精準(zhǔn)醫(yī)療中的生物信息學(xué)方法及生物標(biāo)記物的應(yīng)用

劉瑤　王雪青

摘要：文章從三個(gè)方面闡述了基于生物信息分析方法的精準(zhǔn)醫(yī)療。以美國TCGA項(xiàng)目為例，簡要闡述了生物信息分析在精準(zhǔn)醫(yī)療中的價(jià)值。最后闡述了生物標(biāo)記物在精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用，重點(diǎn)在抗腫瘤領(lǐng)域的應(yīng)用，以及生物標(biāo)記物的分類和常用的生物制藥技術(shù)。

關(guān)鍵詞：精準(zhǔn)醫(yī)療;生物信息學(xué);生物標(biāo)記物;抗腫瘤研究

1精準(zhǔn)醫(yī)療的概述

2011年在美國國家科學(xué)院會(huì)議《邁向精準(zhǔn)醫(yī)療：構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)研究和知識(shí)網(wǎng)絡(luò)和新的疾病分類體系》中第一次出現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療（Precision Medicine）一詞。指通過先進(jìn)的生物蛋白質(zhì)和基因組學(xué)等現(xiàn)代技術(shù)手段，精確地檢測(cè)各種疾病及其早期治療主要目標(biāo)的具體靶點(diǎn)，同時(shí)針對(duì)相關(guān)疾病的不同表征和癥狀再對(duì)其進(jìn)行精準(zhǔn)地亞劃分，旨在實(shí)現(xiàn)治療特定人群和某一特殊疾病而進(jìn)行有針對(duì)性的精準(zhǔn)化治療的主要目的，大大提高疾病的診治和預(yù)防效益。

伴隨著人類基因組計(jì)劃測(cè)序完成，同時(shí)，個(gè)人基因組、腫瘤醫(yī)學(xué)基因組朝著更加廣泛多元化的數(shù)據(jù)密集型研究方向向前邁進(jìn)，醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)全新醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)理論技術(shù)概念和全新醫(yī)療服務(wù)模式應(yīng)運(yùn)而生——“精準(zhǔn)醫(yī)療”。精準(zhǔn)醫(yī)療的一個(gè)基礎(chǔ)理念就是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的精準(zhǔn)醫(yī)療，憑借著我國現(xiàn)代生物基因組醫(yī)學(xué)測(cè)序分析技術(shù)的飛速發(fā)展和現(xiàn)代大數(shù)據(jù)生命科學(xué)、生物信息學(xué)的廣泛交叉綜合運(yùn)用，精準(zhǔn)醫(yī)療快速地發(fā)展壯大起來。

2基于生物信息分析方法的精準(zhǔn)醫(yī)療

2.1敏感性藥物基因篩查

目前藥物基因?qū)W檢測(cè)常見方法有三種：熒光原位雜交法、實(shí)時(shí)熒光定量PCR以及基因測(cè)序法。熒光原位雜交法是利用熒光探針對(duì)藥物或病毒基因進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)時(shí)熒光定量PCR可以檢測(cè)到藥物中干擾性mRNA的表達(dá)，以此為依據(jù)來判別是否這些相關(guān)藥物具有抑制作用?；驕y(cè)序的技術(shù)是在進(jìn)行基因組的生物學(xué)分析之前，先通過對(duì)個(gè)體全基因組進(jìn)行測(cè)序，篩選出潛在的遺傳性疾病和治療藥物蛋白的基因多態(tài)性。根據(jù)患者的個(gè)體差異引起的藥物運(yùn)載、結(jié)合目標(biāo)靶點(diǎn)等不同而實(shí)現(xiàn)更為有效的精準(zhǔn)治療。

2.2個(gè)體潛在疾病和腫瘤篩查的精確診斷方式

隨著測(cè)序技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，大量常見和罕見的系統(tǒng)疾病分子標(biāo)記物被確定，如阿爾茨海默癥和帕金森癥等。雖然疾病產(chǎn)生原因很多，但是對(duì)于分子標(biāo)記物的識(shí)別和確定卻是一種有效的手段，它們被認(rèn)為是進(jìn)行疾病準(zhǔn)確診斷的一種重要手段之一?；蜃儺惖臋z測(cè)技術(shù)是實(shí)施精準(zhǔn)治療的一個(gè)重要手段，臨床腫瘤患者常用組織活檢技術(shù)，但是檢測(cè)結(jié)果不完全準(zhǔn)確，并且假陽性率高達(dá)65%。與之相比，生物信息技術(shù)中進(jìn)行基因檢測(cè)能夠把癌癥的早期診斷時(shí)間提前至細(xì)胞的癌變階段，為腫瘤的早期預(yù)防和治療提供了基因?qū)用娴闹改稀?/p>

2.3組學(xué)檢測(cè)技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療中的應(yīng)用

組學(xué)技術(shù)檢測(cè)是精準(zhǔn)醫(yī)療的一個(gè)核心內(nèi)容，分為組織學(xué)、轉(zhuǎn)錄學(xué)、基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)和代謝組學(xué)等多種研究方法。組學(xué)基因檢測(cè)相關(guān)技術(shù)主要類型包括分子基因組學(xué)檢測(cè)、基因編輯以及液體活檢技術(shù)等。基因編輯技術(shù)特點(diǎn)是能夠針對(duì)特定基因組位點(diǎn)進(jìn)行靶向作用?；蚓庉嫾夹g(shù)目前應(yīng)用于干細(xì)胞疾病，如婦科惡性腫瘤等的治療。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于基因編輯的技術(shù)有CRISPR相關(guān)蛋白核酸酶、鋅指核酸內(nèi)切酶，以及傳統(tǒng)的RNA干擾等。

2.4生物信息分析在精準(zhǔn)醫(yī)療中的價(jià)值

生物信息學(xué)是一門利用計(jì)算機(jī)技術(shù)研究生物系統(tǒng)規(guī)律的學(xué)科，生物信息學(xué)的研究對(duì)象是各種各樣的生物學(xué)數(shù)據(jù)，其研究工具是計(jì)算機(jī)，研究方法包括對(duì)生物學(xué)數(shù)據(jù)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(jì)算、模擬）。如果將生物信息學(xué)運(yùn)用于精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域，建立生物樣本庫和信息庫，通過對(duì)海量數(shù)據(jù)的分析就能實(shí)現(xiàn)對(duì)疾病的精準(zhǔn)評(píng)估，從而在疾病的監(jiān)測(cè)預(yù)防和臨床治療兩個(gè)領(lǐng)域都會(huì)取得突破。

以美國TCGA項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目在頂級(jí)科學(xué)雜志Cell、Nature、Science上共發(fā)表上百篇研究中，約70%都是從腫瘤基因組進(jìn)行信息學(xué)分析。由此我們可以看出，作為生物信息學(xué)一個(gè)重要分支的基因組信息學(xué)在腫瘤研究中所占據(jù)的地位至關(guān)重要。生物信息學(xué)技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用或許會(huì)引爆生命科學(xué)研究的時(shí)代性變革。

3精準(zhǔn)醫(yī)療與生物標(biāo)記物

“精準(zhǔn)醫(yī)療”側(cè)重點(diǎn)主要在于“精準(zhǔn)”。精準(zhǔn)醫(yī)療研究利用了先進(jìn)的基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)等前沿的生物信息學(xué)分析方法與科學(xué)技術(shù)，同時(shí)又充分地結(jié)合了先進(jìn)的前沿醫(yī)學(xué)技術(shù)，對(duì)一些較為重要的大型樣本中特定人群分別進(jìn)行了各種生物標(biāo)記物的篩選、論證與綜合運(yùn)用，通過檢測(cè)特定的標(biāo)記物不同時(shí)期的實(shí)際情況，最終可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的精準(zhǔn)診斷。生物標(biāo)記物（biomarker）是一種當(dāng)有機(jī)體生理環(huán)境的穩(wěn)態(tài)發(fā)生了某些自然變化，并隨之改變產(chǎn)生的一種生物標(biāo)記信號(hào)。

3.1生物標(biāo)記物的分類

3.1.1傳統(tǒng)的生物標(biāo)記物及研究概況

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

3.1.2新興的循環(huán)生物標(biāo)記物及研究概況

根據(jù)最新的研究成果，新興循環(huán)微生物標(biāo)記物既能被廣泛地應(yīng)用于人體內(nèi)部的生殖系基因突變（germline muta-tion）的篩查，同時(shí)還被廣泛地應(yīng)用于體細(xì)胞突變（somaticmutation）的篩查。在外周的血液中同樣能夠檢測(cè)到極微量的體細(xì)胞突變形成的腫瘤細(xì)胞內(nèi)核酸。根據(jù)循環(huán)生物標(biāo)記物的檢查對(duì)象，可將其劃分為三類。

（1）循環(huán)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(xì)胞外核酸。能夠?qū)颊哌M(jìn)行早期檢測(cè)和診斷，并實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)疾病的發(fā)展進(jìn)程，及時(shí)地跟進(jìn)疾病的發(fā)展情況，能夠有效評(píng)價(jià)治療的實(shí)施結(jié)果。

（2）循環(huán)腫瘤細(xì)胞（CTC）。存在于人體外周血中的各種腫瘤細(xì)胞。CTC計(jì)數(shù)的檢測(cè)結(jié)果與病人患者的死亡率之間具有很明顯的密切相關(guān)。還廣泛應(yīng)用于藥品篩選，實(shí)現(xiàn)精確、低價(jià)、高效治療。

（3）外泌體（Exosome）。盤狀囊泡，直徑通常40～100nm，多種細(xì)胞可于正?；虿±頎顟B(tài)下產(chǎn)生外泌體。能夠據(jù)此來評(píng)價(jià)早期患者腫瘤的負(fù)荷水平，準(zhǔn)確地判斷其進(jìn)行免疫治療的作用和效果。

3.2生物標(biāo)記物在抗腫瘤領(lǐng)域的應(yīng)用

精準(zhǔn)醫(yī)療（precision medicine）在治療惡性腫瘤領(lǐng)域中實(shí)際應(yīng)用的成功典范之一便是基于生物標(biāo)記物的藥理抗腫瘤靶向診斷和治療在我國得到廣泛運(yùn)用，使得某些惡性腫瘤病人5年內(nèi)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(biāo)記物檢測(cè)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(jīng)有了顯著的改善，但是，實(shí)現(xiàn)真正的精準(zhǔn)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(xì)胞毒性等級(jí)化療藥物與其他靶向治療藥物聯(lián)合應(yīng)用，可以顯著提高治療效果。尤其是對(duì)于具有相對(duì)組織特異性效果的細(xì)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(jī)制和效果。美國FDA已經(jīng)應(yīng)用了全新的臨床藥物評(píng)價(jià)方案，抗腫瘤藥物的研發(fā)得以加速。建議研究機(jī)構(gòu)在抗腫瘤藥物研發(fā)的早期，加強(qiáng)與靶點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的信號(hào)通路的研究，精確篩選新藥獲益人群的生物標(biāo)記物，從而加速抗腫瘤藥物從臨床試驗(yàn)階段到獲批上市的效率，可以挽救更多患者的生命。

精準(zhǔn)醫(yī)療被看作下一代的診療科技，而且與傳統(tǒng)的診療方式相比擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。相比于一般的傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)治療方式和手段，精準(zhǔn)的醫(yī)學(xué)治療擁有更高的診斷精準(zhǔn)性和快捷性，一方面，基因測(cè)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(tǒng)的生物學(xué)病理切片，進(jìn)而大大降低了在診斷的過程中對(duì)于患者整個(gè)身體的影響，另一方面，借助于基因測(cè)序能夠確定與癌癥發(fā)生或突變的相關(guān)基因，進(jìn)而精準(zhǔn)用藥，大大提升診斷效果和治療效率。精準(zhǔn)治療的迅猛發(fā)展，將顯著提高癌癥病人的診斷效果與治愈率，能夠優(yōu)化醫(yī)療衛(wèi)生發(fā)展模式，合理配置醫(yī)療資源，構(gòu)建高效的現(xiàn)代醫(yī)療衛(wèi)生服務(wù)體系。

3.3精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的痛點(diǎn)

目前，精準(zhǔn)醫(yī)療領(lǐng)域的一個(gè)重要痛點(diǎn)是數(shù)據(jù)分析技術(shù)缺少標(biāo)準(zhǔn)化。眾所周知，由于生物測(cè)序設(shè)備、實(shí)驗(yàn)流程以及分析軟件的不同，不同檢測(cè)機(jī)構(gòu)提供的測(cè)序結(jié)果差異較大。這時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)正規(guī)化的生物信息學(xué)分析就顯得尤為重要。CGAC（中國腫瘤基因圖譜計(jì)劃）項(xiàng)目的主要目的是建立腫瘤樣本采集、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、檢測(cè)、生物信息學(xué)分析和遺傳咨詢解讀的標(biāo)準(zhǔn)化流程，形成行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或?qū)＜夜沧R(shí)，以避免報(bào)告解讀的差異化。該項(xiàng)目不僅可為業(yè)內(nèi)專家在腫瘤精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)診斷中提供輔助診斷，也可為制定基于NGS技術(shù)多基因panel的國家標(biāo)準(zhǔn)提供確實(shí)且詳盡的科學(xué)依據(jù)。

4常用的生物制藥技術(shù)

4.1細(xì)胞工程

細(xì)胞工程技術(shù)是一種廣泛地應(yīng)用于人類細(xì)胞分子生物學(xué)和人類分子細(xì)胞生物學(xué)的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)。它們能夠幫助生產(chǎn)有用的或者微量的和體積小的生物細(xì)胞制品或者培養(yǎng)培育出有價(jià)值的原生動(dòng)物或者植株，并且它們甚至能夠幫助產(chǎn)生一個(gè)新的原生物種或者新的品系。通過這個(gè)大型細(xì)胞藥物制劑生產(chǎn)工程，一方面能夠極大地豐富細(xì)胞藥物的生產(chǎn)數(shù)量和使用劑型，另一方面還能夠極大地縮短細(xì)胞制藥的生產(chǎn)周期，減少了大量人力和物力的浪費(fèi)，因此對(duì)于大規(guī)模流程化的制藥廠意義重大。

4.2基因工程技術(shù)

基因工程以分子遺傳學(xué)作為基礎(chǔ)，以分子生物學(xué)和微生物學(xué)為主要手段，將不同數(shù)量和類型的基因根據(jù)預(yù)先制定的藍(lán)圖，在體外直接構(gòu)建一個(gè)雜種DNA分子，然后誘導(dǎo)其進(jìn)入活細(xì)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(xué)技術(shù)?；蚬こ碳夹g(shù)主要運(yùn)用到胰島素及干擾素類藥品制備中?；蚬こ碳夹g(shù)已經(jīng)應(yīng)用于基因結(jié)構(gòu)與其功能研究，并且為基因研究提供了強(qiáng)大的支持。人體內(nèi)激素和活性因子通常是進(jìn)行新陳代謝不可或缺的，通過基因工程技術(shù)，能夠合成各種激素和活性因子。

5精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景

隨著我國現(xiàn)代精準(zhǔn)生物醫(yī)藥基礎(chǔ)科學(xué)和工程技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速發(fā)展，精準(zhǔn)醫(yī)療產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化已經(jīng)逐步發(fā)展并成為我們國家一項(xiàng)重大戰(zhàn)略重點(diǎn)新興產(chǎn)業(yè)的一個(gè)組成部分。從目前為止我國的精準(zhǔn)診斷醫(yī)療技術(shù)領(lǐng)域和相關(guān)市場(chǎng)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)展情況分析來看，由于我國的精準(zhǔn)臨床診斷醫(yī)療技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早，該技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，在整個(gè)2015年我國的精準(zhǔn)診斷醫(yī)療技術(shù)市場(chǎng)中約占據(jù)29.3%的市場(chǎng)份額，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其在整個(gè)世界市場(chǎng)范圍內(nèi)的17%。

實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)發(fā)展的根本和關(guān)鍵在于合理地利用基因檢測(cè)等新技術(shù)，目前我國地方政府對(duì)此的相關(guān)優(yōu)惠政策也正在漸漸地放寬。在國家政策、科技、市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求以及社會(huì)資金等諸多重要影響因素的共同促進(jìn)下，預(yù)計(jì)未來幾年內(nèi)我國作為全球性精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)和設(shè)備制造行業(yè)的整體市場(chǎng)規(guī)模將持續(xù)保持平穩(wěn)增長的良好態(tài)勢(shì)，根據(jù)《對(duì)全球精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)設(shè)備行業(yè)發(fā)展前景的預(yù)測(cè)與投資戰(zhàn)略規(guī)劃分析報(bào)告》中所提供的有關(guān)企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略規(guī)劃的統(tǒng)計(jì)資料，2021-2024年間預(yù)計(jì)我國精準(zhǔn)醫(yī)療行業(yè)規(guī)模年均增速將保持在20%左右。業(yè)內(nèi)人士保守分析估計(jì)，截至2024年年底，我國精準(zhǔn)醫(yī)療行業(yè)的整體市場(chǎng)銷售規(guī)模將可能達(dá)到1356億元。隨著近年來我國精準(zhǔn)醫(yī)療市場(chǎng)、技術(shù)及企業(yè)信息化管理等領(lǐng)域技術(shù)不斷成熟壯大并迅速發(fā)展，推動(dòng)我國醫(yī)學(xué)向精準(zhǔn)醫(yī)療、個(gè)性化醫(yī)療方向發(fā)展將是我國精準(zhǔn)醫(yī)療未來發(fā)展趨勢(shì)。

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(yī)藥;王雪青（1999— ），男，漢族，河北廊坊人，本科，研究方向：生物與醫(yī)藥。