精准医学在结核病防治领域的应用与展望

沙巍



·主编寄语·

精准医学在结核病防治领域的应用与展望

沙巍

2015年1月20日，美国总统奥巴马在国情咨文演讲中提出了“精准医疗计划”(precision medicine initiative)，并受到全世界的广泛关注。精准医学本质上是通过基因组、蛋白质组等组学技术和医学前沿技术，对于大样本人群与特定疾病类型进行生物标志物的分析与鉴定、验证与应用，从而精确寻找到疾病产生的原因和治疗的靶点，最终实现对疾病和特定患者进行个性化精确治疗的目的[1]。精准医学理念的深入标志着医学步入了一个新的时代。

一、精准医学的内涵及实施路径

“精准医学”并非一个全新的概念，既往“个体化治疗”和“靶向治疗”均涵盖了一部分精准医学的内容。100年前开展的根据患者血型制定不同输血方案的做法就是精准医学最早的实施案例，而针对表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor，EGFR)基因突变的EGFR酪氨酸激酶抑制剂吉非替尼，是肺腺癌治疗中具有里程碑意义的靶向治疗药物。相对于经验性治疗，精准医学具有精准性和便捷性，可以将预防和诊疗均集中于那些能够真正收到效果的患者身上，因而避免了无用或者过度的诊疗行为所导致的医疗资源的浪费。但是精准医学又不完全等同于个体化治疗，它并不是指为某一位特定的患者开发特定的药物和医疗设备，而是通过建立一个庞大的患者医学数据信息库，由研究人员通过分析和比对患者信息与数据库里的信息，进一步了解疾病的根本病因，从而开发针对特定患者群体的干预方法。

因此，精准医学的实施必须是以大样本的数据库为基础，包括将临床信息、患者表型与基因、蛋白质谱等所有数据进行整合。随着二代测序技术和高通量组学技术的快速发展，这一庞大工程的实现并非“天方夜谭”。精准医学的难点在于对所获得的大数据进行分析比对，甄别同种疾病中具有不同特质的疾病亚型，给予已知的、标准化的、被证明有效的干预措施。简而言之，精准医疗的核心目标是针对合适的人群，在合适的时机给予合适药物剂量的精确的治疗[2]。

美国的精准医学的首要目标是肿瘤，其次是糖尿病等非感染性疾病，但是在感染性疾病领域，精准医学的研究已广泛开展并取得初步成效[3-4]。

二、结核病的个体化诊疗模式的实践经验

传统的个体化诊疗始终贯穿在结核病诊治的过程中。最经典的例子便是对Mtb进行药物敏感性测定，以确定宿主是否感染了有耐药性的菌株。Mtb的野生菌株对一线抗结核药物敏感，因此在既往很长一段时间内，并不推荐对初治结核病进行常规药物敏感性检测[5]。然而，随着耐药结核病的流行，初治耐药、耐多药甚至广泛耐药患者并不罕见，因此，有必要在条件允许的区域，对所有结核病患者均进行药物敏感性试验(简称“药敏试验”)。传统的药敏试验是通过体外含药培养基进行的表型检测。随着对Mtb基因点突变导致耐药机制的明确，基因型检测Mtb的耐药性较表型更为精确，尤其是发现不同的突变位点导致耐药性存在差异[6]，或者可以预测对同类或者不同类药物的交叉耐药性[7]。分子生物学诊断技术(如Xpert Mtb/RIF、GenoType®MTBDRplus和GenoType®MTBDRsl等耐药基因诊断技术)的临床应用，大大缩短了培养和药敏试验所需要的时间，是个体化方案实施的重要依据。

虽然结核病的化学治疗是以标准化方案为主，并且对于初治结核病患者的治愈率在90%以上；然而，由于患者存在个体差异，个体化的方案是标准化方案的必要补充。所谓结核病个体化治疗是指在患者充分的用药史、细菌耐药性检测、患者的体质及用药反应等正确评估的基础上，为患者制定的合理的个体化治疗方案，包括改变或调整抗结核药物的种类、数量、用药途径及延长治疗疗程等。对不同患者群体(老年人、孕妇、儿童和HIV患者)、不同基线状态(肝、肾功能不全等)及治疗后出现不良反应(药物过敏、药物性肝损伤等)均有个体化方案的调整原则和建议。个体化方案的实施可保证治疗的合理性、有效性和安全性，从而提高特殊人群结核病的治愈率，降低死亡率和耐药的发生。

三、精准医学在结核病诊治中的应用及其前景

Mtb侵入人体后发病是由于病原与宿主之间复杂的免疫反应所导致。Mtb感染后宿主不同的临床结局说明必然有免疫系统、包括天然免疫和获得性免疫的遗传学差异存在。此外，在治疗过程中对化疗疗效的差异和对药物不良反应的差异亦表明存在群体的异质性。这也是精准医学在结核病诊治领域中所要揭示的机制问题，并要寻求解决方案。

1.Mtb易感性：越来越多的研究证实，个体对Mtb易感性或抗性的差异与宿主的某些基因相关，其中较为明确的有：(1)人类自然抵抗相关巨噬细胞蛋白l(NRAMPl)：NRAMPl蛋白重要功能之一是通过吞噬体膜泵出二价阳离子NRAMP1Fe2+，而Fe2+含量影响Mtb在吞噬体内生长，NRAMPl基因3′UTR、INT4、D543N位点的基因多态性与人类Mtb易感性相关。(2)维生素D受体(VDR)：维生素D以活性形式与VDR结合后，发挥其协助单核巨噬细胞抑制Mtb胞内生长的作用，对于VDR的多态性与Mtb易感性的相关研究主要集中在FokⅠ(rsl0735810)、BsmⅠ(rsl54410)、ApaⅠ和TaqⅠ等4个位点，并在不同人种中发现不同基因的多态性与Mtb易感性相关。(3)人类白细胞抗原(HLA)基因：HLA分子是效应T细胞识别抗原过程的必要分子，是获得性免疫过程中的重要环节，三类HLA基因区多态性与Mtb易感性的关系国内外均有报道，以Ⅱ类基因区(也称HLA-D区)为多。虽然不同人种群体间研究结果不尽一致，但是多个研究均发现HLA-DR2和DRB1*15与Mtb易感性相关。(4)Toll样受体(Toll-like receptor，TLR)家族：TLR识别并结合Mtb抗原，募集接头蛋白经不同信号转导途径进行信号转导，是人类天然免疫的有效组成。TLR2、TLR4和TLR9基因的多态性均有报道与Mtb易感性有关。(5)甘露糖结合凝集素(mannose-binding lectin，MBL)基因：属于Ca2+依赖型凝集素家族，可作为调理素促进吞噬细胞的功能，并有增强补体作用。MBP和MBP-52突变型等位基因、MBP-52基因位点C/T突变、MBP-54基因位点G/A突变均可能与肺结核发病相关[8-10]。

虽然从目前的研究结果来看，人类肺结核易感性与基因多态性相关， 但不同种族间这种关联性存在差异，而且此种关联在Mtb感染、发病过程中所起的作用和所占的地位尚不明确，使得有效的干预机制难以确定。随着全基因组测序(WGS)、全基因组关联分析(GWAS)、全外显子测序(WES)和全转录组测序(WTS)等技术的成熟，确定Mtb易感性的高特异性遗传学指标，对高危人群进行筛查，并在早期予以针对性的干预措施，是精准医学在结核病预防领域中的重要任务。

2.建立结核病的生物标识分子库：Mtb感染机体后，无论是细菌生存和繁殖，还是机体免疫系统的防御过程，都可能产生一系列的生物学代谢产物。建立生物标记库，对这些产物进行系统的甄别，有可能会发现可作为疫苗的抗原、Mtb潜伏感染(LTBI)或者活动性结核病早期并具有高度特异性的诊断指标、疾病严重程度和预后评定的指标，抑或是评定疗效的预测因子；后者亦是缩短疗程的重要标准。

免疫应答效应分子作为新的标志物在抗结核化疗疗效上的提示作用越来越受到关注。研究发现，有效的抗结核治疗可以引起抗早期分泌靶蛋白6(ESAT-6)和抗Rv2626c抗体的下降，同时引起抗LAM和抗Rv0934的抗体的升高，但敏感度和特异度有限[11]。乌干达的一项对LTBI患者采用异烟肼预防性治疗的研究结果发现，相对于未干预组，干预组在治疗过程中γ-干扰素(IFN-γ)和血清中抗滤液蛋白10(CFP-10)的抗体逐渐降低，提示这两种生物学分子可作为LTBI患者治疗过程中的监测指标。血管和淋巴管增生并形成肉芽肿是Mtb感染的重要特征[12]。研究者通过对患者血液中的血管内皮生长因子(VEGF)的检测，观察其与结核病的严重程度和荷菌量是否相关，结果显示，肺结核组的VEGF-A、VEGF-C 及VEGF-R2水平明显高于潜伏感染组及非结核组。肺结核组中，双侧病灶及空洞病灶患者的VEGF-A、VEGF-C和VEGF-R2水平明显增高，在有效的抗结核药物治疗后，所有患者VEGF的水平均明显降低。说明VEGF可作为监测肺结核严重程度、细菌负荷和评价抗结核治疗疗效的有效生物标志物[13]。英国学者对比了初治后复发患者和痊愈患者的相关基因，发现668个基因表达有差异，其中与细胞毒相关的基因如穿孔素、颗粒溶素和fas配体等在复发患者中高度表达，提示这些因子可以作为预测结核病复发的生物学分子标志物[14]。

目前，有数个国家已开始着手建立结核病的生物标识分子库[15]。例如，英国的结核病免疫研究组，收集的标本包括患者的血液、尿液、痰液、各种体液和各种活检标本甚至骨髓标本，试图在大样本数据库中筛选出与结核病发病机制相关的特异性生物标识。除了免疫学方法，新型学科代谢组学方法，如液相色谱-质谱联用(LC-MS)、气相色谱-质谱联用(GC-MS)和磁共振分子成像还可以用于筛选患者治疗过程中的代谢产物，评估疾病的临床病程、患者的预后或者药物的疗效等。利用这些生物学标识来进行个体的评估，可实现精准诊疗的目的。

3.药物遗传学对药物不良反应的预测：在群体中，不同个体对某一药物可能产生不同的反应，甚至可能出现严重的不良反应。这种现象称为个体对药物的特应性(idiosyncracy)。特应性产生的原因相当一部分取决于个体的遗传背景。遗传因素引起的异常药物反应实质上就是遗传缺陷对药物在机体内代谢过程或对药物效应的影响。例如，汉族人群服用卡马西平出现严重的皮肤过敏反应与HLA-B*1502等位基因明显相关[16]；携带HLA-B*5701的患者使用阿巴卡韦更易发生致命的过敏反应[17]。采用药物遗传学研究可以对药物的不良反应进行预测，前提必须是在大样本人群中获得大量的遗传信息和药物代谢动力学数据。

在抗结核药物治疗的过程中，由于药物的不良反应导致治疗中断的情况并不少见。最常见的是药物性肝损伤和过敏反应，而研究较多的是N-乙酰基转移酶2(NAT2)[18]。人NAT2等位基因与快乙酰化和慢乙酰化有关，其中慢乙酰化基因型较快乙酰化基因型发生肝毒性的率为高，中国人群中NAT2*6A基因型发生肝损伤的频率最高[19]。日本学者对初治的肺结核患者用药前常规进行NAT2基因型检测，并根据基因型的结果设定异烟肼剂量，结果显示，试验组较常规剂量组发生异烟肼所致肝损伤的率或治疗的中断率均较低[20]。这是一项采用药物遗传学指导精准化疗的典型的临床研究，而且取得了非常好的效果，提示采用精准医学指导临床治疗及药物监测的可行性。

抗结核药物除可致肝损伤以外，常见的不良反应还有药物的超敏反应。但是目前是否与基因多态性相关尚不明确，而且对于利福平和吡嗪酰胺导致的药物性肝损伤的机制研究远不及对异烟肼肝损伤机制研究深入。如何预测这些不良反应是将来精准医学的重要任务之一。

4.宿主导向的治疗(host-directed therapy，HDT)：HDT是属于抗结核治疗范畴中非常新的一种治疗方法，它将结核病的治疗从针对细菌转变成针对宿主的靶蛋白，通过对宿主对抗胞内细菌的免疫通路的调控，影响炎症反应和免疫致病机制，从而抑制Mtb的感染和感染后的发病[21-22]。这种全新的治疗理念甚至可以被认为是继20世纪初结核病化学治疗实施以来的又一个重大突破，在耐药结核病流行、抗结核新药匮乏的时代具有里程碑意义。

目前，已有一系列具有HDT作用的药物或化合物在临床前或者临床试验阶段，包括增强巨噬细胞及效应细胞功能的药物，以及降低炎症反应、减少肺组织损伤的药物。典型例子包括：(1)二甲双胍[23]：体外研究显示二甲双胍可以促进吞噬溶酶体的融合，增强线粒体活性氧的产生而抑制Mtb的生长；动物研究的结果显示，二甲双胍可以明显降低结核小鼠模型的肺损伤和荷菌量。(2)齐留通(Zileuton)[24]：原是用于治疗哮喘的白三烯抑制剂，通过降低Ⅰ型干扰素的产生，降低局部的炎症反应，减少肺组织损伤，适用于Mtb感染后机体免疫系统产生高水平Ⅰ型干扰素的患者群体。(3)磷酸二酯酶同工酶4(PDE4)抑制剂[25]：可抑制肿瘤坏死因子和其他一些前炎症细胞因子的产生。在动物试验中，PDE4联合异烟肼治疗小鼠和家兔结核，可减少组织坏死、纤维化、肉芽肿数量和大小及Mtb的荷菌量。(4)抗血管内皮生长因子[26]：贝伐单抗治疗可使家兔的结核肉芽肿中血管分布的范围及数量发生变化，并使其趋向正常化，并可提高结核性肉芽肿对小分子物质的转运能力，改善结核性肉芽肿内氧合作用。

HDT的候选药物种类目前已达10余种，前期研究所发现的较为肯定的效果令人振奋，联合化学治疗可以缩短疗程，提高耐药结核病的治愈率。因此，可以将之视为结核病防治领域的“靶向治疗”。虽然目前的研究结果还局限于动物及小样本的临床研究，但其中许多候选药物属于上市药物，开展大样本的临床研究并非遥不可及。

综上所述，精准医学在结核病防治领域中的应用尚处于起步阶段，与肿瘤防治领域相比，尚缺乏足够的前期大数据的研究结果支撑。精准医学的长期目标是通过全球科学家的协作和努力，开发创造性的新方法来检测、测量和分析大量的生物医学信息，并将成果覆盖到所有的卫生健康领域。以此推断，精准医学将极大地推动结核病基础和临床研究的发展，为人类最终战胜“白色瘟疫”提供有利的“武器”。

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(本文编辑：李敬文)

10.3969/j.issn.1000-6621.2016.03.001

200433 同济大学附属上海肺科医院结核病临床研究中心 上海市结核病(肺)重点实验室

沙巍，Email：shfksw@126.com

2016-02-17)