精準醫療中的生物信息學方法及生物標記物的應用

劉瑤　王雪青

摘要：文章從三個方面闡述了基于生物信息分析方法的精準醫療。以美國TCGA項目為例，簡要闡述了生物信息分析在精準醫療中的價值。最后闡述了生物標記物在精準醫療中的應用，重點在抗腫瘤領域的應用，以及生物標記物的分類和常用的生物制藥技術。

關鍵詞：精準醫療;生物信息學;生物標記物;抗腫瘤研究

1精準醫療的概述

2011年在美國國家科學院會議《邁向精準醫療：構建生物醫學研究和知識網絡和新的疾病分類體系》中第一次出現精準醫療（Precision Medicine）一詞。指通過先進的生物蛋白質和基因組學等現代技術手段，精確地檢測各種疾病及其早期治療主要目標的具體靶點，同時針對相關疾病的不同表征和癥狀再對其進行精準地亞劃分，旨在實現治療特定人群和某一特殊疾病而進行有針對性的精準化治療的主要目的，大大提高疾病的診治和預防效益。

伴隨著人類基因組計劃測序完成，同時，個人基因組、腫瘤醫學基因組朝著更加廣泛多元化的數據密集型研究方向向前邁進，醫學和生物技術領域的一個全新醫學基礎理論技術概念和全新醫療服務模式應運而生——“精準醫療”。精準醫療的一個基礎理念就是實現個性化的精準醫療，憑借著我國現代生物基因組醫學測序分析技術的飛速發展和現代大數據生命科學、生物信息學的廣泛交叉綜合運用，精準醫療快速地發展壯大起來。

2基于生物信息分析方法的精準醫療

2.1敏感性藥物基因篩查

目前藥物基因學檢測常見方法有三種：熒光原位雜交法、實時熒光定量PCR以及基因測序法。熒光原位雜交法是利用熒光探針對藥物或病毒基因進行檢測。實時熒光定量PCR可以檢測到藥物中干擾性mRNA的表達，以此為依據來判別是否這些相關藥物具有抑制作用。基因測序的技術是在進行基因組的生物學分析之前，先通過對個體全基因組進行測序，篩選出潛在的遺傳性疾病和治療藥物蛋白的基因多態性。根據患者的個體差異引起的藥物運載、結合目標靶點等不同而實現更為有效的精準治療。

2.2個體潛在疾病和腫瘤篩查的精確診斷方式

隨著測序技術的持續發展，大量常見和罕見的系統疾病分子標記物被確定，如阿爾茨海默癥和帕金森癥等。雖然疾病產生原因很多，但是對于分子標記物的識別和確定卻是一種有效的手段，它們被認為是進行疾病準確診斷的一種重要手段之一。基因變異的檢測技術是實施精準治療的一個重要手段，臨床腫瘤患者常用組織活檢技術，但是檢測結果不完全準確，并且假陽性率高達65%。與之相比，生物信息技術中進行基因檢測能夠把癌癥的早期診斷時間提前至細胞的癌變階段，為腫瘤的早期預防和治療提供了基因層面的指南。

2.3組學檢測技術在精準醫療中的應用

組學技術檢測是精準醫療的一個核心內容，分為組織學、轉錄學、基因組學、蛋白質組學和代謝組學等多種研究方法。組學基因檢測相關技術主要類型包括分子基因組學檢測、基因編輯以及液體活檢技術等。基因編輯技術特點是能夠針對特定基因組位點進行靶向作用。基因編輯技術目前應用于干細胞疾病，如婦科惡性腫瘤等的治療。目前，已經廣泛應用于基因編輯的技術有CRISPR相關蛋白核酸酶、鋅指核酸內切酶，以及傳統的RNA干擾等。

2.4生物信息分析在精準醫療中的價值

生物信息學是一門利用計算機技術研究生物系統規律的學科，生物信息學的研究對象是各種各樣的生物學數據，其研究工具是計算機，研究方法包括對生物學數據的查找搜索（收集和篩選）、處理（編輯、整理、管理和顯示）及利用（計算、模擬）。如果將生物信息學運用于精準醫療領域，建立生物樣本庫和信息庫，通過對海量數據的分析就能實現對疾病的精準評估，從而在疾病的監測預防和臨床治療兩個領域都會取得突破。

以美國TCGA項目為例，該項目在頂級科學雜志Cell、Nature、Science上共發表上百篇研究中，約70%都是從腫瘤基因組進行信息學分析。由此我們可以看出，作為生物信息學一個重要分支的基因組信息學在腫瘤研究中所占據的地位至關重要。生物信息學技術在精準醫療領域的應用或許會引爆生命科學研究的時代性變革。

3精準醫療與生物標記物

“精準醫療”側重點主要在于“精準”。精準醫療研究利用了先進的基因組學、蛋白質組學等前沿的生物信息學分析方法與科學技術，同時又充分地結合了先進的前沿醫學技術，對一些較為重要的大型樣本中特定人群分別進行了各種生物標記物的篩選、論證與綜合運用，通過檢測特定的標記物不同時期的實際情況，最終可以實現個性化的精準診斷。生物標記物（biomarker）是一種當有機體生理環境的穩態發生了某些自然變化，并隨之改變產生的一種生物標記信號。

3.1生物標記物的分類

3.1.1傳統的生物標記物及研究概況

傳統生物標記物包括蛋白質、多肽、脂肪、激素、病原體核酸（通常作為活性樣品）等分子。檢測介質主要是人體頭發、糞便、組織樣品等。隨著細胞治療和腫瘤免疫治療等新技術的提出，生物標志體系的主要研究目標及其思路，發生明顯的改變，蛋白質及其表達已經成為目前世界主流的一種新型的生物標記物。

3.1.2新興的循環生物標記物及研究概況

根據最新的研究成果，新興循環微生物標記物既能被廣泛地應用于人體內部的生殖系基因突變（germline muta-tion）的篩查，同時還被廣泛地應用于體細胞突變（somaticmutation）的篩查。在外周的血液中同樣能夠檢測到極微量的體細胞突變形成的腫瘤細胞內核酸。根據循環生物標記物的檢查對象，可將其劃分為三類。

（1）循環核酸（CNA）。存在于人體血漿或者是血清、腦脊液等各種體液中的細胞外核酸。能夠對患者進行早期檢測和診斷，并實時地監測疾病的發展進程，及時地跟進疾病的發展情況，能夠有效評價治療的實施結果。

（2）循環腫瘤細胞（CTC）。存在于人體外周血中的各種腫瘤細胞。CTC計數的檢測結果與病人患者的死亡率之間具有很明顯的密切相關。還廣泛應用于藥品篩選，實現精確、低價、高效治療。

（3）外泌體（Exosome）。盤狀囊泡，直徑通常40～100nm，多種細胞可于正常或病理狀態下產生外泌體。能夠據此來評價早期患者腫瘤的負荷水平，準確地判斷其進行免疫治療的作用和效果。

3.2生物標記物在抗腫瘤領域的應用

精準醫療（precision medicine）在治療惡性腫瘤領域中實際應用的成功典范之一便是基于生物標記物的藥理抗腫瘤靶向診斷和治療在我國得到廣泛運用，使得某些惡性腫瘤病人5年內的生存率和疾病緩解率，均可以得到不同程度的改善。使用生物標記物檢測患者腫瘤樣本，緊接著制定合理的治療方案，已逐漸成為主流的抗腫瘤治療程序。雖然抗腫瘤靶向藥物與前幾年相比，療效已經有了顯著的改善，但是，實現真正的精準治療仍有很長的路需要走，其中組織差異性是最大的瓶頸。細胞毒性等級化療藥物與其他靶向治療藥物聯合應用，可以顯著提高治療效果。尤其是對于具有相對組織特異性效果的細胞毒類化療藥物來說，借鑒靶向藥物的治療方案，能夠更加深入地探究其作用機制和效果。美國FDA已經應用了全新的臨床藥物評價方案，抗腫瘤藥物的研發得以加速。建議研究機構在抗腫瘤藥物研發的早期，加強與靶點相關聯的信號通路的研究，精確篩選新藥獲益人群的生物標記物，從而加速抗腫瘤藥物從臨床試驗階段到獲批上市的效率，可以挽救更多患者的生命。

精準醫療被看作下一代的診療科技，而且與傳統的診療方式相比擁有巨大的優勢。相比于一般的傳統醫學治療方式和手段，精準的醫學治療擁有更高的診斷精準性和快捷性，一方面，基因測序僅僅需要患者提供一定量的血液或者唾液.而不用使用傳統的生物學病理切片，進而大大降低了在診斷的過程中對于患者整個身體的影響，另一方面，借助于基因測序能夠確定與癌癥發生或突變的相關基因，進而精準用藥，大大提升診斷效果和治療效率。精準治療的迅猛發展，將顯著提高癌癥病人的診斷效果與治愈率，能夠優化醫療衛生發展模式，合理配置醫療資源，構建高效的現代醫療衛生服務體系。

3.3精準醫療領域的痛點

目前，精準醫療領域的一個重要痛點是數據分析技術缺少標準化。眾所周知，由于生物測序設備、實驗流程以及分析軟件的不同，不同檢測機構提供的測序結果差異較大。這時，標準正規化的生物信息學分析就顯得尤為重要。CGAC（中國腫瘤基因圖譜計劃）項目的主要目的是建立腫瘤樣本采集、運輸、儲存、檢測、生物信息學分析和遺傳咨詢解讀的標準化流程，形成行業標準或專家共識，以避免報告解讀的差異化。該項目不僅可為業內專家在腫瘤精準醫學診斷中提供輔助診斷，也可為制定基于NGS技術多基因panel的國家標準提供確實且詳盡的科學依據。

4常用的生物制藥技術

4.1細胞工程

細胞工程技術是一種廣泛地應用于人類細胞分子生物學和人類分子細胞生物學的基礎理論和關鍵技術。它們能夠幫助生產有用的或者微量的和體積小的生物細胞制品或者培養培育出有價值的原生動物或者植株，并且它們甚至能夠幫助產生一個新的原生物種或者新的品系。通過這個大型細胞藥物制劑生產工程，一方面能夠極大地豐富細胞藥物的生產數量和使用劑型，另一方面還能夠極大地縮短細胞制藥的生產周期，減少了大量人力和物力的浪費，因此對于大規模流程化的制藥廠意義重大。

4.2基因工程技術

基因工程以分子遺傳學作為基礎，以分子生物學和微生物學為主要手段，將不同數量和類型的基因根據預先制定的藍圖，在體外直接構建一個雜種DNA分子，然后誘導其進入活細胞，以改變其生物體系中原有的遺傳特征，從而取得新品種的遺傳科學技術。基因工程技術主要運用到胰島素及干擾素類藥品制備中。基因工程技術已經應用于基因結構與其功能研究，并且為基因研究提供了強大的支持。人體內激素和活性因子通常是進行新陳代謝不可或缺的，通過基因工程技術，能夠合成各種激素和活性因子。

5精準醫療產業發展前景

隨著我國現代精準生物醫藥基礎科學和工程技術的不斷進步和快速發展，精準醫療產業現代化已經逐步發展并成為我們國家一項重大戰略重點新興產業的一個組成部分。從目前為止我國的精準診斷醫療技術領域和相關市場的產業結構發展情況分析來看，由于我國的精準臨床診斷醫療技術產業發展較早，該技術發展已經較為成熟，在整個2015年我國的精準診斷醫療技術市場中約占據29.3%的市場份額，遠遠高于其在整個世界市場范圍內的17%。

實現精準醫療健康產業發展的根本和關鍵在于合理地利用基因檢測等新技術，目前我國地方政府對此的相關優惠政策也正在漸漸地放寬。在國家政策、科技、市場和經濟發展需求以及社會資金等諸多重要影響因素的共同促進下，預計未來幾年內我國作為全球性精準醫學和設備制造行業的整體市場規模將持續保持平穩增長的良好態勢，根據《對全球精準醫學設備行業發展前景的預測與投資戰略規劃分析報告》中所提供的有關企業經營戰略規劃的統計資料，2021-2024年間預計我國精準醫療行業規模年均增速將保持在20%左右。業內人士保守分析估計，截至2024年年底，我國精準醫療行業的整體市場銷售規模將可能達到1356億元。隨著近年來我國精準醫療市場、技術及企業信息化管理等領域技術不斷成熟壯大并迅速發展，推動我國醫學向精準醫療、個性化醫療方向發展將是我國精準醫療未來發展趨勢。

作者簡介：劉瑤（1999— ），女，漢族，河北保定人，本科，研究方向：生物與醫藥;王雪青（1999— ），男，漢族，河北廊坊人，本科，研究方向：生物與醫藥。