肿瘤分子病理流行病学

周子寒 余红平

分子病理流行病学（molecular pathological epidemiology，MPE）是一个涉及病理学、流行病学等多学科的跨学科研究领域，其基于疾病的异质性和分子病理特征为基础，应用流行病学研究设计的原理和方法，分析暴露因素（环境、饮食、生活方式、遗传因素）及疾病个体细胞或细胞外分子水平的改变（疾病分子特征）与疾病发生、发展及预后之间的关系［1-4］，以更好地了解复杂的异质性疾病的病因和进展，并在人口健康和临床医学工作中提供预防和治疗措施。MPE概念于2010年由Ogino等［2］率先提出，并用于肿瘤病因学研究，之后在临床医学、精准医学和个性化治疗等领域中均得以应用。在病因学研究方面，传统流行病学只是研究暴露因素与群体患病之间的关系，只考虑群体整体而忽略了群体内部个体之间存在的细致而巨大的差异，而MPE结合了分子病理学和分子流行病学等学科，研究特定分子特征的疾病与特定暴露因素之间的关联，并探讨在特定分子特征下，不同暴露因素之间的相互作用对疾病发生、发展及预后的影响，充分考虑到了疾病的异质性。

随着“大数据”和“精准医学”时代到来，MPE概念和方法逐渐应用到大型前瞻性队列或病例对照研究中，并以这些丰富的生物医学数据资源为基础，更准确地推断暴露与疾病的关系。MPE的研究设计方法是传统流行病学方法的优化［5］，在前瞻性队列研究中，通过检测暴露者和非暴露者中发生特定改变（如基因突变）的某病发生率，同时也检测未发生特定改变（无基因突变）的某病发生率，以评估某暴露因素是否引起患病个体发生某种特定改变；在病例对照研究设计中，分析研究因素在基因突变型、基因野生型患者和对照组之间的分布差异，以评估某暴露因素是否与某些特定改变有关联。

至今为止，MPE研究已被广泛应用于结直肠癌、肝癌、乳腺癌和肺癌等恶性肿瘤的研究，本文对近年来MPE在肿瘤病因学研究中的应用作一综述。

1 结直肠癌分子病理流行病学

结直肠癌是多因素、多基因、多途径共同作用发展而来。以往研究表明，染色体不稳定性、微卫星不稳定性（MSI）、表观基因组不稳定性（如CpG岛甲基化表型CIMP），以及体细胞突变、插入缺失和拷贝数改变等单独或相互作用可导致结直肠上皮细胞恶性化［6］。Campbell等［7］研究 MSI、体质指数（BMI）和结直肠癌风险的关系，发现在微卫星稳定（MSS）状态下，BMI大小与结肠癌发病风险呈正相关，而在MSI状态下两者无关联。Van Guelpen等［8］在结肠癌患者叶酸代谢通路与CpG岛甲基化表型状态关系的研究中，发现亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）基因677位点多态性仅与CIMP表型阳性结肠癌的发病风险有关，而与CIMP表型阴性结肠癌发病风险无关；MTHFR基因1298位点多态性仅与CIMP表型阴性结肠癌的发病风险有关，而与CIMP表型阳性结肠癌的发病风险无关。此外，在以往流行病学研究中发现［9］，吸烟与结直肠癌发病风险的相关性较低，但进一步将结直肠癌按MSI和CIMP状态分型后，发现吸烟与高度MSI和高度CIMP表型的结直肠癌发病风险有关［10-11］。因此，今后开展结直肠癌病因学研究时，应注意考虑结直肠癌表型，不同分子分型的结直肠癌，其病因学可能不同。

所有疾病的病理过程都涉及多种细胞因子的相互作用，其中也包括在组织微环境中参与免疫应答的细胞因子。Song等［12］在ω-3多不饱和脂肪酸（PUFA）对结直肠癌发病风险研究中，发现在高密度FOXP3+调节性T细胞型中，相对于ω-3 PUFA摄入量低于0.15 g/d的个体，ω-3 PUFA摄入量高于0.35 g/d的个体发生结直肠癌的风险比（HR）为 0.57（95%CI：0.40～0.81，P＜0.001），而在 CD3+、CD8+和 CD45RO+细胞型中，ω-3 PUFA摄入量与结直肠癌发病风险均无统计学意义（P＝0.34），提示高摄入ω-3 PUFA可降低高水平FOXP3+调节性T细胞型结直肠癌的发病风险。此外，一项阿司匹林与结直肠癌发病风险的相关性研究［13-14］发现，服用阿司匹林与环氧合酶 2（COX-2）高表达相关（P=0.02），在COX-2高表达患者中，规律服用阿司匹林与结直肠癌发病风险降低显著相关（RR=0.64，95%CI：0.52～0.78），而在 COX-2 低或无表达患者中，规律服用阿司匹林与结直肠癌发病风险无关联（RR=0.96，95%CI：0.73～1.26），提示规律服用阿司匹林类药物可降低结直肠癌发病风险的作用仅在COX-2高表达型结直肠癌中体现。同样，Cao等［15］在对阿司匹林的使用与结直肠癌发病风险性研究中，发现在低密度肿瘤浸润淋巴细胞（TILs）型患者中，规律服用阿司匹林可降低结直肠癌发病风险（RR=0.72，95%CI：0.63～0.81），但在中等密度 TILs型（RR=0.95，95%CI：0.72～1.24）或高密度 TILs型（RR=1.09，95%CI：0.78～1.51）中，规律服用阿司匹林与结直肠癌发病风险无关联。此外，该研究还发现服用阿司匹林剂量和持续时间的增加与低密度TILs型结直肠癌发病风险降低显著相关（P＜0.001），而与中密度和高密度TILs型结直肠癌发病风险无关（P＝0.28），提示肿瘤微环境中的免疫应答在阿司匹林化疗效果中具有潜在作用，进一步说明了先天性和适应性免疫在健康和疾病中的重要作用，机体的免疫特征亦可作为分子病理流行病学的分型依据之一，对暴露因素、肿瘤分子特征和免疫特征的综合分析可更好地了解肿瘤发生、发展过程，尤其对了解肿瘤的病因至关重要。

2 肝癌分子病理流行病学

肝癌是异质性最强的恶性肿瘤之一。大量分子流行病学研究［16-18］表明，基因的遗传多态性与肝癌发病风险有关，比如氧化应激、DNA损伤修复、免疫反应等生物学通路的基因单核苷酸多态性与肝癌发病风险相关，不同基因型的个体罹患肝癌风险不同。另外，越来越多的流行病学研究证实糖尿病是肝癌的独立危险因素［19-20］，但糖尿病影响肝癌发病风险的分子机制仍不清楚。Ueyama等［21］在日本人群中探讨非病毒性肝炎2型糖尿病（T2DM）患者PNPLA3和JAZF1基因多态性与肝细胞癌（hepatocellular carcinoma，HCC）发病风险的关系，将研究对象分为T2DM-HCC组和T2DM-non-HCC组，发现在非病毒性肝炎T2DM人群中，PNPLA3和JAZF1基因多态性与HCC发病风险增加有关，其中PNPLA3 rs738409基因多态性是HCC发生最主要的危险因素。Capone等［22］在T2DM组、HCV组、HCC组、T2DM-HCC组和健康对照组的病例对照研究中发现，相比T2DM或HCC患者，T2DM-HCC 患者血清中 IL-2r、sIL-6 Ra、IL-16、IL-18、HGF、β-NGF、CXCL1、CXCL12、ADIPOQ 和 IFN-α 等炎症因子水平较高，但LEP水平较低；相比T2DM患者，T2DM-HCC患者血清中趋化因子CXCL9、血小板内皮细胞黏附分子-1（PECAM-1）、催乳素和胰高血糖素水平较高，而血管内皮细胞生长因子受体sVEGFR-1和sVEGFR-2水平较低，提示在不同分子特征肝癌中，这些细胞因子水平具有明显差异性，可为今后肝癌分子病理流行病学研究提供分型依据，从而更深入解释糖尿病在肝癌发生中的作用及致病机制。

在中国东部和东南部，HCC发生的危险因素主要有高黄曲霉毒素B1（AFB1）暴露、HBV和HCV感染。Long等［23］在1 499例HCC患者和2 045名健康对照者中，根据外周血中AFB1蛋白（ALB）加合物水平确定患者AFB1的暴露水平，将食用玉米和花生等被AFB1污染的食物的时间定义为AFB1暴露年，以评估XRCC4编码区21个单核苷酸多态性与AFB1相关HCC发病风险和预后的关系。结果发现，在21个单核苷酸多态性中，rs28383151与HCC发病风险有关，携带rs28383151 AA/AG基因型的个体罹患HCC的风险增加（OR=2.17；95%CI：1.77～2.67），且与 AFB1暴露存在交互作用，即随着AFB1暴露年和暴露水平增加，HCC发病风险升高，提示XRCC4 rs28383151多态性可能是AFB1相关HCC的发病风险和预后分子标志物。因此，将疾病进行更细致的分子分型，能更好地了解疾病的病因及发病机制，更有效地识别疾病高危人群，为疾病防治提供更高效靶点。

3 乳腺癌分子病理流行病学

乳腺癌是最常见的恶性肿瘤之一，Perou等［24］于2000年首次提出乳腺癌分子分型的概念，将乳腺癌分为雌激素受体（estrogen receptor，ER）阳性及阴性2组，ER阴性组占所有乳腺癌患者的20%～30%，且其在年轻妇女和非洲妇女中比例较高，ER阴性组的病因学和临床特征不同于ER阳性组。一项ER阴性乳腺癌全基因关联研究（genome-wide association studies，GWAS）发现［25］，MDM4 rs4245739、LGR6 rs6678914、2p24.1号染色体rs12710696和FTO rs11075995基因多态性与ER阴性乳腺癌易感性有关，而与ER阳性乳腺癌易感性无关，提示ER阳性和ER阴性乳腺癌的病因和发病机制不同。癌症基因图谱（the cancer genome atlas，TCGA）［26］在基因分子水平上根据 ER、孕激素受体（PR）、人体表皮生长受体2（HER2）及增殖细胞核抗原（Ki-67）的表达水平将乳腺癌分成了4种重要类型，即管腔上皮 A 型（Luminal A）：ER（+）/PR（+），HER2（-），PR≥20%，Ki-67＜14%；管腔上皮B 型（LuminalB）：ER（+）/PR（+），Ki-67＞14%，HER2（+）；HER2 过表达型：ER（-），PR（-），HER2（+）；基底样型（basal）：ER（-），PR（-），HER2（-）。此后大量研究从临床实践、患者预后及治疗反应等方面证实了这些不同分子类型乳腺癌有其各自的特异性，如程洪涛［27］在628例非转移性浸润性乳腺癌患者中发现，不同乳腺癌分子亚型（Luminal A、Luminal B、HER2过表达型和basal型）在肿瘤平均大小、发病年龄、淋巴结转移状态、肿瘤分期、病理分期、放射治疗及无病生存时间方面均具有显著性差异，basal亚型乳腺癌淋巴结转移阳性和高级别淋巴结转移较Luminal A型乳腺癌显示出较低的风险，HER2过表达型在高级别淋巴转移中有较高风险性，此外，basal亚型和HER2过表达型乳腺癌较Luminal型乳腺癌的无病生存率差，提示分子分型是淋巴结转移和高级别淋巴结转移型乳腺癌的独立预测因子，可作为乳腺癌无病生存的独立预后因子。

新辅助化疗是目前治疗局部晚期乳腺癌的标准治疗方案，其疗效可用于判断预后，达到病理完全缓解（pCR）患者，即在乳腺或淋巴结内没有浸润性的残留病变，可获得更长的无病生存期和总生存期。吴建南等［28］分析接受表阿霉素联合多西紫杉醇方案（ET方案）的244例乳腺癌，发现HER2过表达型和basal型乳腺癌的pCR率均明显高于Luminal型乳腺癌，而5年无病生存率和5年总生存率均明显低于Luminal型，提示乳腺癌分子分型可作为乳腺癌病理完全缓解的独立预测因子。此外，Janiszewska等［29］用等位基因特异性PCR（一种联合检测单细胞拷贝数变异和单核苷酸新技术）检测乳腺癌标本中的突变基因，发现在新辅助治疗期间，所有HER2阳性乳腺癌患者在接受蒽环类药物联合紫杉类药物化疗的基础上，分别接受曲妥珠单抗、拉帕替尼或两者联合应用，携带PIK3CA基因突变型的HER2阳性乳腺癌患者的pCR率明显低于野生型患者，提示PIK3CA基因突变的HER2阳性乳腺癌患者可能对新辅助化疗联合靶向治疗不敏感。该研究表明了肿瘤内异质性对新辅助化疗反应的影响，有助于更准确地在新辅助化疗疗效较差的HER2阳性乳腺癌人群中筛选更为敏感的基因型患者进行联合治疗，提高pCR率，获得更长生存期。由此可见，不同分子分型的乳腺癌，其病因学、疾病进程、治疗方式及对治疗的反应以及预后不尽相同，因此，应将分子分型和乳腺癌病理组织学分类综合起来，开展MEP相关研究，为乳腺癌患者制定更有效的个体化治疗方案。

4 肺癌分子病理流行病学

50%的非小细胞肺癌患者（non-small cell lung cancer，NSCLC）存在表皮生长因子受体（EGFR）或KRAS基因突变，这些突变与酪氨酸激酶抑制剂（TKI）治疗肺癌的效果有关［30］。已有研究表明［31］，EGFR 突变在亚裔女性、肺腺癌及非吸烟者中的突变率较高，随着吸烟剂量和持续时间增加，EGFR突变率降低，表明吸烟与否对预测EGFR突变具有重要意义。Pao等［32］和 Eberhard 等［33］研究发现，小分子表皮生长因子受体酪氨酸激酶抑制剂（EGFR TKI）治疗KRAS突变型肺癌疗效较差。与EGFR突变相比，KRAS突变型肺癌预后较差，但KRAS突变无性别差异，在白人和曾经或目前吸烟者中的突变率较高［34］。 Dogan 等［35］在3 026例肺腺癌患者中，发现EGFR突变更多发生在非吸烟患者中，而KRAS突变更多发生在吸烟患者中，且在吸烟长达10年的患者中，以EGFR突变为主，在曾经吸烟的肺腺癌患者中，戒烟年数增加可引起EGFR突变，但与KRAS突变无关。此外，不吸烟患者较吸烟患者更容易发生KRAS G12D（G>A）突变，而KRAS G12C（G>T）突变在女性吸烟患者中更频繁，这些女性患者较相同突变基因的男性患者更年轻，且较少抽烟。这项研究表明，不同组织学和分子亚型乳腺癌之间的病因及发病机制不同，进一步说明在复杂疾病病因研究中进行分子和病理分型的重要性，MPE则可帮助阐明复杂因素之间这种潜在而重要的流行病学联系。

5 总结与展望

综上所述，肿瘤分子病理流行病学研究不仅可以确定以前未知的暴露类型与肿瘤发病风险、疾病进展的关系，还可以识别在某些行为或药物干预中获益的疾病亚型，从而发现可用于肿瘤风险评估、早期检测、预后和治疗的分子标志物。典型的分子病理流行病学研究是根据分子标志物探讨暴露因素与疾病发病风险的关系，现代分子病理流行病学则可通过分子病理学、免疫或微生物标志物解决传统“暴露-疾病”关系的潜在异质性问题，为不同的“暴露-疾病”关系病因和发病机制提供独特的见解，为早期发现、预防和治疗疾病提供了科学策略。目前，分子病理流行病学已成为流行病学研究领域中一个不断发展的热点领域。但是，分子病理流行病学研究也存在一定困难。首先，分子病理流行病学研究地开展离不开“大数据”的支持，这需要多方面努力实现肿瘤分子大数据库的建立和维护；其次，在研究疾病异质性时，不可避免地进行多次假设检验，将导致许多假阳性结果，因此，需要在分子病理流行病学研究中开发针对疾病异质性的独特统计方法［36-37］；第三，分子病理流行病学是多学科结合的研究领域，但目前却十分缺乏具有分子病理学、流行病学和生物统计学等多学科专业知识的研究人员。如来翀所说，我们有必要改造和重塑现有的学科构架，融合构建适合相关学科发展的交叉研究中心，吸引更多相关领域的研究人员共同合作，促进分子病理流行病学发展［38］。随着分子病理流行病学研究的发展及其在临床医学和人口健康科学领域中的应用，人类复杂疾病的异质性将更加得到重视、理解和认识，真正意义上推动精准医学实施，并为制定规范化和个体化的疾病防治策略提供科学依据。

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