求。所以可能導致難以提供足夠的證據作為法律判斷用途。此外,混合染色鑑定和復雜的親子關係案例可能都不能使用傳統的 STR 基因分型策略解決。 NGS 技術不僅能滿足這些要求,而且還具有可應用於更多研究領域的潛能,包括 DNA 數據庫構建、祖先和表型推斷、同卵雙胞胎(monozygotic, MZ)研究、體液、物種鑑定以及法醫微生物分析等。

由於 NGS 的成本降低,製造商正在開發適用於法醫 DNA 應用設計的定序機台。這些新的測試與儀器將允許法醫科學家有能力排序 STR 標記,大幅增加在復雜混合物中區分出個人的可能性並將錯誤率降低到小於 1% 的機率。此外,替代標記類型如 SNP(單核苷酸多態性)可更容易地整合到中小型的科學實驗室中,例如未解決病例中的祖先或表型預測。

法醫學未來面臨的挑戰其實和臨床診斷相似:當科學的進步提供了更多數據,該如何解釋與挑選最重要的關鍵證據?此外,還有許多同樣重要的議題必須思考,像是隱私和訊息安全。然而在可預期的未來,提昇法醫學中分子生物檢驗的層次,提高破案的準確度,應是一致的目標。利用 NGS 技術的力量, 從而在法醫研究領域中產生新的機會。或許當前進展神速的遺傳科學技術,終將可以扮演遏止犯罪的最後一道防線。

下篇將完整介紹 DNA 鑑識科學的起源、技術演變歷程與現狀,敬請期待:犯罪科學系列 (二):起源於遺傳疾病研究的 DNA 鑑識科學 !

延伸閱讀:NGSC會後報導(一):亞洲次世代定序與臨床應用研討會 聚焦腫瘤與生殖醫學領域

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參考文獻:
1. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1672022914001053
2. https://www.nap.edu/read/1866/chapter/2
3. https://www.nist.gov/programs-projects/forensic-applications-next-generation-sequencing

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