蛋白質組學與轉化醫(yī)學：用以癌癥診斷、預后和療效預測的分子生物標記物

南娟 翻譯 曹志成 校對

1天津醫(yī)科大學總醫(yī)院，天津市肺癌研究所，天津市肺癌轉移與腫瘤微環(huán)境重點實驗室；2香港特別行政區(qū) 伊利沙伯醫(yī)院 臨床腫瘤科

“生物醫(yī)學研究的最新技術進展使鑒定多種分子生物標記物變得更加容易，有助于促進癌癥篩查和檢測……通過允許醫(yī)生為患者制定個體化治療來提高癌癥治療的有效性和安全性?！?/p>

癌癥是當今世界的主要致死原因。癌癥生物標記物對于良好的治療效果和遠期療效至關重要，并可降低病痛和疾病相關的社會支出。全世界惡性腫瘤的高負擔突顯了用以癌癥診斷、預后和療效預測的生物標記物的未盡潛能。迫切需要新型策略以發(fā)現(xiàn)癌癥生物標記物并將分子診斷從實驗研究轉化至臨床實踐[1,2]。

生物醫(yī)學研究的最新技術進展使鑒定多種分子生物標記物變得更加容易，有助于促進癌癥篩查和檢測，推進藥物研發(fā)進程，通過允許醫(yī)生為患者制定個體化治療來提高癌癥治療的有效性和安全性[3]。蛋白質組學是用以鑒定癌癥生物標記物和新型治療靶標的具前景的技術。腫瘤蛋白質組學的飛躍發(fā)展為腫瘤相關生物標記物的發(fā)現(xiàn)開辟了新的途徑[4]。

診斷或早期檢測的生物標記物

癌癥的早期檢測是提高惡性腫瘤總生存期的途徑之一。MALDI-TOF/TOF檢測發(fā)現(xiàn)，與無瘤對照組相比，體積較小（≤2 cm）的肝癌（hepatocellular carcinoma, HCC）患者的血清波形蛋白明顯過表達。進一步研究證實波形蛋白單獨或與甲胎蛋白聯(lián)合均可作為檢測體積較小的HCCs的潛在替代標記物[5]。對HCC組織進行基于二維凝膠電泳的比較蛋白質組學分析發(fā)現(xiàn)，苯酚磺基轉移酶（sulfotransferase,SULT1A1）的下調與晚期國際抗癌聯(lián)盟分期和高血清甲胎蛋白水平密切相關。SULT1A1可能是篩查早期HCC的有效生物標記物，并有助于預測HCC患者的臨床療效[6]。

一項采用標準免疫蛋白質組學技術和Luminex為基礎的直接捕捉免疫念珠試驗的基于多種腫瘤相關自身抗體（包括膜聯(lián)蛋白I、膜聯(lián)蛋白II、熱休克蛋白70-9B、肌苷-5-單磷酸脫氫酶、磷酸甘油酸變位酶和ubiquillin）的血液檢測可從高危人群中篩查出早期非小細胞肺癌（non-small cell lung cancer, NSCLC）。這6個生物標記物聯(lián)合的誤分類率僅為7%[7]。此外，對不同分期的膀胱癌患者尿樣的同位素標記相對和絕對定量（isobaric tag for relative and absolute quantitation,iTRAQ）檢測表明，載脂蛋白A-I（apolipoprotein A-I,APOA1）是膀胱癌早期篩查的潛在生物標記物。敏感性和特異性分別為84%和94%[8]。

最近，美國食品藥物管理局（Food and Drug Administration, FDA）批準了一種卵巢腫瘤的分流方法OVA1TM，標志著蛋白標記物從實驗室走向臨床進程中的里程碑。當與臨床評估（如影像和體格檢查）聯(lián)合時，這一基于免疫測定的分析方法（包括2-微球蛋白、APOA1、CA125、轉鐵蛋白和轉甲蛋白）在惡性腫瘤高危女性人群中具有陽性預測價值。OVA1評分可幫助醫(yī)生決定惡性腫瘤高?；颊呤欠窨蓮霓D診至婦科腫瘤治療中獲益[9]。

預后或轉移的生物標記物

預后或轉移的生物標記物通過鑒別具有不同風險的個體，有助于癌癥患者的分組治療。最近鑒定出了許多可提供重要預后信息的生物標記物。在一項卵巢漿液性交界性腫瘤和卵巢漿液性癌的全蛋白質組的比較研究中，過氧化物氧還酶1（peroxiredoxin 1, PRDX1）的過表達與漿液性癌的總生存期較短明顯相關。另一項多變量Cox分析中，PRDX1陽性癌細胞數(shù)＞50%的漿液性癌患者的相對死亡風險為8.74。這些結果提示，PRDX1是卵巢漿液性癌的有效預后生物標記物[10]。對比良性膀胱尿路上皮組織和移行細胞癌，膀胱癌相關蛋白的高表達預示著患者預后不良，提示此蛋白染色模式的分類可能具有預后價值。而且，與單一標記物相比，膀胱癌相關蛋白和脂肪細胞型脂肪酸結合蛋白（adipocyte fatty-acid binding protein, A-FABP）的聯(lián)合與疾病分級和/或分期的相關度更為密切[11]。

“預后或轉移的生物標記物通過鑒別具有不同風險的個體，有助于癌癥患者的分組治療?！?/p>

采用激光顯微切割、精確質量數(shù)和保留時間標簽蛋白質組學，有研究報道肝內(nèi)膽管細胞癌（intrahepatic cholangiocarcinoma, ICC）中的不同蛋白位于各種潛在的腫瘤發(fā)生的通路上。通過組織微陣列分析發(fā)現(xiàn)，70%的ICC患者中波形蛋白表達增多，而對照組中未見其表達。這些結果提示，波形蛋白在ICC的侵襲中發(fā)揮作用，而且是其不良預后的基礎[12]。有研究對腦膜瘤組織實施SELDI-TOF質譜技術（mass spectrometry, MS）分析以期發(fā)現(xiàn)組織侵襲/浸潤的新型標記物。磷酸化波形蛋白的增加可能成為鑒別浸潤性腦膜瘤和非浸潤性腦膜瘤的標記物。敏感性和特異性分別為86.7%和100%[13]。

對于NSCLC，通過SELDI-TOF MS檢測血清淀粉樣蛋白A（serum amyloid A, SAA）發(fā)現(xiàn)，與生存期≥5年的患者相比，生存期＜5年的患者的SAA明顯增高。SAA水平的增高有可能成為預測NSCLC預后的非侵襲性生物標記物[14]。SELDI-TOF MS檢測還發(fā)現(xiàn)，載脂蛋白A-II和SAA是判定轉移性腎臟細胞癌患者生存期的獨立因素。這兩種蛋白聯(lián)合乳酸脫氫酶（lactate dehydrogenase, LDH）、體力狀況和轉移位點數(shù)目形成了新型預后生存模型。與目前使用的紀念斯隆-凱特靈癌癥研究中心（Memorial Sloan-Kettering Cancer Centre）風險模型相比，基于蛋白的模型可能提高對總生存期的預測[15]。

細胞培養(yǎng)中的氨基酸穩(wěn)定同位素標記與液相色譜（liquid chromatography, LC）-MS/MS分析發(fā)現(xiàn)，TIMM17A（mitochondrial import inner membrane translocase subunit Tim17-A）是乳腺癌的預后因子。TIMM17A的表達水平與腫瘤進展和生存期直接相關。過表達和siRNA敲除試驗證實了TIMM17A在乳腺癌中的致癌活性[16]。一種基于LC-MS/MS的無標記定量蛋白質組學方法用以比較原發(fā)性結直腸癌（colorectal cancer, CRC）及其淋巴結轉移細胞的差異分泌蛋白質組。免疫組織化學的分析結果顯示，CRC中的生長分化因子15或三葉因子3的過表達與淋巴結轉移相關。它們有可能成為預測CRC轉移的生物標記物[17]。

鼻咽癌（nasopharyngeal carcinoma, NPC）細胞分泌蛋白質組和組織轉錄組分析顯示，治療前的血清cystatin A水平越高，則NPC患者的淋巴結分期越高且預后越差。Cystatin A可調節(jié)離體NPC細胞的遷移和侵襲[18]。有研究發(fā)現(xiàn)，NPC患者的真核翻譯起始因子4G1（eukaryotic translation initiation factor 4 γ1, EIF4G1）的表達越高，則總生存期越短。采用shRNA敲除EIF4G1的表達，不僅可明顯抑制細胞周期進程、增殖、遷移、侵襲和集落形成，而且可顯著抑制在體異種移植瘤的生長[19]。

生物標記物對治療效益的預測

腫瘤生物標記物的另一重要方面是它們?yōu)檫x擇更具靶向性的治療方法提供了預測價值。蛋白質組學分析顯示，14-3-3σ和maspin的下調，以及GRP78和Mn-SOD的上調，均與NPC的放療耐受顯著相關。在識別放療耐受的NPC患者的放療敏感度中，四種蛋白聯(lián)合應用的敏感性和特異性分別為90%和80%。而且，放療耐受細胞通過過表達14-3-3σ可部分逆轉對電離輻射的耐受[20]。治療前活檢標本的蛋白質組學和免疫組織化學分析顯示，對新輔助放療或紫杉醇治療呈現(xiàn)病理完全緩解的乳腺癌患者的免疫信號分子α-defensin呈過表達。對術前接受基于紫杉醇治療的腫瘤患者的大樣本分析顯示，手術時的α-defensins與治療效果相關[21]。

反相蛋白陣列檢測發(fā)現(xiàn)，EGF受體（EGF receptor,EGFR）和兩種TGF-β通路蛋白（c-jun-NH2-激酶和Smad3）與晚期漿液性卵巢癌患者化療后CA125的正?；嚓P。在晚期漿液性卵巢癌中，TGF-β通路信號可能作為化療耐受的標記物而發(fā)揮重要作用[22]。

“腫瘤蛋白質組學揭示腫瘤發(fā)生的復雜分子事件以及控制臨床上重要的腫瘤行為，如侵襲、轉移和對治療耐受，提供巨大前景?！?/p>

一項I期劑量遞增研究在轉移性CRC患者血漿和組織樣本中評估了西妥昔單抗療效的生物標記物[23]。藥物蛋白質組學和藥物基因組學分析顯示，僅KRAS野生型腫瘤患者有效，而且與KRAS突變型腫瘤相比，KRAS野生型患者的無進展生存期更長。這些結果證實，KRAS野生型的轉移CRC患者更易從西妥昔單抗治療中獲益[23]。在采用西妥昔單抗或EGFR酪氨酸激酶抑制劑治療的CRC患者中，腫瘤EGFR配體RNA水平亦與VeriStrat特征［Biodesix（布魯姆菲爾德，科羅拉多州，美國）提供的基于8種不同的m/z特征的血清MALDI分類檢測］預測的生存期顯著相關，聯(lián)合KRAS突變狀態(tài)可提高對生存期的預測。生物標記物的聯(lián)合為鑒別更易獲益于EGFR抑制劑治療的不同腫瘤類型的患者提供了臨床實踐方法[24]。采用VeriStrat?分析厄洛替尼一線治療晚期肺癌患者的II期研究的生物標本發(fā)現(xiàn)，VeriStrat狀態(tài)和EGFR突變與生存期顯著相關，而KRAS突變與生存期無關。VeriStrat被證實是野生型EGFR且不伴有KRAS突變的患者采用厄洛替尼一線治療后生存期的有效預測因子[25]。

挑戰(zhàn)與展望

盡管近幾十年來分子生物標記物的發(fā)現(xiàn)急劇增加，但將這些生物標記物轉化為更有效的患者治療和更良好的療效仍存挑戰(zhàn)。研發(fā)臨床上有效的癌癥生物標記物還有許多障礙，包括與分析前參數(shù)及潛在癌癥生物標記物驗證相關的技術難題，以及將這些癌癥生物標記物轉化為臨床實踐的研發(fā)、評估與聯(lián)合篩查或診斷測試相關的挑戰(zhàn)[3]。

新興的組學技術正廣泛地用于癌癥研究和生物標記物的探索[26]。高通量蛋白質組學技術的近期進展以前所未有的速度為人類腫瘤的分子分析提供了新的機遇。腫瘤蛋白質組學揭示腫瘤發(fā)生的復雜分子事件以及控制臨床上重要的腫瘤行為，如侵襲、轉移和對治療耐受，提供巨大前景[4]。隨著新的和改進的蛋白質芯片技術的出現(xiàn)，讓研發(fā)可靠并準確地預測癌癥治療效果的生物標記物變得可行[27]?？梢灶A見，未來蛋白生物標記物應用可能需要微型化和自動技術。多種生物標記物的聯(lián)合可使檢測更為精確。已有生物標記物聯(lián)合新型分子標記物將會是研發(fā)癌癥管理的治療診斷方法的新興趨勢。分子癌癥生物標記物在轉化醫(yī)學中不斷向前發(fā)展，但距離成功還有漫漫長路。

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