癌症生物标记物和个体化医疗

窦雪琳，白春梅

中国医学科学院　北京协和医学院　北京协和医院肿瘤内科，北京 100052



癌症生物标记物和个体化医疗

窦雪琳，白春梅

中国医学科学院北京协和医学院北京协和医院肿瘤内科，北京 100052

摘要：癌症生物标记物的发展引领癌症的诊治从最早基于肿瘤类型进行治疗，已过度到基于分子靶点开展治疗的新纪元，后者也标志着个体化治疗的开端。每一个癌症个体的分子信息都是独特的，真正的个体化治疗应该着重于个体的分子信息特征，用以指导临床决策。

关键词：个体化医疗；癌症生物标记物；非小细胞肺癌；异体肿瘤移植

ActaAcadMedSin，2015,37(1)：113-117

癌症生物标记物的发展最早始于M蛋白的发现，但直到1965年发现癌胚抗原[1]，才正式拉开包括糖链抗原(carbohydrate antigen，CA)系列在内的肿瘤特异性抗原(tumor specific antigen，TSA)研究的序幕，然而其中只有前列腺特异性抗原(prostate specific antigen，PSA)成为了最特异的癌症生物标记物，并成为唯一一个被写入美国国立综合癌症网络(National Comprehensive Cancer Network，NCCN)指南、可作为肿瘤早期筛查指标的TSA[2]。

1990年以前，不同肿瘤类型的治疗主要基于患者个体的临床病理类型、疾病分期和可选用的细胞毒药物，癌症治疗还处于探索水平，亦无从讨论个体化癌症医疗(personalized cancer medicine，PCM)。到了20世纪末，分子靶向药物占领了癌症研究的主战场，成功研发的新药不胜枚举，例如：曲妥珠单抗(trastuzumab)、威罗菲尼(vemurafenib)、克唑替尼(crizotinib)分别在人表皮生长因子受体- 2(human epidermal growth factor receptor- 2，HER- 2)阳性的乳腺癌[3]、进展性BRAF突变的黑色素瘤[4]、存在间变性淋巴瘤激酶(anaplastic lymphoma kinase，ALK)基因重排的非小细胞肺癌[5]患者中取得突破性治疗进展。靶向药物的靶点基因测序目前已成为临床工作中重要的一部分，也是癌症生物标记物重要的发展部分。

分子靶向药物的发展和广泛使用，使得携带不同分子信息亚组的患者得以接受有效的治疗，一些学者将此称作PCM的开端[6]。但仅根据分子亚组进行治疗，而非患者个体进行治疗的医学只能称之为“分层医学(stratified medicine)”[7]。近年来，第2代测序(next-generation sequencing，NGS)、肿瘤异种移植模型(patient-derived xenografts，PDX)等概念的提出，将癌症标记物带入了新的PCM时代。本文总结了癌症生物标记物的定义及分类，并以非小细胞肺癌为例，介绍了临床现有的、得到指南推荐的标记物和治疗方法以及目前正在发展的、前景良好的标记物，最后讨论了个体化治疗的概念及目前正在进行的预实验。

癌症生物标记物的定义、分类和举例

截至目前，关于癌症生物标记物的定义和分类并无统一的观点。综合美国国立卫生研究院癌症研究所、生物标记物联合会和世界卫生组织关于生物标记物的定义[8]，笔者认为可将癌症生物标记物定义为可从人体(包括血液、体液和组织)获得或测量的，能反映癌症病理过程或预测治疗效果的客观指标。

关于癌症生物标记物的分类亦有多种方式，NCCN于2011年发布补充说明将分子标记物分为：(1)诊断标记物：如临床症状符合诊断标准的患者出现费城染色体可确诊慢性粒细胞白血病；(2)预后标记物：如某些肿瘤患者中存在p53突变者预后更差；(3)预测标记物：如HER2阳性患者对曲妥珠单抗治疗反应较好；(4)联合诊断标记物：该标记物可以是诊断性、预后性或预测性的，但需有前瞻性试验证明该标记物提示某亚组患者可从某种治疗中获益，如只有存在BRAFV600突变的患者才可从威罗菲尼治疗中获益[2]。但除了NCCN的分类方法，目前亦存在根据标记物的化学组成及获取方式对其进行分类的方法。综上，癌症标记物可按以下3种情况分类：(1)疾病状态：诊断生物标记物、预后生物标记物、预测生物标记物和联合诊断生物标记物；(2)生物分子结构：蛋白质生物标记物、DNA生物标记物和RNA生物标记物；(3)其他：图像生物标记物、病理生物标记物和生物信息生物标记物。

非小细胞肺癌常用指导靶向治疗的分子标记物

近年来靶向治疗的迅速发展，改变了非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer，NSCLC)患者的治疗策略，现有的和将来可能用于临床的肺癌生物标记物有以下几种。

现有的生物标记物对NSCLC患者首先应根据形态学及免疫组织化学标记物，如：甲状腺转录因子- 1(thyroid transcription factor- 1，TTF- 1)为腺癌标记物、突触素/CD56为神经内分泌癌标记物，进行组织学分型。目前NCCN指南已标化了肺腺癌及含有腺癌成分的混合型肺癌患者的表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)突变和ALK基因重排检测[9]。

预测EGFR-TKI治疗反应的生物标记物：EGFR酪氨酸激酶域18- 21号外显子的激活突变和EGFR-TKI有效的治疗反应密切相关[10- 11]。这些突变发生于10%白种人和30%亚洲肺腺癌患者中，其中90%突变为外显子19的框内缺失和外显子21的L858R点突变。

预测ALK抑制剂治疗反应的生物标记物：4%肺腺癌患者存在ALK重排，这些患者通常的临床特点为病情进展迅速、年轻、无吸烟史[12]。大多数ALK重排发生在染色体2p上中间缺失和反转，形成EML4-ALK融合基因产物，该产物可被ALK小分子抑制剂有效抑制[5]。

尚未标化的生物标记物

EGFR-TKI耐药临床检测：EGFR-TKI抵抗主要有原发和继发2种类型：原发耐药是指存在在EGFR信号瀑布(KRAS、HER2、BRAF、PI3K、LKB1、SHP2)中，与EGFR突变相排斥的体突变；继发耐药的原因包括EGFR T790M扩增(50%)、HER2扩增(12%)、MAPK1扩增(5%)，PIK3CA扩增(5%)、MET扩增(4%)、SCLC转型(6%)及其他未知原因(15%)[13]。其中值得注意的是，在继发突变中最常见的T790M突变是由于核苷酸2369发生了1个碱基替换(C→T)[14]，该突变存在是由于原先含有对EGFR-TKI敏感突变的等位基因发生了第2次突变，而在治疗前标本中很少找到该突变，且该突变的出现常呈现家族聚集的肺癌病例中。CAP/IASLC/AMP指南强烈推荐针对该突变进行检测[15]。而针对MET基因扩增导致的获得性突变，目前正有关于MET激酶受体的靶向新药的临床试验在进行，但罗氏公司在2014年3月3日宣布其MET受体的靶向单抗新药onartuzumab的Ⅲ期临床试验失败。不管是MET还是HER2或其他继发的基因扩增，目前均无指南推荐。此外，一部分接受EGRF-TKI治疗的肺腺癌患者的耐药机制为发生形态学转换，成为小细胞肺癌或肉瘤样癌[16]，因此，对于EGFR-TKI治疗后发生耐药的患者可再次进行活检，并对肿瘤的形态学和基因型进行研究。

ALK抑制剂抵抗的临床检测：关于ALK抑制剂的继发突变和融合基因扩增导致的耐药也有报导，但目前并没有证据支持任何一种突变的常规检测。

其他的生物标记物

ROS1：2%的年轻、非吸烟肺腺癌患者中可发现包含ROS1基因在内的染色体重排。有研究证实，ALK/MET抑制剂克唑替尼对ROS1重排肺腺癌有效[17]。虽然目前尚无指南推荐临床检测ROS1重排，但随着其商业化荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization，FISH)探针的研发，在可预见未来内，FDA有望批准在ROS1基因重排患者中使用克唑替尼[13]。

RET：1%的年轻、非吸烟肺腺癌患者中可发现RET重排。以往研究发现，RET融合基因与散发的及放射线诱导的甲状腺乳头状癌相关。体外细胞实验显示，有乳腺癌或纵隔淋巴瘤行放疗治疗史的患者与RET重排相关[18]。目前临床上靶向抑制RET激酶活性的TKI，如舒尼替尼(sunitinib)、索拉非尼(sorafenib)等，也为临床医生提供了治疗选择。

肺癌的未来生物标记物检测方法——NGSNGS目前已开始应用于临床实验室。在肿瘤学领域内，NGS被用于检测个体是否存在癌症相关的基因，这些基因可以是诊断性或治疗性的，也被用于预测靶向治疗药物的治疗反应[19]。NGS可以利用福尔马林固定石蜡包埋的组织、新鲜获取的组织及细针穿刺的组织进行[20]。测序的排列可使用商品化排列，目前的商品化排列能提供与50种肿瘤相关的数千种突变测序，也可使用自定义排列。NGS可进行全基因组及外显子测序、转录组测序(mRNA测序)和多基因排列目标测序，可对数千到数百万个短核苷酸序列进行大规模平行测序。相比传统的测序方法(如桑格测序)，其优点突出：可进行更大范围的测序，成本相对较低，敏感度较高，测序时间周期缩短。随着NGS的发展，更多的肺癌相关肿瘤标记物会进入临床应用。

PCM

由于目标群体是具有某一种基因表型的亚组人群，目前发展较快的、根据匹配的生物标记物来选取特殊的分子靶向药物进行治疗的过程，仅能被定义为分层医学。PCM为更进一步的治疗方法，针对每一个患者复杂的分子信息采取合适的治疗办法[7]，从这个意义上说，目前NGS的开展、全球开展的癌症基因组图谱(Cancer Genome Atlas)强调通过更完善的基因组分析了解癌症的分子基础[21- 22]的研究，也标志着PCM的开端。癌症患者的PCM可体现在疗效评估、信息分析和治疗选择上。

疗效评估目前公认的标准疗效评估办法为实体肿瘤疗效评价标准(Response Evaluation Criteria in Solid Tumors，RECIST)标准[23]，但其只关注影像学上部分病变横径的变化，忽略每一个病变及代谢活性或生长动力学的变化。Von Hoff等[24]为了观察分析分子信息(molecular profiling，MP)的有效性，在发生了难治性转移癌症的患者中进行测序，寻找分子靶点，并采用相应的分子靶向药物治疗，最终结果分析中，在RECIST标准的基础上，他采用患者接受分子靶向药物后无进展生存(progression free survival，PFS)时间和接受之前最后一次PFS时间的比率作为观察终点，证实了MP可以为患者带来更长的PFS获益。此外，有意大利学者设计了计算模型来分析肿瘤的生长速率和RECIST标准之前的关系，结果显示二者之间并无关联，RECIST标准并不能反映肿瘤的生长动力学[25]。上述研究的缺陷是都没有设立对照组，且实验结论都建立在一定的假设前提基础上。虽然目前尚无系统性的临床试验来评估RECIST标准的有效性，但研究者仍在不断试图采用其他指标来评估癌症治疗前后的病情变化。

信息分析前已述及，包括多种新型测序方法和基因组分析项目在内的研究均旨在更全面地掌握患者的分子生物学信息，从而选取有效的治疗办法。MD Anderson癌症中心在2012年发表了名为PCM的Ⅰ期临床试验结果，试验共纳入1144名包括黑色素瘤、甲状腺癌、结直肠癌、肺癌、胰腺癌、乳腺癌、泌尿系、妇科、头颈部肿瘤等患者，分析了包括PIK3CA、BRAF、KRAS、NRAS、EGFR、KIT、GNAQ、TP53、MET 和RET 在内的分子信息，其中共有460名患者存在1个以上突变，175名患者接受了匹配的靶向治疗，结果证实靶向治疗组患者的治疗失败时间(time-to-treatment failure，TTF)及总生存(overall survival，OS)均优于非匹配组[26]。目前综合多国家研究的基因组计划，如1000个基因组工程[27]、癌症基因组图谱[21- 22，28]、国际癌症基因组联合会[29]，以及一些公共资源，如癌症体突变目录[30]和癌症药物敏感性基因组学[31]等，均致力于获得关于人类癌症更全面的分子生物学信息以指导个体的诊治。

治疗选择异体肿瘤移植通过移植患者的肿瘤样本至免疫抑制的小鼠中，再现能保持原分子特性的肿瘤模型。现已证实，这些模型能够有效再现癌症患者体内肿瘤的生物学特性，从而指导PCM[32- 34]。一项预实验纳入了14例难治性进展性癌症患者，采用小鼠肿瘤模型寻找有效的治疗办法，共使用了63种药物，232种治疗方案。其中12例患者找到了有效的治疗办法(1例在接受治疗前死亡)，剩余11例接受了17种前瞻性治疗，15种治疗方法获持续部分缓解(partial remission，PR)。值得注意的是，其中1例晚期胃食管腺癌、肝脏和肺脏转移的患者根据在小鼠模型中实验的方法采用了伊立替康-贝伐珠单抗-西妥昔单抗进行治疗，结果获得了持续14个月的PR，而一般临床实践并不推荐西妥昔单抗和贝伐珠单抗合用[33，35]。虽然目前现有的小规模预实验前景看上去非常好，但关于PDX过程中存在的移植失败、标本取样、种属异质性和资金问题都不容忽视，目前还缺乏大规模的多中心临床研究证实其有效性。

综上，随着癌症生物标记物的不断发展、人类对生物信息的不断认识以及新的治疗手段的开展，肿瘤的研究和治疗将最终进入个体化医疗的时代。

参考文献

[1]Gold P，Freedman SO. Demonstration of tumor-specific antigens in human colonic carcinomata by immunological tolerance and absorption techniques[J]. J Exp Med，1965，121(3)：439- 462.

[2]Kawachi MH，Bahnson RR，Barry M，et al.NCCN clinical practice guidelines in oncology：prostate cancer early detection[J]. J Natl Compr Canc Netw，2010，8(2)：240- 262.

[3]Ross JS，Slodkowska EA，Symmans WF，et al.The HER- 2 receptor and breast cancer：ten years of targeted anti-HER- 2 therapy and personalized medicine[J]. Oncologist，2009，14(4)：320- 368.

[4]Chapman PB，Hauschild A，Robert C，et al. Improved survival with vemurafenib in melanoma with BRAF V600E mutation[J]. N Engl J Med，2011，364(26)：2507- 2516.

[5]Kwak EL，Bang YJ，Camidge DR，et al.Anaplastic lymphoma kinase inhibition in non-small-cell lung cancer[J]. N Engl J Med，2010，363(18)：1693- 1703.

[6]Wistuba II，Gelovani JG，Jacoby JJ，et al. Methodological and practical challenges for personalized cancer therapies[J]. Nat Rev Clin Oncol，2011，8(3)：135- 141.

[7]De Mattos-Arruda L，Rodon J. Pilot studies for personalized cancer medicine：focusing on the patient for treatment selection[J]. Oncologist，2013，18(11)：1180- 1188.

[8]Mishra A，Verma M.Cancer biomarkers：are we ready for the prime time[J]. Cancers(Basel)，2010，2(1)：190- 208.

[9]Ettinger DS，Akerley W，Borghaei H，et al.Non-small cell lung cancer，version 2.2013[J]. J Natl Compr Canc Netw，2013，11(6)：645- 653.

[10]Pao W，Miller V，Zakowski M，et al. EGF receptor gene mutations are common in lung cancers from “never smokers” and are associated with sensitivity of tumors to gefitinib and erlotinib[J]. Proc Natl Acad Sci USA，2004，101(36)：13306- 13311.

[11]Lynch TJ，Bell DW，Sordella R，et al.Activating mutations in the epidermal growth factor receptor underlying responsiveness of non-small-cell lung cancer to gefitinib[J]. N Engl J Med，2004，350(21)：2129- 2139.

[12]Rodig SJ，Mino-Kenudson M，Dacic S，et al.Unique clinicopathologic features characterize ALK-rearranged lung adenocarcinoma in the western population[J]. Clin Cancer Res，2009，15(16)：5216- 5223.

[13]Dacic S，Nikiforova MN. Present and future molecular testing of lung carcinoma[J]. Adv Anat Pathol，2014，21(2)：94- 99.

[14]Pao W，Miller VA，Politi KA，et al. Acquired resistance of lung adenocarcinomas to gefitinib or erlotinib is associated with a second mutation in the EGFR kinase domain[J]. PLoS Med，2005，2(3)：e73.

[15]Lindeman NI，Cagle PT，Beasley MB，et al.Molecular testing guideline for selection of lung cancer patients for EGFR and ALK tyrosine kinase inhibitors：guideline from the College of American Pathologists，International Association for the Study of Lung Cancer，and Association for Molecular Pathology[J]. J Thorac Oncol，2013，8(7)：823- 859.

[16]Sequist LV，Waltman BA，Dias-Santagata D，et al. Genotypic and histological evolution of lung cancers acquiring resistance to EGFR inhibitors[J]. Sci Transl Med，2011，3(75)：75ra26.

[17]Yasuda H，de Figueiredo-Pontes LL，Kobayashi S，et al. Preclinical rationale for use of the clinically available multitargeted tyrosine kinase inhibitor crizotinib in ROS1-translocated lung cancer[J]. J Thorac Oncol，2012，7(7)：1086- 1090.

[18]Suzuki M，Makinoshima H，Matsumoto S，et al. Identification of a lung adenocarcinoma cell line with CCDC6-RET fusion gene and the effect of RET inhibitorsinvitroandinvivo[J]. Cancer Sci，2013，104(7)：896- 903.

[19]Vignot S，Frampton GM，Soria JC，et al.Next-generation sequencing reveals high concordance of recurrent somatic alterations between primary tumor and metastases from patients with non-small-cell lung cancer[J]. J Clin Oncol，2013，31(17)：2167- 2172.

[20]Hadd AG，Houghton J，Choudhary A，et al.Targeted，high-depth，next-generation sequencing of cancer genes in formalin-fixed，paraffin-embedded and fine-needle aspiration tumor specimens[J]. J Mol Diagn，2013，15(2)：234- 247.

[21]Cancer Genome Atlas Network. Comprehensive molecular portraits of human breast tumours[J]. Nature，2012，490(7418)： 61- 70.

[22]Cancer Genome Atlas Research Network. Comprehensive genomic characterization defines human glioblastoma genes and core pathways[J]. Nature，2008，455(7216)：1061- 1068.

[23]Eisenhauer EA，Therasse P，Bogaerts J，et al. New response evaluation criteria in solid tumours：revised RECIST guideline(version 1.1)[J]. Eur J Cancer，2009，45(2)：228- 247.

[24]Von Hoff DD，Stephenson JJ Jr，Rosen P，et al.Pilot study using molecular profiling of patients’ tumors to find potential targets and select treatments for their refractory cancers[J]. J Clin Oncol，2010，28(33)：4877- 4883.

[25]Gomez-Roca C，Koscielny S，Ribrag V，et al.Tumour growth rates and RECIST criteria in early drug development[J]. Eur J Cancer，2011，47(17)：2512- 2516.

[26]Tsimberidou AM，Iskander NG，Hong DS，et al.Personalized medicine in a phase Ⅰ clinical trials program：the MD anderson cancer center initiative[J]. Clin Cancer Res，2012，18(22)：6373- 6383.

[27]Mills RE，Walter K，Stewart C，et al.Mapping copy number variation by population-scale genome sequencing[J]. Nature，2011，470(7332)：59- 65.

[28]Cancer Genome Atlas Research Network.Integrated genomic analyses of ovarian carcinoma[J]. Nature，2011，474(7353)：609- 615.

[29]International Cancer Genome Consortium，Hudson TJ，Anderson W，et al.International network of cancer genome projects[J]. Nature，2010，464(7291)：993- 998.

[30]Forbes SA，Bhamra G，Bamford S，et al.The catalogue of somatic mutations in cancer(COSMIC)，in current protocols in human genetics[M]. UK：John Wiley & Sons，Inc，2001.

[31]McDermott U，Sharma SV，Dowell L，et al.Identification of genotype-correlated sensitivity to selective kinase inhibitors by using high-throughput tumor cell line profiling[J]. Proc Natl Acad Sci，2007，104(50)：19936- 19941.

[32]Bertotti A，Migliardi G，Galimi F，et al.A molecularly annotated platform of patient-derived xenografts(“xenopatients”)identifies HER2 as an effective therapeutic target in cetuximab-resistant colorectal cancer[J]. Cancer Discov，2011，1(6)：508- 523.

[33]Hidalgo M，Bruckheimer E，Rajeshkumar NV，et al.A pilot clinical study of treatment guided by personalized tumorgrafts in patients with advanced cancer[J]. Mol Cancer Ther，2011，10(8)：1311- 1316.

[34]Kabos P，Finlay-Schultz J，Li C，et al.Patient-derived luminal breast cancer xenografts retain hormone receptor heterogeneity and help define unique estrogen-dependent gene signatures[J]. Breast Cancer Res Treat，2012，135(2)：415- 432.

[35]Tol J，Koopman M，Cats A，et al.Chemotherapy，bevacizumab，and cetuximab in metastatic colorectal cancer[J]. New Engl J Med，2009，360(6)：563- 572.

·综述·

Cancer Biomarkers and Personalized Cancer Medicine

DOU Xue-lin，BAI Chun-mei

Department of Medical Oncology，PUMC Hospital，CAMS and PUMC，Beijing 100052，China

Corresponding author：BAI Chun-meiTel：010- 69158315，E-mail：baichunmei196403@aliyun.com

ABSTRACT：The development of cancer biomarkers has brought the treatment of cancer from the tumor type-based to molecular target-based，and the latter marks the introduction of personalized cancer medicine(PCM). However，each individual tumor has unique molecular information，and the real PCM should be focused on single individuals and their specific molecular identities.

Key words：personalized cancer medicine；cancer biomarker；non-small cell lung cancer；patient-derived xenografts

收稿日期：(2014- 04- 28)

DOI：10.3881/j.issn.1000- 503X.2015.01.021

中图分类号:R730.4

文献标志码:A

文章编号：1000- 503X(2015)01- 0113- 05

通信作者：白春梅电话：010- 69158315，电子邮件：baichunmei196403@aliyun.com

基金项目：国家自然科学基金(81472785、61435001、81101588)Supported by the National Natural Sciences Foundation of China(81472785，61435001，81101588)