基因表达与癌症标志物研发推动个体化医疗
摘要
癌症治疗药物已经被广泛用于针对特异癌症组织或器官的细胞毒性药物。为了更好的理解在癌症进展和转移过程中潜在的致癌作用和细胞事件的分子机制，如今对那些分子事件的靶向治疗成为可能。靶向治疗可以在细胞水平鉴定相同癌症类型的癌症病人具有不同的基因缺陷，因而需要个性化治疗方法。癌症治疗开始稳固地从“一个配方治所有的病人”到更个性化的治疗转变，根据每个病人特异的基因突变来特异地治疗。个性化医疗需要鉴定相关指标和标记物来引导治疗决策使治疗效果更有效。癌症生物标记物经常被用来进行临床诊断和预后，同时也是鉴定有相应反应患者及预测癌症患者治疗反应。微阵列和测序技术的快速突破和发展可能是朝向“个性化-生物标记物驱动癌症治疗”或“个性化医疗”的时代的主要工具。在此篇文献中，我们的目标是提供最新的关于癌症生物标记物及其在个性化医疗中的作用的最新知识和概述，强调基因组学在对新的潜在靶向疗法的实施和新型癌症生物标志物的发展以提高癌症治疗的效果的作用。
介绍后基因组学进展强调导致癌症的特定分子事件，如DNA突变、基因扩增和染色体重组。新型癌症药物可能靶向特定分子事件或者特定细胞信号分子，产生空前的独特的抗癌活性。基因表达图谱已经被实施，以在普通癌症中进行辅助治疗。基因表达特征已经被实施，以在相关癌症中进行辅助治疗。因此，个性化方法已经代替“一种号码适合所有”的方法。
大规模平行测序的出现导致在通往“精准医疗”或“生物标记物-驱动抗癌治疗”道路上生物标记物的发现和临床试验设计的本质上的改变。相关文献已广泛地界定生物标记物地定义。Gallo等概述了大多数的概念，认为生物标记物为“任何可以在体内检测的，可能影响对任何疾病的发病率或结果的解释或预测的生物物质”。然而，存在有关条件的争论。因此，最近Gallo等报道了生物标记物的定义：“任何可以在生物标本测量的可能与健康-相关的结果有关的物质或分子”。我们认为这个定义太宽泛，应该也包括生物标记物与病人临床结果地特定关系。因此，更能被接受的更好的由生物标记物工作小组定义为“它是一种生物分子能评价为正常的生理，病理过程或对治疗干预的药物反应的指标”。这个定义，已经超过10年了，被认为是全面的，并且足够广泛，包括所有当前生物标记的应用。此外，生物标记可以在分子或细胞水平上定义（DNA，RNA，和蛋白质），利用生物标本（血浆、血清或尿）、组织或放射性进行评估。
因此，最近在个性化医疗方面的进展需要制定指标或标记，有助于选择合适的患者进行此类治疗，并且评估哪种疗法对患者来说是最有效的。基因组研究和在发现和验证新的生物标记物的广泛研究，以及靶向分子抗癌治疗的发展，可能是个性化医疗发展的关键基石。在个性化医疗和治疗中应用基因组医学的范例如图1所示。
生物标记物的术语，发现和应用癌症“肿瘤”是一种在细胞水平发生的DNA改变的疾病，这种改变在肿瘤中能够检测到。生物标记物可以被划分为三大类：例如，DNA生物标记物，DNA肿瘤生物标记物和一般的生物标记物。DNA指导细胞结构和功能需要的蛋白合成，因此DNA携带的基因编码信息必须稳定。DNA生物标记包括DNA序列水平的变化，如插入、删除、单核苷酸多态性（SNPs）和短串联重复序列。最常用的DNA改变类型是SNPs，对于大多数应用来说都是双等位基因，产生三种可能的基因型。
图1在个性化医疗和治疗中利用基因组学的范例
在个性化医学和治疗利用基因组学的范例，包括发现的基因改变参与癌症初发或进展，识别有前景的预测和预后标记物选择适当的抗癌治疗，最后的基于每个病人分子特征地个性化诊断和治疗。
不同于DNA生物标记，DNA肿瘤标记代表特定肿瘤的特异生物标记。这些生物标记可以被认为是一种强有力的工具来改善癌症治疗的结果，并减少癌症死亡率，当它们被正确地用于早期癌症检测和治疗策略选择或者识别可能对特定治疗作出反应的患者的亚组。此外，DNA肿瘤生物标记可用于预后或对患者整体预后的预测。另一方面，一般的生物标记可能不太针对特定的癌症；因此在治疗结果的预测或预后中使用较少。
预后生物标记在于预测疾病进程，而预测生物标记在于检测治疗反应。由于单臂研究的误导性结果，需要进行随机对照的数据，以明确识别和区分预测和预后生物标记物。
新的生物标记的发展涉及多个阶段，首先是在基础研究中被发现和临床前的探索，然后通过临床研究验证生物标记物以确定其潜在的无论是回顾性的还是前瞻性的评估发病能力，然后是临床实施。整个过程的目的是建立一个临床可靠的生物标志物来支持决策和改善病人的治疗结果。在无效或定义不明确的代理端点的基础上应用生物标记可能会导致无法达到所需的预测能力。另一方面，在以前的研究中，尽管使用了存档的标本进行了训练，但很少有预后基因-表达的特点得到验证。
Pepe等假定一种用于发现、评估和验证生物标记物的结构化相位模型，这类似于药物开发中使用的模型。该模型已被其他人进一步采纳和修改。结构化的相位模型包括五个阶段。在第一阶段，临床前研究是为了识别和探索潜在的生物标记物，而临床试验的验证则在第二阶段进行，以确定其潜在的能力来确立这种疾病。随后，回顾性和前瞻性研究分别在第三阶段和第四阶段进行。最后，癌症控制研究在第五阶段通过人口筛选进行。
标准化验证过程的缺乏是在个性化医疗实践中采用生物标记的最大挑战，这可能是由于肿瘤种类、治疗方法和测试过程本身的异质性。验证研究也受到许多因素的限制，例如小数据集、实现端点所需的长时间、统计错误、高成本以及回顾性分析中固有的偏差。新的生物标记测试可以在完成硬验证过程之前进行商业应用；尽管与新药物开发过程形成鲜明的对比，但这种模式可能存在。因此，在批准任何商业化药物之前，必须严格论证其效力和安全性。图2总结了在临床实践中从识别潜在的癌症生物标记物到实现癌症生物标记物的步骤。
图2在临床实践中识别和验证潜在的癌症生物标记物的步骤
从识别到实施癌症生物标记物的步骤包括：用于确定潜在癌症生物标记物的临床前研究、用于分析和验证候选生物标记物的分析研究、生物标记性能临床评估的验证研究、用于鉴定生物标记临床前检测能力的回顾性研究，以及最终，癌症控制研究，以评估人口中生物标志物的减少能力。
用于生物标记识别的技术高通量方法的快速发展使集成的组学技术得以实现，其中包括广泛的频谱平台，如基因组学、转录组学、蛋白质组学、表观基因组学和代谢组学分析。这些技术可以检测突变，基因图谱，小RNA，蛋白质表达模式，以及DNA甲基化和组蛋白修饰等表观遗传变化。人类基因组的第一稿在年2月已经完成，使用由Lander等人开发的毛细管测序技术。随后，根据焦磷酸测序、单分子实时技术或纳米孔技术（称为第三代测序），开发了其他测序平台。测序和基因组研究能够识别可能与癌症发生和进展有关的基因改变，以及患者对靶向治疗、生存和治疗结果的反应的可变性。基因组的改变也可以通过大规模的并行测序来检测。
基于蛋白质的技术包括质谱法、液相色谱法、串联质谱法、蛋白质阵列和抗体分析。蛋白质组学也在个性化医疗的发展中起着重要作用，它能检测出蛋白质生物标记物。蛋白质组学分析允许对与细胞反应相关的蛋白质表达变化进行定量和定性评估，从而为监测靶向治疗提供了非常有效的工具。
此外，转录因子分析检验基因表达的水平，代表基因活性。对基因表达谱的评估可以解释癌症进展的分子层面，因此可以将癌症患者的基因表达谱的相似性和变异作为潜在的生物标记。此外，微阵列也被用于评估基因表达谱，而RNA测序可以区分不同的亚型，为每个转录本提供单个的基本分辨率，并允许大范围的动态表达变化。
表观遗传变异，包括组蛋白修饰，染色体或DNA甲基化，在不改变DNA序列变化的情况下可能影响基因的表达模式。癌症细胞容易发生表观遗传变异。用于识别组蛋白修饰的技术包括DNA测序技术和DNA微阵列，再加上染色质免疫沉淀，而DNA甲基化状态可以通过亚硫酸盐处理和测序来确定。表观遗传因素已被当做是某些癌症的生物标记。例如，被选定的基因的甲基化特征，如非小细胞肺癌（NSCLC）ALX1和前列腺癌RASSF1A的甲基化特征，可以用来预后，并与患者的无复发存活率相关联。此外，组蛋白修饰剖面分析还揭示了肿瘤转移和浸润性的联系。综合“组学”分析能更好地理解癌症发展中的关键分子，并能识别预后和预测癌症生物标志物，以便更好地评估和跟踪癌症患者。
利用生物标记物实施个性化医疗对于癌症患者的传统临床治疗方法，选择适当的化疗主要是基于肿瘤的组织病理评估和肿瘤产生的主要器官。分子上，肿瘤发生涉及到大量基因异常和畸变。相关机制，如致癌基因，存在于所有肿瘤类型中。到年，已经有超过篇关于癌症生物标志物的研究论文发表。生物标记的利用对于早期诊断、病人分型、分期、预后以及药物疗效、毒性和疾病风险的评估都是至关重要的。理想情况下，生物标记应该是特定的和灵敏的，它们的浓度与肿瘤负荷成正比，以反映疾病临床阶段及病人对治疗的反应。
生物标记主要被归类为预测和预后标志，尽管一些生物标记可能同时应用于这两个目的，例如MGMT启动子的甲基化作用和循环肿瘤细胞（CTCs）。遗传变异和特定的多态性可能会导致对某些类型的癌症的易感性，以及对某些治疗的反应。对这些多态性的识别可以为合适的病人使用适当的治疗方法，从而加速个性化医疗时代。根据基因分析选择靶向治疗携带特定基因畸变患者的潜在的成功治疗结果至关重要。
“组学”技术的出现，如基因组学、表观基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学，可能是发现癌症患者的新型预后和预测生物标志物的主要来源。此外，对这些生物标记物的验证将为个性化医疗铺平道路。表1列出了目前可用的预后生物标记物，而选择癌症的预测生物标志物及其临床效用和意义则在表2中进行了总结。
预后生物标记预后生物标志物被用于监测癌症治疗，评估癌症等级，并检测单个患者的疾病缓解或复发的发生率。通过确定编码蛋白质的基因或DNA甲基化的改变、多态性的存在，或发现小RNA（miRNAs）或CTCs，可以将预后生物标记与特定类型的癌症联系起来。DNA修复中涉及到编码蛋白的基因突变，如乳腺癌1基因（BRCA1）、乳腺癌2基因（BRCA2）、TP53和毛细血管扩张性共济失调突变（ATM），使患者面临更高的乳腺癌风险。这些基因的畸变可以遗传。例如，一个等位基因中的BRCA2突变会损害BRCA2蛋白质的合成，并破坏修复系统。因此，携带上述基因改变的个人有患乳腺癌的风险，并且应该定期进行检查。另外，在编码谷胱甘肽-S-转移酶（GSTP1和GSTM1）的基因中发生突变和前列腺特异抗原基因GA多态性可能会增加前列腺癌的风险。在基因编码的腺瘤性结肠息肉病（APC）中携带组成型突变的个体，有家族性腺瘤性息肉病的风险，这是一种常染色体显性遗传病，其特征是息肉和肠道癌的可能性增加，如结肠直肠癌（CRC）。
通过全基因组关联研究和发现各种药物遗传生物标记物，可以快速发现复杂遗传性疾病的发病机制中的基因突变。使用MammaPrintSymphony基因表达分析是发现乳腺癌预后标志的另一个例子。一个70个基因的小组可以对肿瘤的过程进行动态的评估，根据高或低的复发风险对病人进行分类。与分子亚型一起，这些分析所产生的信息使肿瘤学家能够选择适当的化疗和激素疗法。Nguyen等人比较了基于微阵列的印迹测试和癌症亚型的临床评估，并评估了乳腺癌患者的治疗反应。他们报告说，在接受治疗之前，乳腺癌患者的BCL2、GRB7、KRT6B、KRT17和CDH3的表达水平差异可以预测结果。考虑到分析基因表达对治疗反应预测的优势，印迹测试显示了癌症治疗个性化的价值以及应用疗法可能带来的好处的评估。
表1选定癌症的预后生物标志物，它们的临床效用和意义
癌症
生物标志物
临床效用和意义
乳腺癌
PR
PR阳性比PR阴性患者存活率更高
ER
ER阳性比ER阴性患者生存更好
BRCA1
高BRCA1表达对未经治疗的患者的预后更差
HER2
HER2-阳性肿瘤患者比HER2阴性的患者的预后更差，癌症更有浸润性
MammaPrint
一种70基因的分析方法用于将患者分为高或低风险复发的人群
安可待
用于确定复发分数的21基因多元分析
结肠直肠癌
CEA
血清水平升高与患者预后不良有关
18染色体LOH
与患者的转移和预后不良有关
前列腺癌
BRCA2
携带BRCA2突变的患者癌症风险增加和预后不良
CTCs
外周血增加的CTCs与预后不良相关
PSCA
高PSCA表达与较高的阶段、转移和预后不良相关
uPA
升高的血清水平和增加的uPA表达与前列腺癌骨转移相关
非小细胞肺癌
BRCA1
高的brca1表达在未经治疗的病人中赋予更坏的预后
TP53
高TP53的表达表明未处理病例的预后不良
KRAS
KRAS突变与预后不良，更糟糕的整体存活率，以及较短的无病存活率相关
RRM1
在未接受治疗的患者中，较高的RRM1表达，赋予更好的预后
注：BRCA1，乳腺癌1基因；BRCA2，乳腺癌2基因；CEA，癌胚抗原；CTC，循环肿瘤细胞；EGFR，表皮生长因子受体；ER，雌激素受体；GIST，胃肠道间质肿瘤；HER2，人类表皮生长因子受体2；KRAS，Kirsten鼠肉瘤病毒致癌基因；LOH，杂合性丢失；OS，整体存活率;公关,孕激素受体；PSCA，前列腺干细胞抗原；RRM1，核糖核苷酸还原酶信使1；uPA,urokinase-type尿激酶型纤溶酶原激活物。
表2选定的癌症的预测生物标记物，它们的临床效用和意义
癌症
生物标记物
临床效用和意义
乳腺癌
PR
高PR表达预测对它莫西芬治疗的有益反应
ER
高细胞ER表达预测淋巴结阴性患者受益于基于它莫西芬的化疗
BRCA1
高BRCA1表达预示对化疗有反应
HER2
HER2过表达预示对曲妥单抗作为辅助治疗或在癌细胞转移情况中有反应
Akt激酶异构酶
在HER2阳性转移性癌症患者中，Akt激酶异构酶和活动预测对根据曲妥单抗治疗有反应
结肠直肠癌
18染色体LOH
预测5-FU辅助化疗的益处
EGFR1
EGFR1扩增预测对抗EGFR1抗体疗法的反应
KRAS
KRAS突变反向预测对EGFR靶向治疗的益处
非小细胞肺癌
BRCA1
高BRCA1表达预测对化疗的抗性
TP53
高TP53表达对顺铂的敏感性；TP53突变预测对顺铂的抗性
KRAS
KRAS突变预测在早期疾病中缺乏对辅助化疗的反应以及在晚期疾病中对EGFR靶向或TKI的治疗的耐药性
注：BRCA1，乳腺癌1基因；EGFR1，表皮生长因子受体1；ER，雌激素受体；5-FU，氟尿嘧啶；HER2，人类表皮生长因子受体2；KRAS，Kirsten鼠肉瘤病毒致癌基因；LOH,杂合性丢失；PR，孕激素受体；TKI，酪氨酸激酶抑制剂。
此外，miRNA分子的存在可能与某些类型的癌症相关，如肝细胞癌（HCC），可作为多发性骨髓瘤和肾细胞癌的预后生物标志物。有意思的是，miR--3p过表达导致细胞周期阻滞和抑制癌细胞的迁移，从而使CRC患者的无病生存得到更好的预后。
DNA甲基化的改变也可以被认为是一个很好的预后标志。超甲基化可能阻断癌症组织中致癌基因或肿瘤抑制基因的启动位点，从而导致基因表达或改变的丧失。
此外，在血液中出现的CTCs也可能被认为是预后因素。来自肿瘤的细胞在经过血管床和血管壁后，可能会被释放到血液循环中。Chang等人报道，与血管壁和血液接触的每克肿瘤细胞中，大约有个肿瘤细胞每克肿瘤重量被释放或与肿瘤肿块分离。据推测，在周围血液中，CTCs的存在与其他组织中发生的转移和继发性肿瘤呈密切正相关。因此，每10毫升血液中少量CTCs甚至一个细胞的存在可能预示着预后不良。
预测生物标志物预测生物标志物在提供有关给定治疗的预期和可能反应的数据方面起着重要作用。此外，它们可能有助于巩固对给定疗法的决策。柯尔斯顿大鼠肉瘤病毒致癌基因（KRAS）基因突变是在癌发生过程中很早就发生的一种改变。最早支持KRAS突变与结肠直肠癌进展之间关系的报道发表于年。KRAS基因在密码子12和13中的突变状态被记录为对CRC进展患者的靶向治疗能力评估的预测标记之一，当使用西妥昔单抗或panitumumab作为治疗单克隆抗体时。这些单克隆抗体针对的是表皮生长因子受体（EGFR），直接作用于细胞外域。EGFR级联通过信号分子，包括MAPK、PIK3和JAK/STAT来提高CRC细胞的生长和存活。靶向治疗的实施会抑制肿瘤细胞的进展和提高细胞凋亡率。相反，在KRAS基因的12或13密码子处没有突变是一种有益的正向预测生物标记。值得注意的是，在KRAS12和13密码子处没有突变的患者表现出EGFR表达的增加，可能对上述治疗没有或是更坏的反应，尤其是如果在KRAS61或密码子处也携带有突变，或者是BRAF基因的突变。
ERCC1是一种编码DNA修复的必需蛋白质的基因，它是对肝脏和肺癌靶向治疗反应的另一种预测生物标记。据报道，高ERCC1表达与HCC患者和NSCLC患者的顺铂耐药性相关。此外，mTOR和c-erb-B2的过度表达可能表明，由于这些基因存在于肝脏致癌性中，肿瘤具有浸润性。
此外，CTCs也可以被认为是一种有价值的预测工具。在治疗过程中，在治疗前及在治疗后，不同的时间点检测CTCs，可以预测治疗结果。对CTCs的分子描述将有助于预测治疗的反应，正如Reinholz和他的同事所证明的那样。他们报告说，来自于转移性乳腺癌患者CTCs中乳腺蛋白1的mRNA表达降低，可能有助于预测患者对癌症治疗的反应。
常见癌症中的基因表达特征和应用对致癌和癌症特征的全面了解越来越重要。在过去的十年中，大规模的系统测序工作已经实施。癌症基因组图谱和国际癌症基因组联盟为研究人员和肿瘤学家提供了更深入的研究，以了解癌症的复杂性。特别地，基因组、转录和表观基因组畸变的混合，与致癌作用有关。尽管癌症基因组很复杂，但实体肿瘤，如乳腺癌、结肠癌、前列腺癌和肺癌，可能是由一些突变引起的，同样，血液恶性肿瘤可能是由更少的突变引起的。来自同一组织的癌细胞具有不同的分子特征，因此，这些差异可以应用于临床预后，并指导适当的治疗。DNA微阵列的利用已经使人们对癌症细胞的转录活动有了全面的了解。此外，癌症细胞的分子特性将使癌症的新潜在目标得以实现，并开发新的治疗方法和癌症生物标记物来监测癌症治疗的有效性。最近，大量关于乳腺癌、结肠癌、肺癌、卵巢癌和肾癌等癌症的基因组报告已经发布。他们的目标是确定可能有潜在目标或与耐药性相关的基因组改变，从而进行个性化的癌症治疗。最好的例子是关于乳腺癌基因组的研究，它确定了乳腺癌的具体分子改变的潜在靶标。携带与DNA修复相关基因突变的女性，如BRCA1和BRCA2，患乳腺癌的风险更高。
miRNA表达图谱在过去的十年中，miRNA已经引起了极大的白癜风专科医院咨询中科白癜风医院善行天下
转载请注明：http://www.makingchance.com/jbzd/3587.html
