精准医疗中的生物信息学方法及生物标记物的应用

刘瑶　王雪青

摘要：文章从三个方面阐述了基于生物信息分析方法的精准医疗。以美国TCGA项目为例，简要阐述了生物信息分析在精准医疗中的价值。最后阐述了生物标记物在精准医疗中的应用，重点在抗肿瘤领域的应用，以及生物标记物的分类和常用的生物制药技术。

关键词：精准医疗;生物信息学;生物标记物;抗肿瘤研究

1精准医疗的概述

2011年在美国国家科学院会议《迈向精准医疗：构建生物医学研究和知识网络和新的疾病分类体系》中第一次出现精准医疗（Precision Medicine）一词。指通过先进的生物蛋白质和基因组学等现代技术手段，精确地检测各种疾病及其早期治疗主要目标的具体靶点，同时针对相关疾病的不同表征和症状再对其进行精准地亚划分，旨在实现治疗特定人群和某一特殊疾病而进行有针对性的精准化治疗的主要目的，大大提高疾病的诊治和预防效益。

伴随着人类基因组计划测序完成，同时，个人基因组、肿瘤医学基因组朝着更加广泛多元化的数据密集型研究方向向前迈进，医学和生物技术领域的一个全新医学基础理论技术概念和全新医疗服务模式应运而生——“精准医疗”。精准医疗的一个基础理念就是实现个性化的精准医疗，凭借着我国现代生物基因组医学测序分析技术的飞速发展和现代大数据生命科学、生物信息学的广泛交叉综合运用，精准医疗快速地发展壮大起来。

2基于生物信息分析方法的精准医疗

2.1敏感性药物基因筛查

目前药物基因学检测常见方法有三种：荧光原位杂交法、实时荧光定量PCR以及基因测序法。荧光原位杂交法是利用荧光探针对药物或病毒基因进行检测。实时荧光定量PCR可以检测到药物中干扰性mRNA的表达，以此为依据来判别是否这些相关药物具有抑制作用。基因测序的技术是在进行基因组的生物学分析之前，先通过对个体全基因组进行测序，筛选出潜在的遗传性疾病和治疗药物蛋白的基因多态性。根据患者的个体差异引起的药物运载、结合目标靶点等不同而实现更为有效的精准治疗。

2.2个体潜在疾病和肿瘤筛查的精确诊断方式

随着测序技术的持续发展，大量常见和罕见的系统疾病分子标记物被确定，如阿尔茨海默症和帕金森症等。虽然疾病产生原因很多，但是对于分子标记物的识别和确定却是一种有效的手段，它们被认为是进行疾病准确诊断的一种重要手段之一。基因变异的检测技术是实施精准治疗的一个重要手段，临床肿瘤患者常用组织活检技术，但是检测结果不完全准确，并且假阳性率高达65%。与之相比，生物信息技术中进行基因检测能够把癌症的早期诊断时间提前至细胞的癌变阶段，为肿瘤的早期预防和治疗提供了基因层面的指南。

2.3组学检测技术在精准医疗中的应用

组学技术检测是精准医疗的一个核心内容，分为组织学、转录学、基因组学、蛋白质组学和代谢组学等多种研究方法。组学基因检测相关技术主要类型包括分子基因组学检测、基因编辑以及液体活检技术等。基因编辑技术特点是能够针对特定基因组位点进行靶向作用。基因编辑技术目前应用于干细胞疾病，如妇科恶性肿瘤等的治疗。目前，已经广泛应用于基因编辑的技术有CRISPR相关蛋白核酸酶、锌指核酸内切酶，以及传统的RNA干扰等。

2.4生物信息分析在精准医疗中的价值

生物信息学是一门利用计算机技术研究生物系统规律的学科，生物信息学的研究对象是各种各样的生物学数据，其研究工具是计算机，研究方法包括对生物学数据的查找搜索（收集和筛选）、处理（编辑、整理、管理和显示）及利用（计算、模拟）。如果将生物信息学运用于精准医疗领域，建立生物样本库和信息库，通过对海量数据的分析就能实现对疾病的精准评估，从而在疾病的监测预防和临床治疗两个领域都会取得突破。

以美国TCGA项目为例，该项目在顶级科学杂志Cell、Nature、Science上共发表上百篇研究中，约70%都是从肿瘤基因组进行信息学分析。由此我们可以看出，作为生物信息学一个重要分支的基因组信息学在肿瘤研究中所占据的地位至关重要。生物信息學技术在精准医疗领域的应用或许会引爆生命科学研究的时代性变革。

3精准医疗与生物标记物

“精准医疗”侧重点主要在于“精准”。精准医疗研究利用了先进的基因组学、蛋白质组学等前沿的生物信息学分析方法与科学技术，同时又充分地结合了先进的前沿医学技术，对一些较为重要的大型样本中特定人群分别进行了各种生物标记物的筛选、论证与综合运用，通过检测特定的标记物不同时期的实际情况，最终可以实现个性化的精准诊断。生物标记物（biomarker）是一种当有机体生理环境的稳态发生了某些自然变化，并随之改变产生的一种生物标记信号。

3.1生物标记物的分类

3.1.1传统的生物标记物及研究概况

传统生物标记物包括蛋白质、多肽、脂肪、激素、病原体核酸（通常作为活性样品）等分子。检测介质主要是人体头发、粪便、组织样品等。随着细胞治疗和肿瘤免疫治疗等新技术的提出，生物标志体系的主要研究目标及其思路，发生明显的改变，蛋白质及其表达已经成为目前世界主流的一种新型的生物标记物。

3.1.2新兴的循环生物标记物及研究概况

根据最新的研究成果，新兴循环微生物标记物既能被广泛地应用于人体内部的生殖系基因突变（germline muta-tion）的筛查，同时还被广泛地应用于体细胞突变（somaticmutation）的筛查。在外周的血液中同样能够检测到极微量的体细胞突变形成的肿瘤细胞内核酸。根据循环生物标记物的检查对象，可将其划分为三类。

（1）循环核酸（CNA）。存在于人体血浆或者是血清、脑脊液等各种体液中的细胞外核酸。能够对患者进行早期检测和诊断，并实时地监测疾病的发展进程，及时地跟进疾病的发展情况，能够有效评价治疗的实施结果。

（2）循环肿瘤细胞（CTC）。存在于人体外周血中的各种肿瘤细胞。CTC计数的检测结果与病人患者的死亡率之间具有很明显的密切相关。还广泛应用于药品筛选，实现精确、低价、高效治疗。

（3）外泌体（Exosome）。盘状囊泡，直径通常40～100nm，多种细胞可于正常或病理状态下产生外泌体。能够据此来评价早期患者肿瘤的负荷水平，准确地判断其进行免疫治疗的作用和效果。

3.2生物标记物在抗肿瘤领域的应用

精准医疗（precision medicine）在治疗恶性肿瘤领域中实际应用的成功典范之一便是基于生物标记物的药理抗肿瘤靶向诊断和治疗在我国得到广泛运用，使得某些恶性肿瘤病人5年内的生存率和疾病缓解率，均可以得到不同程度的改善。使用生物标记物检测患者肿瘤样本，紧接着制定合理的治疗方案，已逐渐成为主流的抗肿瘤治疗程序。虽然抗肿瘤靶向药物与前几年相比，疗效已经有了显著的改善，但是，实现真正的精准治疗仍有很长的路需要走，其中组织差异性是最大的瓶颈。细胞毒性等级化疗药物与其他靶向治疗药物联合应用，可以显著提高治疗效果。尤其是对于具有相对组织特异性效果的细胞毒类化疗药物来说，借鉴靶向药物的治疗方案，能够更加深入地探究其作用机制和效果。美国FDA已经应用了全新的临床药物评价方案，抗肿瘤药物的研发得以加速。建议研究机构在抗肿瘤药物研发的早期，加强与靶点相关联的信号通路的研究，精确筛选新药获益人群的生物标记物，从而加速抗肿瘤药物从临床试验阶段到获批上市的效率，可以挽救更多患者的生命。

精准医疗被看作下一代的诊疗科技，而且与传统的诊疗方式相比拥有巨大的优势。相比于一般的传统医学治疗方式和手段，精准的医学治疗拥有更高的诊断精准性和快捷性，一方面，基因测序仅仅需要患者提供一定量的血液或者唾液.而不用使用传统的生物学病理切片，进而大大降低了在诊断的过程中对于患者整个身体的影响，另一方面，借助于基因测序能够确定与癌症发生或突变的相关基因，进而精准用药，大大提升诊断效果和治疗效率。精准治疗的迅猛发展，将显著提高癌症病人的诊断效果与治愈率，能够优化医疗卫生发展模式，合理配置医疗资源，构建高效的现代医疗卫生服务体系。

3.3精准医疗领域的痛点

目前，精准医疗领域的一个重要痛点是数据分析技术缺少标准化。众所周知，由于生物测序设备、实验流程以及分析软件的不同，不同检测机构提供的测序结果差异较大。这时，标准正规化的生物信息学分析就显得尤为重要。CGAC（中国肿瘤基因图谱计划）项目的主要目的是建立肿瘤样本采集、运输、储存、检测、生物信息学分析和遗传咨询解读的标准化流程，形成行业标准或专家共识，以避免报告解读的差异化。该项目不仅可为业内专家在肿瘤精准医学诊断中提供辅助诊断，也可为制定基于NGS技术多基因panel的国家标准提供确实且详尽的科学依据。

4常用的生物制药技术

4.1细胞工程

细胞工程技术是一种廣泛地应用于人类细胞分子生物学和人类分子细胞生物学的基础理论和关键技术。它们能够帮助生产有用的或者微量的和体积小的生物细胞制品或者培养培育出有价值的原生动物或者植株，并且它们甚至能够帮助产生一个新的原生物种或者新的品系。通过这个大型细胞药物制剂生产工程，一方面能够极大地丰富细胞药物的生产数量和使用剂型，另一方面还能够极大地缩短细胞制药的生产周期，减少了大量人力和物力的浪费，因此对于大规模流程化的制药厂意义重大。

4.2基因工程技术

基因工程以分子遗传学作为基础，以分子生物学和微生物学为主要手段，将不同数量和类型的基因根据预先制定的蓝图，在体外直接构建一个杂种DNA分子，然后诱导其进入活细胞，以改变其生物体系中原有的遗传特征，从而取得新品种的遗传科学技术。基因工程技术主要运用到胰岛素及干扰素类药品制备中。基因工程技术已经应用于基因结构与其功能研究，并且为基因研究提供了强大的支持。人体内激素和活性因子通常是进行新陈代谢不可或缺的，通过基因工程技术，能够合成各种激素和活性因子。

5精准医疗产业发展前景

随着我国现代精准生物医药基础科学和工程技术的不断进步和快速发展，精准医疗产业现代化已经逐步发展并成为我们国家一项重大战略重点新兴产业的一个组成部分。从目前为止我国的精准诊断医疗技术领域和相关市场的产业结构发展情况分析来看，由于我国的精准临床诊断医疗技术产业发展较早，该技术发展已经较为成熟，在整个2015年我国的精准诊断医疗技术市场中约占据29.3%的市场份额，远远高于其在整个世界市场范围内的17%。

实现精准医疗健康产业发展的根本和关键在于合理地利用基因检测等新技术，目前我国地方政府对此的相关优惠政策也正在渐渐地放宽。在国家政策、科技、市场和经济发展需求以及社会资金等诸多重要影响因素的共同促进下，预计未来几年内我国作为全球性精准医学和设备制造行业的整体市场规模将持续保持平稳增长的良好态势，根据《对全球精准医学设备行业发展前景的预测与投资战略规划分析报告》中所提供的有关企业经营战略规划的统计资料，2021-2024年间预计我国精准医疗行业规模年均增速将保持在20%左右。业内人士保守分析估计，截至2024年年底，我国精准医疗行业的整体市场销售规模将可能达到1356亿元。随着近年来我国精准医疗市场、技术及企业信息化管理等领域技术不断成熟壮大并迅速发展，推动我国医学向精准医疗、个性化医疗方向发展将是我国精准医疗未来发展趋势。

作者简介：刘瑶（1999— ），女，汉族，河北保定人，本科，研究方向：生物与医药;王雪青（1999— ），男，汉族，河北廊坊人，本科，研究方向：生物与医药。