腫瘤的精準醫(yī)療：概念、技術和展望杭渤1,2，束永前3，劉平3，魏光偉4，金健1，郝文山5，王培俊2，李斌1,2，毛建華1

摘要精準醫(yī)療是指與患者分子生物病理學特征相匹配的個體化診斷和治療策略。腫瘤為一復雜和多樣性疾病，在分子遺傳上具有很大異質性，即使相同病理類型的癌癥患者，對抗癌藥物反應迥異，因此腫瘤學科成為精準醫(yī)療的最重要領域之一。組學大數(shù)據(jù)時代的來臨和生物技術的迅速發(fā)展奠定了精準醫(yī)療的可行性。本文介紹精準和個體化醫(yī)療的概念、基礎和意義，簡述近年來在此領域的最新進展，以及對實施精準醫(yī)療的方法和技術進行分析和歸納，首次將其分為間接方法（生物標志物檢測及診斷）和直接方法（病人源性細胞和組織在抗癌藥物直接篩選的應用），最后扼要闡述精準醫(yī)療的前景和面臨的挑戰(zhàn)。關鍵詞：

精準醫(yī)療

個體化醫(yī)療

分子組學

生物標志物檢測

病人源性細胞和組織

Precisioncancermedicine:Concept,technologyandperspectivesHANGBo1,2,SHUYongqian3,LIUPing3,WEIGuangwei4,JINJian1,HAOWenshan5,WANGPeijun2,LIBin1,2,MAOJianhua1

AbstractPrecisionmedicineisdefinedasanapproachtopersonalizeddiagnosisandtreatment,basedontheomicsinformationofpatients.Humancancerisacomplexandintrinsicallyheterogeneousdiseaseinwhichpatientsmayexhibitsimilarsymptoms,andappeartohavethesamepathologicaldisease,forentirelydifferentgeneticreasons.Suchheterogeneityresultsindramaticvariationsinresponsetocurrentlyavailableanti-cancerdrugs.Therefore,oncologyisoneofthebestfieldsforthepracticeofprecisionmedicine.Theavailabilityofomics-basedbigdata,alongwithrapiddevelopmentofbiotechnology,pavesawayforprecisionmedicine.Thisarticledescribestheconcept,foundationandsignificanceofprecisionmedicine,andreviewstherecentprogressesinmethodologydevelopmentandtheirclinicalapplication.Then,variouscurrentavailablebiotechniquesinprecisionmedicineareevaluatedandclassifiedintoindirect(biomarker-baseddetectionandprediction)anddirect(patient-derivedcellsandtissuesfordirectanti-cancerdrugscreening)categories.Finally,perspectivesofprecisionmedicineaswellasitsfacingchallengearebrieflydiscussed.Keywords:

precisionmedicine

personalizedmedicine

omics

biomarkerdetection

patient-derivedcellsandtissue

2011年，美國國家科學院在“邁向精準醫(yī)療：構建生物醫(yī)學研究知識網(wǎng)絡和新的疾病分類體系”報告中，對“精準醫(yī)療（precisionmedicine）”的概念和措施做了系統(tǒng)的論述[1]。報告探討了一種新的疾病命名的可能性和方法，該方法基于導致疾病的潛在的分子誘因和其他因素，而不是依靠傳統(tǒng)的病人癥狀和體征。報告建議通過評估患者標本中的組學（omics）信息，建立新的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，以促進生物醫(yī)學研究及其與臨床研究相整合。美國總統(tǒng)奧巴馬在2015年1月20日的國情咨文中正式將“精準醫(yī)療計劃”作為美國新的國家研究項目發(fā)布，致力于治愈癌癥和糖尿病等疾病，讓每個人獲得個性化的信息和醫(yī)療，從而“引領一個醫(yī)學新時代”。此舉措很快得到了美國政府研究機構和醫(yī)學界的熱烈響應[2,

3]，當然也包括來自醫(yī)學界和社會的爭議。1精準醫(yī)療與個體化醫(yī)療1.1定義什么是精準醫(yī)療（又稱精確醫(yī)學），其與通常所講的個體化醫(yī)療（personalizedmedicine）又是什么關系？精準醫(yī)療就是與患者分子生物病理學特征，如基因組信息，相匹配的個體化診斷和治療策略。個體化醫(yī)療利用診斷性工具去檢測特定的生物標志物，尤其是遺傳性標志物，然后結合患者的病史和其他情況，協(xié)助決定哪一種預防或治療干預措施最適用于特定的患者。通俗地講，個體化醫(yī)療就是考慮患者本身的個體差異，藥物治療因人而異，為理想化的治療。而精準醫(yī)療著眼于一組病患或人群（圖1），相對于個性化醫(yī)療針對個體病患的情況更為寬泛，更可行。兩者有共同的內涵。也有醫(yī)療和研究機構將這兩個概念放在一起，如杜克大學的“精準和個體化醫(yī)療中心”。圖1

精準醫(yī)療的核心Fig.1

Heartofprecisionmedicine無論是個體化或精準醫(yī)療，都涉及到個性化和標準化兩個理念的平衡，這是現(xiàn)代醫(yī)學發(fā)展的必由之路。精準醫(yī)療的理念是把個體化預見性治療建立在以分子生物學特征或指標為基礎的標準化方法上的。雖然目前個性化或精準醫(yī)療的實踐遠落后于理論，但在醫(yī)學界已創(chuàng)造了一種文化氛圍或理念轉變，即一種類型的藥物適合于所有的病患（onesizefitsall）的時代已經(jīng)過去，沒有什么治療是常規(guī)的（thereisnothingroutine)?！熬珳梳t(yī)療”這個概念事實上已經(jīng)存在多年，而且很早就在中國的中醫(yī)實踐中體現(xiàn)。中醫(yī)對同一個病癥可以有多個不同的藥方，因為要考慮到每一個病人的不同體質類型、心理特征和環(huán)境情況等。另外，中醫(yī)將人區(qū)分為柴胡人、半夏人等，也是基于病人的基本體質。而如何應用現(xiàn)代科學技術來解釋中醫(yī)這些個體化對癥治療的機制和基礎，尤其在腫瘤精準醫(yī)療中的應用，則是一個非常有意義，也是極具挑戰(zhàn)性的現(xiàn)代課題。1.2精準醫(yī)療的發(fā)展現(xiàn)代個體化醫(yī)療的時代始于21世紀初，緊隨當時人類基因組計劃（humangenomeproject，HGP）的完成以及在Nature和Science雜志上人類基因組信息的發(fā)表[4,

5]。此計劃于1990年由美國能源部（DOE）和國家衛(wèi)生研究院（NIH）啟動。本文部分筆者所在的美國勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）是當時能源部進行人類基因組研究的主要基地之一。其中金健博士更是直接參與者，開發(fā)了第一代DNA測序技術。英國、日本、法國、德國和中國等相繼加入此計劃，于2003年成功完成了測定人類23對染色體的遺傳圖譜、物理圖譜和約30億個堿基對的DNA序列的目標，被稱之為生命科學的“登月計劃”。當時號召來自各行各業(yè)的科學家和科技特長者參與此計劃，包括遺傳學家和分子生物學家，和來自化學、物理、工程、生物信息和倫理學的科學家通力合作。人類基因組計劃無疑是走向精準醫(yī)療的關鍵第一步。而今天的精準醫(yī)療的實現(xiàn)，也同樣需要各類科學家和臨床醫(yī)生通力合作，應用和開發(fā)新的理念方法和技術。精準醫(yī)療適合醫(yī)學各個學科，但基于種種原因，目前腫瘤學科是實施和加強精準醫(yī)療的最佳選擇領域之一。本文主要圍繞腫瘤的精準醫(yī)療，對其概念、技術和未來進行綜述。2腫瘤精準醫(yī)療的分子病理基礎癌癥是當今危害人類健康的主要疾病。在中國，癌癥發(fā)生率正處于快速上升期，癌癥已成為第一死因。人類癌癥與環(huán)境因素息息相關，其通過基因組（genome）的異常改變而發(fā)生和演變，使細胞發(fā)生病理改變，導致腫瘤的無限生長和轉移。越來越多的證據(jù)顯示，癌癥是一種復雜和多樣性疾病，患者可能表現(xiàn)出類似的癥狀，并具有相同的病理改變，卻可能由完全不同的基因變化而造成。正因為這樣的異質性（heterogeneity）（圖2），病理同類型癌癥患者對目前可用藥物的反應率差別很大。比如對傳統(tǒng)的放療和化療，患者可能有數(shù)種截然不同的反應（圖3）。總而言之，某一特定治療往往只有一部分腫瘤患者有反應，而問題的關鍵是我們無法預知哪些患者會受益。因為無法在治療前判斷不同腫瘤個體對藥物的敏感性和耐藥性，許多患者往往遭受不必要的和（或）損害性大（副作用）的治療。由此腫瘤精準治療的概念應運而生。圖2

乳腺癌的異質性Fig.2

Heterogeneityofbreastcancer應用PAM50將258個乳腺癌人分為5個分子類型主要包括基因組學（genomics）、蛋白組學（proteinomics）、代謝組學（metabolomics）、轉錄組學（transcriptomics）、RNA組學（RNomics）、脂類組學（lipidomics）、免疫組學（immunomics）和糖組學（glycomics）等。毋庸置疑，基因組學或基因突變及其檢測方法研究已成為生物學研究和臨床精準醫(yī)療的熱點和基礎。癌相關基因變化的形式主要有點突變、小缺失、插入、染色體易位或逆轉、雜合性喪失、擴增、甲基化及染色體非組蛋白改變等。精準醫(yī)療并不單純是DNA測序，如針對人類表皮生長因子受體2（HER-2）狀態(tài)的檢測方法包括傳統(tǒng)免疫組化和熒光原位雜交（FISH）。癌基因和抑癌基因的激活和失活有多種表現(xiàn)形式，其中基因產(chǎn)物過度表達為重要形式之一，可表現(xiàn)為mRNA和蛋白質量的增加，此外，基因擴增可表現(xiàn)為基因拷貝數(shù)的增加，這些基因表達的異常，均可加以檢測并作為靶向藥物的生物標志物（表1）。表1

常用腫瘤靶向藥物和相應的伴隨生物標志物Table1

Commontumor-targeteddrugsandtheircorrespondingcompanionbiomarkers1）生物芯片技術（microarray）。把生物信息片段或成分打印在支持介質表面的微陣列雜交技術，可以說是產(chǎn)生大數(shù)據(jù)的首個高通量生物技術?，F(xiàn)有的芯片包括DNA、RNA、蛋白質、糖分子、甲基化、細胞和組織等類型。隨著第二代測序技術的問世，某些類型芯片如DNA芯片已逐漸被冷落，但因其技術和分析工具的成熟性，仍有臨床精準醫(yī)療應用的價值。而且，此技術在生物感測器（biosensor）等方面的開發(fā)和應用前途無量。另外改造的液相芯片（見Panomics和NanoString技術）為此技術增加了新的活力并可廣泛應用于精準醫(yī)療。2）第二代測序技術（next-generationsequencing，NGS）。一個能生成高達500千兆堿基數(shù)據(jù)（gigabases）的大規(guī)模平行測序技術。該技術是TCGA和ICGC繪制完整的人類癌癥基因圖譜的主要工具，可以檢測單核苷酸變異、插入或缺失、拷貝數(shù)異常、結構變異、基因融合、甲基化及表達。第二代測序在科學和技術領域迅速獲得認可，已成為一個重要研究平臺。圖7顯示的是目前市場上的幾個主要測序平臺或儀器的代表。因為第二代測序的樣品制備過程非常復雜并且生成的序列數(shù)據(jù)難處理，對將其應用于臨床基因診斷帶來許多障礙。圖7

市場上主要高通量第二代測序平臺或儀器及其生產(chǎn)廠家Fig.7

Severalmajorhigh-throughputnextgenerationsequencingplatformsorinstrumentsandtheirmanufacturerscurrentlyonthemarket3）Panomics技術。該技術是Luminex公司研制出的后基因組時代技術平臺，是在流式細胞技術、ELISA技術和芯片技術基礎上開發(fā)出的液相芯片技術平臺。它運用branchDNA信號放大技術捕獲目標RNA信號，可進行3~80個基因的同時定量分析的大樣本驗證檢測，效果特異、靈敏，可應用于腫瘤診斷、精準治療和預后評估，尤其為復雜的多因性疾病診斷、制定個性化治療方案提供了極大便利。如在乳腺癌個體化治療靶標檢測上的使用，通過檢測乳癌組織中14種基因mRNA表達水平和CYP2D6基因的多態(tài)性，篩選最適合的化療藥物，確定適用的靶向藥物。4）NanoString技術。該技術是繼生物芯片和二代測序技術后在基因表達譜分析上展示出強大應用前景的新液相芯片技術[14]。其核心技術是nCounter分析系統(tǒng)，是直接對基因表達進行多重計數(shù)的全新數(shù)字式技術，利用分子條形碼和單分子成像來檢測及統(tǒng)計每一個反應體系中特定轉錄本的數(shù)量，表現(xiàn)出極高的靈敏度、精確度和重復性。該技術無需使用酶，無需反轉錄，也不需要做PCR擴增，即可進一步減少誤差的產(chǎn)生，因此nCounter在表達譜定量分析領域具有無可比擬的優(yōu)勢。應用領域包括基因表達譜研究（800個基因分析通量）、小RNA分析、拷貝數(shù)多樣性分析和幫助二代測序進行后期驗證。3.3病人源性直觀抗癌藥物篩選隨著生物技術的發(fā)展和成熟，以及可靠的組學數(shù)據(jù)和臨床數(shù)據(jù)的大量積累，上述的精準醫(yī)療間接方法得以在臨床實施。但是由于此方法是基于生物標志物的發(fā)現(xiàn)及其在腫瘤發(fā)生中的功能及機理的認知，加上大數(shù)據(jù)基礎上的關聯(lián)模型的建立，因此在可靠性和重復性方面具有很大的挑戰(zhàn)性，從而目前應用上有其局限性。鑒于上述原因，筆者提出了利用病人源性細胞和組織來直接篩選抗腫瘤藥物的精準醫(yī)療方法理念，作為對組學方法的驗證和擴展。尤其是通過病人源性3D組織或類器官培養(yǎng)和異種移植PDX模型進行抗癌藥物的直接篩選已開始受到重視。1）二維（2D）細胞培養(yǎng)。作為最早的藥物篩選模型仍然被廣泛使用于醫(yī)藥行業(yè)[15]。2D細胞培養(yǎng)技術可適用于各種類型的細胞，人類腫瘤細胞很適合于在人為控制的實驗室條件生長和維護。然而，在含高水平血清的二維培養(yǎng)平皿中即便是原代細胞的培養(yǎng)，代表著一種過度簡單化和脫離機體的生物學系統(tǒng)。這些細胞在保存其來源組織的基因型和表型等方面，具有其局限性。2）體外組織培養(yǎng)（histoculture）。基本原理包括癌組織的活檢、將活組織塊在特定培養(yǎng)介質中三維生長、抗癌藥物的加入和療效評估[16]。后者可通過不同的腫瘤化療藥敏試驗進行，如常見的四甲基偶氮唑鹽比色法（MTT法）。此培養(yǎng)法能夠保持腫瘤的組織病理和細胞微環(huán)境（microenvironment）等特性，更接近體內的環(huán)境生長條件，不失為一種快速、簡易篩選抗癌藥物的體外方法。3）病人源性異種移植。它是直接將患者的臨床癌癥組織轉移到裸鼠中建立的動物模型。腫瘤組織能保留患者完全相同的遺傳和形態(tài)學的特征，為藥物篩選和新藥開發(fā)提供了很具預測力的個性化抗癌藥物療效檢測平臺。但此法周期長，成本昂貴，缺少關鍵的免疫因素影響，而且很難高通量[17]。4）三維類器官培養(yǎng)（3Dorganoidculture）。腫瘤患者對抗癌療法，如化療的臨床反應有很大的個體差異，其原因被認為除遺傳差異和腫瘤異質性外，機體和腫瘤之間形成的微環(huán)境也很關鍵。越來越多的證據(jù)表明，腫瘤的發(fā)展和對治療的反應是由腫瘤微環(huán)境進行調控的。在此領域中有不少研究顯示細胞外基質（ECM）可作為人類癌癥臨床結果的預測。三維類器官培養(yǎng)模型近年來得到了生物醫(yī)藥界的關注[18]。部分筆者所在的勞倫斯伯克利國家實驗室為乳腺癌類器官培養(yǎng)的發(fā)源地之一（圖8）[19]。與二維細胞培養(yǎng)的方法相比，三維類器官的組織結構與它們起源的組織樣本高度相似。該模型具有基質結構和功能，后者能影響腫瘤組織和結構、治療反應、多細胞耐藥（MCR）和藥物滲透等。尤其是該模型能提供腫瘤微環(huán)境，因此可以用來更加準確地篩選抗腫瘤等藥物。圖8

小鼠乳腺3D類器官培養(yǎng)Fig.8

3Dorganoidcultureofmousemammaryglands另外，最近有報道，利用循環(huán)腫瘤細胞進行類器官培養(yǎng)以及藥物反應試驗[20]。雖然目前有一些類器官培養(yǎng)的報道問世，但其在臨床上的應用受限于對培養(yǎng)類器官的精確定量和高通量的樣本和數(shù)據(jù)處理[21]。有的研究已在進行這方面的嘗試?？傊?D類器官腫瘤模型為臨床提供了一條令人興奮的新途徑來制定精準醫(yī)療的方案。4腫瘤精準醫(yī)療的展望人類基因組圖譜，包括癌癥基因組圖譜，對于癌癥的精準醫(yī)療具有決定性意義?；蚪M學作為臨床學科的時代已經(jīng)來臨。但也看到，雖然近幾年來在腫瘤分子病理、基因檢測等現(xiàn)代分子生物學領域的進展頗豐，臨床數(shù)據(jù)的采集和積累也突飛猛進，但是將這些數(shù)據(jù)和成果以及它們的系統(tǒng)整合應用于醫(yī)療實踐才剛剛開始，例如腫瘤靶向治療伴隨基因診斷的臨床開展在中國還是遠遠不夠的?；谀壳暗闹R和已有的靶向治療藥物，筆者用國內發(fā)病率很高的非小細胞肺癌（NSCLC）為例，推薦一種在臨床上可行的精準醫(yī)療實施方案（圖9）。圖9

非小細胞肺癌精準醫(yī)療的可行性建議方案Fig.9

Asuggestedproposalonthefeasibilityofprecisionmedicineofnon-smallcelllungcancer已上市藥物直接列出靶向藥物名；對還沒有獲得批準的靶向藥物，使用基因抑制劑基因組測序新技術的發(fā)展會使測序更快、更高通量、成本更低，如第三代測序技術。另外，新技術的開發(fā)和最新進展將影響此領域的研究和應用，例如，基因組編輯工具（如CRISPR-Cas9）提供了前所未有的能力，以快速的、可擴展的和更具成本效益的方式，來研究遺傳變異，而且有應用于臨床治療的潛能。精準醫(yī)療的組學方法（即間接方法）緊密依賴于臨床相關測試的標準化、數(shù)據(jù)管理和分析、相關模型的建立。因此從標本采集、實驗操作程序、分析中質控、分析結果報告規(guī)范化，到診斷指標標準化，都需要建立完整的一系列的質量保證，這樣才能對腫瘤的診斷和臨床治療方案的選擇提供有意義的指導。否則，任何環(huán)節(jié)的差錯都可能影響精準醫(yī)療的精確性。最近中國國家衛(wèi)生和計劃生育委員會發(fā)布的《腫瘤個體化治療檢測技術指南（試行）》就是為了實現(xiàn)以上所述規(guī)范化的目的。在某種程度上，直接方法程序簡單直觀，可以避免操作上誤差，但也需要規(guī)范化。精準醫(yī)療應該與精準預防、精準診斷、精準預后，甚至精準毒理等共同實施，因為它們是通過遺傳特性有機結合在一起的。另外，腫瘤的治療涵蓋多學科多技術，如腫瘤免疫治療，包括腫瘤疫苗、抗體導向治療、CAR-T細胞療法、免疫檢驗點療法和小分子抑制劑等近年來備受關注，是繼靶向治療后腫瘤治療領域的又一革新，對于未來的精準醫(yī)學一定會有重要影響。由于受篇幅限制，本文不再詳述。在此認為有以下幾點在精準和個體化醫(yī)療的有效實施中起關鍵性作用。1）了解癌癥發(fā)生的分子機制，決定哪種療法或綜合療法可以應用，包括藥物的聯(lián)合，如前述的IGF-1R和ALK抑制劑的聯(lián)合靶向治療。2）確定與癌癥演變和對藥物反應/復發(fā)相關的分子改變和相應的生物標志物。3）尋找與藥物安全和耐受相關的生物標志物，以便選擇最安全的治療方法和正確劑量。4）鑒于癌癥的復雜性（遺傳突變的多樣性和組合的多重性），尋找臨床驗證的合適人數(shù)是關鍵。藥物效能可能僅僅在一類患者亞群中明顯，而不是在所有人群中。5）通過更好地了解有反應和無反應患者的分子生物學特性來拯救“失敗”的藥物。6）組學數(shù)據(jù)的管理、臨床資料的精確性以及檢測程序的規(guī)范化。隨著生物高科技的突飛猛進，從精準醫(yī)療的技術層面來看，其在臨床上的應用正日趨成熟。無可非議，精準醫(yī)療能提高臨床治療質量，降低醫(yī)療費用，如美國基因健康公司（GenomicHealthInc）的OncotypeDX多基因檢測可確定乳腺癌患者是否需要接受化療。因該技術能夠大大降低醫(yī)療費用，而被美國保險公司接受為常規(guī)的臨床檢測。盡管精準醫(yī)療旨在為每位患者量身定制治療方案，從而建立一個健康世界，醫(yī)學界以及社會上對精準醫(yī)療仍存有爭議，比如其對倫理，法律，財政以及社會問題的潛在影響。推廣精準醫(yī)療的最大的挑戰(zhàn)可能來自臨床和保險業(yè)的接受性、個人信息保護和經(jīng)濟層面。美國醫(yī)院和保險業(yè)對OncotypeDX檢測的接受就花費了5年左右的時間。而一些低成本，對大眾廣泛有效的治療措施仍然會是主要途經(jīng)。精準醫(yī)療的實施如何與中國的醫(yī)療體制改革體系相結合，例如在提升全民醫(yī)療福利、疾病早期診斷、合理配置醫(yī)療資源、有效控制醫(yī)保費用等方面依然任重道遠。精準醫(yī)療的光明前景需要患者、醫(yī)療服務人員、保險業(yè)者，甚至政府和投資人等利益相關者一起提高認識，共同努力。參考文獻[1]Pascal,ChrisB.ThehistoryandfutureoftheofficeofresearchintegrityScientificmisconductandbeyond[J].\o"點擊瀏覽原文"

ScienceandEngineeringEthics,1999,5:183-198.[2]DivisionofPublicHealthService,DepartmentofHealtha