精准医学进展（上）

赵周社  

GE药业  精准医学研究院

精准医学（precision medicine，PM）是生物技术和信息技术在医学临床实践的交汇融合应用，是医学科技发展的前沿方向。 随着人类基因组计划（human genome project, HGP） 基因组草图绘制工作完成进入后基因组时代（postgenomics）和新的基因测序技术不断推出，以及新型的医学影像成像、精准定量化、功能影像技术和智能化图像分析技术的应用，使得医学生物信息学（bioinformatics）和医学影像组学（radiomics）获得数据均呈现出指数型增长。这些大数据（big data）和研究的成果推动临床诊断和治疗从传统组织病理分型到分子分型快速发展，并建立起基于精准医学全新的预防、诊断和治疗模式。本文主要介绍精准医学概念、精准医学发展历程、精准医学新进展、医学影像技术机遇与挑战和精准医学发展展望，重点强调医学影像技术在精准医学发展中发挥的重要作用。

一、精准医学概述

精准医学是以疾病组织细胞基因和蛋白质（受体、酶）分子基础上的特征分子标志物作为诊断、分子分型基础，以实现对疾病预防、早期诊断、精确分期和精准的靶向治疗的目的。精准医学能够减少治疗对患者产生的副作用、提高治疗效果和降低总的医疗费用，因而受到高度的关注。

转化医学（translation medicine,TM）强调基础研究成果与临床实践之间双向转化，即把实验室研究成果转化到临床应用和把临床实际发现的问题拿到实验室进行研究（bench to bedside，B2B）。在实际的科研项目中，转化医学仅仅是理念，分子影像（molecualar imaging, MI）和精准定量化影像技术是研究工具，而精准医学才是实现对疾病早期预防、精准诊断和精确治疗目标。所以， 精准医学是转化医学发展的新高度和新阶段。

离体组织标本基因测序、组织和细胞分子病理检测是进行疾病分子分型主要的手段。随着医学影像成像技术（CT、MR、超声波、介入、PET/CT和PET/MR）快速发展， 特别是CT和MR扫描覆盖范围增加、扫描速度快速提高，使得动态增强成像（dynamic contrast-enhanced，DCE）比例大幅度提高。基于解剖结构基础的医学影像技术（CT、MR）伴随着后基因组时代，又被称为功能基因组学（Functional Genomics），已经进入功能影像（fuanctional imaging）发展新时代。通过对CT和MR动态增强扫描图像进行药代动力学（pharmacokinetics, PK）精准定量化处理和影像组学分析，可以获得具有特异性生物标志物（biomarker）信息。这些影像技术不但为疾病分子分型提供丰富信息，而且为指导分子靶向和靶向治疗、疗效监测提供智能化、可视化、定量化的信息，极大推动精准医学发展。

对基于解剖结构基础的影像技术而言，精准定量化基础上的功能影像是发展的正确方向。精准医学的发展，精准定量影像技术就要先行，其实质就是要“精于影、忠于形”，就是号召医学影像工作者在解剖影像基础上大力开展精准定量化的功能影像检查，加速开展功能影像技术。

二、精准医学发展历程

美国哈佛大学商学院的Clayton Christensen教授于2008年首次提出精准医学（precision medicine, PM）概念，希望通过分子检测获得临床分子诊断。2011年美国国家科学院（national academy of sciences.，NAS）、美国国家工程院（national academy of engineering, NAE）、美国国立卫生研究院（national institutes of Health, NIH）及美国国家科学委员会（national science board，NSB）共同发出迈向精准医学的倡议，同时发表由多名科学家共同起草的美国国家智库发表了“迈向精准医学：一个生物医学知识网络和一个新的疾病分类法框架”。2015年1月，美国时任总统奥巴马在国情咨文中公布了"精准医学计划（precision medicine initiative）"，提出了对疾病进行分子分型新型医疗模式，拟投资建立百万人的研究队列，收集基因组数据、临床影像与患者临床信息，基于个体基因组和特异分子改变，实现精准的疾病分子分类及诊断，指导精准和有效用药，对健康人进行个性化的预防保健。不但美国重视精准医学，欧洲也关注精准医学发展。英国2015年宣布成立精准医学提升基地，作为国家精准医学创新中心。

 我们国家非常重视精准医学发展。2015年3月，中国科技部召开了第一次"国家精准医学战略专家会议"，成立了专家委员会，对未来发展做出明确的规划。2016年3月，精准医学被纳入"十三五"重大科技专项，科技部和卫生和计划生育委员会正式启动国家重点研发计划精准医学研究。2017年国家投入专项经费继续支持精准医学研究专项，项目的顺利实施将为中国精准医学计划长远目标的实现打下坚实基础。2017年我们国内首家“精准医学杂志”获批并在青岛创刊。尽管国内在精准医学起步晚，但是紧跟国际研究热点和重点，发展非常快。

三、精准医学进展

    随着生命科学领域基础研究不断深入，以及无创性医学影像精准定量化技术、智能化分析方法的进展和临床信息化快速普及，推动精准医学得到迅速发展。迄今，精准医学研究进展主要表现在生物信息学和临床医学的转化研究、基于分子表型疾病分类、影像基因组学研究、分子靶向药物研究和对医学生物学大数据的挖掘（data mining）。

1.生物信息学和临床医学的转化研究

精准医学把来自基因组学（genomics）、蛋白质组学（proteomics）、代谢组学（metabonomics）、免疫组学（immunomics）和医学影像组学的大数据和临床信息有机整合起来，实现对患者精准诊断和治疗。精准医学推动疾病知识网络（disease knowledge network, DKN）的建立和快速发展。疾病知识网络将成为一份整合性信息共识，以方便搜索个人基因组、转录组、蛋白组、代谢组、免疫组、表型组、临床症状体征数据、实验室检查、环境暴露以及社会经济学因素等相关信息。知识网络的建立将是对疾病机制、发病机制以及治疗的深入理解，将驱动疾病新分类系统的发展，从而定义疾病亚型。美国国立生物技术信息中心（national center for biotechnology information，NCBI）和欧洲生物信息学研究所（european bioinformatics institute，EBI）就提供了丰富的生物信息，其中NCB还提供了简单的分析工具，在此基础上美国在建立疾病知识网络。中国疾病知识总库（china disease knowledge total database，CDD）主要适用于药物研究和查询，缺少关键的生物信息。可喜的是我们国内一些大型医疗单位已经开始建立疾病知识网络。我们国内现在还没有建成统一、规范化的疾病知识网络，急需在国家层面建立中国国家疾病知识网络。

将基础研究的重大成果转化到临床应用中或者将临床发现的问题深入到基础研究（B2B）的科学研究理念得到高度重视和广泛认可。转化医学是理念，实现精准医学是目标。精准定量化影像技术和采用影像技术进行药代动力学研究是开展转化医学项目的基础和前题。国内外已经有多个转化医学期刊快速介绍转化医学研究的进展。在医学领域最引人注目的是将生物学基础研究重大成果，特别是获得诺贝尔奖成果，比如钾/钠通道、水/甘油通道、细胞信号转导、端立体酶、基因沉默（gene silencing）、纳米技术等科研成果通过智能化、可视化和定量方法实现医学影像成像。最近的一些研究已经取得初步的成果。

2.基于分子表型的疾病分型

基于分子表型的疾病新分类系统发展在精准医学中具有非常重要作用，有助于探索新治疗策略以及新药开发，以进一步提高临床疗效。分子分型也是进行分子影像的前题和基础。然而，疾病基因学复杂性使得单一的基因组学研究并不能系统化地解释疾病的整体生物学行为，从而进行精准的疾病细分。因此，在实际研究中需要将不同组学研究结果综合起来考虑，这样疾病知识网络系统在疾病分子分型研究中就显得非常重要。近些年来，在疾病分子分型研究已经取得很大的进展。

   （1）肿瘤：肿瘤发生是一个由多种因素引起的、多步骤和多阶段的复杂过程，常伴随多个基因表达的改变。精准医学的临床实践最早是从肿瘤领域开始的。精准治疗最早的成功应用案例是将人类表皮生长因子受体2（human epidermal growth factor receptor-2, HER2）单克隆抗体应用于治疗乳腺癌HER2阳性亚型患者。以下主要介绍脑胶质瘤、乳腺癌和肺癌分子分型研究进展。

1）脑胶质瘤：已经发现超过40多个脑胶质瘤关键的致癌基因。我国在2014年也正式发布“中国脑胶质瘤分子诊疗指南”。这表明脑胶质瘤的诊断、分子靶向治疗和疗效评估已经进入一个新的历史阶段。研究结果表明脑胶质瘤与异柠檬酸脱氢酶 （isocitrate dehydrogenase，IDH） 基因突变、磷脂酰肌醇-3-激酶催化亚基1（phosphatidylinositol 3-kinase catalytic subunit alpha,PI3KCA） 基因异常扩增、磷脂酰肌醇-3-激酶调节亚基1（phosphatidylinositol 3-kinase regulatory subunit alpha，PIK3R1）基因突变、0⁶-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶（0⁶一methylguanine—DNA methyhransferase，MGMT）基因、表皮生长因子受体 （epidermal growth factor receptor，EGFR） 基因突变和磷酸酯酶与张力蛋白同源物（phosphatase and tensin homolog，PTEN） 等基因突变相关。IDH基因家族有三种异构酶（IDHl，IDH2和IDH3）。IDH1／IDH2突变发生在胶质瘤形成的早期，随后根据星形细胞或少突胶质细胞的谱系分化不同可以分别伴随TP53基因突变或10／19q杂合性缺。在多形性胶质母细胞瘤（glioblastoma multiforme，GBM）和低级别弥漫性胶质瘤中，IDH1／IDH2基因突变与TP53突、染色体lpl9q杂合性缺失以及O⁶-甲基鸟嘌呤-DNA-甲基转移酶（MGMT）启动子区甲基化状态呈正相关；在原发性GBM中，IDH1基因的突变与10号染色体缺失和EGFR扩增呈负相关。MGMT启动子甲基化在少突胶质细胞瘤中发生率为60％～80％，在混合性少突星形细胞瘤发生率为60％-70％，在GBM发生率为20％-45％，在间变性星形细胞瘤中发生率为40％-50％，在毛细胞型星形细胞瘤发生率为20％-30％。在继发性GBM和低级别弥漫性胶质瘤中，MGMT启动子甲基化状态与IDH基因突变和和lo／19q缺失的状态呈正相关。EGFR扩增在许多癌症中的发生并不普遍，而在脑胶质瘤中确有很高的发生率，并常常伴随编码蛋白的过表达。间变性星形细胞瘤中EGFR扩增的发生率为17％，GBM中的发生率为50％～60％。组织学上，小细胞GBM中GFAP表达很低，从形态学上难以和高级别的少突胶质细胞瘤相鉴别。由于小细胞GBM中EGFR扩增很普遍，据此能鉴别诊断小细胞GBM与高级别的少突胶质细胞瘤。PTEN参与了RTK／P13K通路，86％的GBM患者会有包括PTEN基因缺失和突变的RTK／P13K通路基因的改变。在原发性GBM中PTEN的点突变率为26％～34％Ⅲ舯o。间变性星形细胞瘤（18％）突变率明显少于GBM。有PTEN突变的间变性星形细胞瘤患者预后较差。

从表1可以看出与脑胶质瘤密切相关的基因有IDH1、PIK3、BRAF、RAS、TP53、PTEN和RB1， 其中IDH1PIK3和RAS基因最为关注。

表1   脑胶质瘤相关基因（OncoMap）

  2）乳腺癌：乳腺癌是一类分子水平上具有高度异质性的疾病。2000年，Perou等通过人类基因cDNA芯片检测首次提出5种乳腺癌分子亚型，即Luminal  A型（ER⁺/HER2^-）、Luminal B型（ER⁺/HER2⁺）、HER2过表达型（ER^-/HER2⁺）、基底细胞样（basal-like）型（ER^-/HER2^-）和正常乳腺样（normal breast-like）型。2011年，圣加伦国际乳腺癌会议专家组认可临床中以免疫组织化学（IHC）和荧光原位杂交法（FISH）检测癌组织受体、人表皮生长因子受体，将乳腺癌患者划分为4种分子亚型（见表2），即腔A-Luminal  A型[ER⁺和（或）PR⁺,HER2^-]、强B- Luminal  B型[ER⁺和（或）PR⁺,HER2⁺]、HER2过度表达型（ER^-，PR^-，HER2⁺）、Triple-negative型（ER^-，PR^-，HER2^-）。Luminal  A型是乳腺癌最常见的分子亚型，预后好，复发风险比较低，对内分泌治疗敏感，有效率达到40%。Luminal  B型的多见于高龄乳腺癌患者，其预后较Luminal  A型差，对内分泌治疗敏感，由于HER2阳性，部分患者可以进行分子靶向治疗。HER2过度表达型预后差，对内分泌治疗几乎无效，而对分子靶向治疗有效。Triple-negative型是预后最差的一个亚型，发病早，无病生存期短，容易出现脑、肺等脏器的远处转移，内分泌和分子靶向治疗均无效。

获得乳腺癌致癌关键基因对于乳腺癌的早期分子诊断、特异性分子靶向治疗具有重要的价值。Balko等人总结不同研究者发表的乳腺致癌关键基因后发现，ERBB2、PIK3CA、TP53、AKT1和GATA3是乳腺致癌常见的关键基因。建立在乳腺癌瘤基因、特异性分子标志物基础上，对乳腺癌进行早期诊断、精准临床分期和针对分子靶点精准分子靶向治疗有望显著提高乳腺癌临床治疗效果。

表2  乳腺癌分子分型

3）肺癌：肺癌分子分型是进行分子靶向治疗的基础，建立在肺癌精准分子分型上分子靶向治疗才能获得预期效果。随着研究的深入，人们发现表皮生长因子受体（EGFR）的突变类型与酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinases inhibitor, TKI）治疗疗效间存在着高度相关性，其中E746-A450缺失和L858R的突变者TKI的治疗效果较好，而EGFR外显子20的插入性突变（D770-N771）可能预示患者对TKI耐受。一些研究分析显示，在所有NSCLC患者中大约90%的EGFR基因突变集中于19或21外显子中，其中19外显子的缺失突变及21外显子点突变的患者服用EGFR-TKI的有效率均达到70%以上；而EGFR T790M突变可以使受体对EGFR-TKI的敏感性降低。同时，对于厄罗替尼的疗效预测，研究显示：EGFR酪氨酸激酶结构域的突变、HER1/EGFR基因拷贝数的增高、EGFR扩增或多态性、EGFR过表达等因素与厄罗替尼的敏感性及临床受益相关；而K-ras的突变则与厄罗替尼的原发耐药相关。K-ras突变可能预示厄罗替尼的耐药及较差的预后。因此，2009年NCCN指南推荐，伴有EGFR突变、基因扩增或不吸烟的NSCLC 患者可考虑用特罗凯，对于K-ras突变的患者，应该避免选择厄罗替尼。最近，一些新的分子靶点C-MET、MEK等也受到关注。可以看出肺癌分子分型是肺癌分子靶向治疗前提和基础。

（2）心血管：心血管病是典型的慢性复杂性疾病，从发病前、发病、进展等各个阶段都受到包括生物-心理-社会-环境因素的交错影响，导致治疗反应性及疾病转归的差异。心血管病的精准诊疗主要包括两个方面：一是单基因突变所致心血管病的基因诊断；二是建立在药物基因组学基础上的个体化治疗。通过检测心血管疾病相关易感基因，确定易感人群，对易感人群进行宣教，有针对性地对其日常行为和生活方式等进行干预，可以有效预防心血管疾病发生。

现在已经有500多种基因变异被证实与心血管系统单基因遗传病相关。对于单基因疾病诊断明确后可以进行精确治疗。例如，马凡综合症、长QT综合症和家族性高胆固醇血症等。相比较之下，多基因复杂疾病的病因学研究和分子分型就很困难。肥厚型心肌病（hypertrophic cardiomyopathy，HCM）是青年人心脏性猝死的主要病因，50%以上患者有家族史，已发现20余种编码肌小节相关蛋白基因的数百个突变与HCM的发病相关，这些致病基因的发现为HCM的早期筛查、预警和药物开发提供了新的思路。我们国内学者在心血管疾病分子分型研究也取得很大的进展。王擎教授团队运用全基因组关联分析方法，首次在中国汉族人群中发现与冠心病发病相关的易感基因位点。2012年顾东风教授团队通过全基因组关联分析鉴定出8个与冠心病相关的遗传易感区域，其中4个区域为国际上首次报道。一些基因异常与动脉斑块发生有关系。 表3是动脉粥样硬化斑块候选基因。因此， 多基因复杂性疾病的易感基因组区域/位点的发现对于疾病的早期预测和病因学的深入认识也具有重要意义。

表3.   动脉粥样硬化斑块候选基因