肺癌防治策略与预测和诊断技术研究进展及展望

白春学

复旦大学附属中山医院呼吸科,上海 200032

根据最新中国国家癌症中心发表的中国恶性肿瘤流行情况分析[1]，我国肺癌发病率居恶性肿瘤首位（57.26/10万),新发肺癌病例约为78.7万例,超过第二位胃癌40.3万近1倍。肺癌在恶性肿瘤死因顺位中男(61.52/10万)女(29.43/10万)均居首位。5年生存率只有(19.7%)[2],为改善肺癌预后,提高长期生存率,急需要重视其发生、发展的防治,特别是应用肺癌发生、发展的检测和诊断技术推动早发现、早诊断和早治疗的二级预防。中国肺癌防治联盟自成立后即将二级预防作为重点,并先后牵头制定肺结节诊治中国专家共识[3]和亚太指南[4]。随着这些共识和指南的推广应用,使越来越多的早期肺癌患者得到及时诊断和治疗。但是,仍有很多患者没有得到早期诊断或死于复发转移,致使中国肺癌5年生存率仍然低于20%[2]。如何解决这些问题,亟需要从传统的疾病治疗模式向“4P”和“5P”医学迈进。“4P”医学[5]包含预防性(preventive)、预测性(predictive)、个体化(personalized)和参与性(participatory)。其中强调教育患者主动参与、改变日常生活行为,以达到预防和控制疾病发展的目的。精准医学(precision medicine)则为基于个体基因与环境差异而进行的个体化治疗,对更好地管理肺癌患者具有重要参考意义。采用“5P”医学[6]模式,可更好地、更智慧地预防肿瘤复发和转移,最终改善患者生活质量和提高长期生存率。

近几年随着表观遗传学[7]、液体活检[8]、生物标志物[9-10]和免疫功能监测研究[11]等肺癌发生发展检测技术的进步,以及物联网医学[12]等技术的应用,为我们实施“5P”医学奠定了基础。

一、肺癌发生、发展防治及诊疗策略

为了更好地防治肿瘤的发生和发展、以及提高治愈或10年生存率,需要得到图1所列的信息,优化防治策略给予及时干预或治疗,才能得到事半功倍的效果。这需要了解表观遗传学、基因突变、细胞变异和浸润启动四方面信息,同时掌握相关的预测、检测和诊断技术,才能对处于风险期和各阶段的肺癌管理游刃有余。由于物联网医学技术具有全面感知、可靠传输和智能处理三大基础流程,可辅助分析上述信息,辅助预测、检测和诊断,作出精准的防治方案和调动患者参与性,产生“名医治未病,大医惠众生”效果[12-14]。

二、肺癌风险预测及防治

(一)肺癌风险期概念

肺癌风险期指从表观遗传学到基因突变前的过程。危险因素为烟草暴露、大气污染、职业因素、肺部慢性疾病和人体内在因素。家族遗传、免疫机能降低、内分泌功能失调等均可对肺癌的发病起一定促进作用。表观遗传学涉及肺癌等大量肿瘤,有研究表明80%的疾病和肿瘤都与表观遗传学相关,而经典的遗传因素只占很少比例[15]。由年龄、生活习惯、情绪、辐射等外在因素引起的表观遗传学改变是诱发疾病的最主要原因,可先于肿瘤发生,并增加其发生风险。将其作为肿瘤预测技术用于临床,具有非常重要的潜在价值。

图1 肺癌发生、发展及预测诊断流程图

(二)预测肺癌风险技术

可应用表观遗传学技术预测肺癌风险。该技术是指基于非基因序列改变所致基因表达水平的变化,如DNA 甲基化、组蛋白乙酰化和染色质构象变化等[7,16],目前较成熟的为印迹基因技术。

基因组印迹是表观遗传学中基因调控的一种方式。其特点是来自特定亲代的一对等位基因中一个基因发生甲基化,使某个基因只有一个等位基因表达,而另一个基因则陷入沉默状态,该种基因被称为印迹基因[17]。大量研究表明,在肿瘤发生早期印迹基因中处于沉默状态的等位基因发生去甲基化而被激活,呈现双等位基因表达(印迹缺失),甚至有些细胞出现多等位基因表达(拷贝数异常)[18-23]。相反,在健康细胞中印迹缺失的比例极低,与癌细胞成鲜明对比。所以,印迹基因的表达状态可作为病理标记,通过特定分子检测技术,对细胞异常状态进行分析。我们最近开发了一种新的印迹基因原位检测技术,直观地显示每个细胞中印迹基因的表达状态,得到印迹基因的表达量、印迹缺失和拷贝数异常三个定量的指标,依据明确的分级标准对早期肿瘤的良恶性以及恶性程度给出分级。

与甲基化测序和RNA 高通量测序等间接、不定量的检测技术不同,印迹基因原位检测技术可直接显示细胞核中印迹基因的表达状态,可达到很高的敏感度和特异度。由于印迹基因的功能涵盖细胞信号传递、细胞周期调控、细胞内外物质运输、细胞外基质形成等多个方面,因此印迹基因不但能对肺癌进行早期诊断,还能对其进行分型和判断预后,并指导治疗。

(三)预防肺癌风险的目标和管理策略

肺癌风险期的管理目标为防止肺癌风险和发展。预防和避免因年龄、生活习惯、情绪、辐射等外在因素引起的表观遗传学改变,包括DNA 甲基化异常诱发癌症。

三、肺癌发展期检测及防治

(一)肺癌发展期概念

在肺癌细胞发展过程中,细胞突变源于基因突变。但细胞内单基因位点的突变是不能诱导形成癌细胞的,需要三类基因参与[14]。(1)癌基因：指肺细胞内原癌基因的突变,如Ras、Myc、Src基因等。癌基因突变后,并不意味着肺细胞就会转化形成肺癌细胞,通常需要多位点或多基因的突变才能转化肺癌细胞。由于在正常条件下,原癌基因对细胞分化发育起关键的作用,所以原癌基因并不是有害的。只有在其突变,并能逃脱机体和细胞本身保护反应后,才能使肺细胞转化为肺癌细胞;(2)抑癌基因：或称抗癌基因,最常见的是P53和RB 基因。此类基因在其缺失突变或功能不正常时,可致肺细胞转化为肺癌细胞。RB 蛋白是细胞周期的抑制蛋白,突变后可致RB基因产物的功能失活,导致细胞生长不受控制。而P53蛋白功能是诱导细胞凋亡,突变后会使突变细胞存活下去,进而发展成癌细胞;(3)调节基因：在正常细胞转化为肺癌细胞过程不起作用,但在肺癌的发展过程中起重要的作用,包括能逃脱免疫反应的基因突变、能诱导出新生血管形成的基因突变等。

(二)监测肺癌发展技术

监测肺癌细胞发展过程中参与的癌基因、抑癌基因和调节基因,有助于评估肺癌发展和指导防治。

1、免疫功能标志物

由于抗体的生物学放大效应,在肿瘤早期即产生自身抗体,可通过目前通用的免疫学技术,在出现临床症状前5年或更早即被检测到。另一特点是稳定性好,在循环系统中半衰期可长达30 d,并在离体样本中稳定存在,适用于常规临床样本采集和保存方法。这两个特点有助其克服肿瘤相关抗原检测早期肿瘤的局限性,有可能用于肿瘤的早期发现。

已有百余种肺癌自身抗体被研究测试过[24-25],尽管个别自身抗体特异度较高,但通常灵敏度较低。这一局限可被自身抗体组合克服。多项国际研究表明,P53、NY-ESO-1、CAGE、GBU4-5、SOX2、Hu-D及MAGE A4 等7 指标组合(CE 认证)敏感度达47%(95%CI：34% ～60%),特异 度达90%(95%CI：89%～92%)[24]。但这些数据均来自欧美人群,其中国/亚洲人群中的意义尚有待系统评价。另一个7 指标组合(P53、GAGE7、PGP 9.5、CAGE、MAGE A1、SOX2、GBU4-5)(2015年国家药监局注册)曾在中国人群中进行了试验[26],但其实际应用差异较大,特异度区间达61%～94.3%。综合国内外研究,自身抗体谱检测可能是一项有价值的早期肺癌筛查技术,但仍需进一步的中国人群最有效的组合及验证。

2、液体活检

由于肿瘤细胞可随病程或治疗发生高度异质性和可变性,为达到“5P”医学要求,需要动态跟踪肿瘤细胞的变化,液体活检应运而生。该技术可通过非侵入性方式多次取样,检测血液或尿液中特定的生物标志物,协助诊断或提供相关信息。目前研究较多的是血液循环肿瘤细胞、循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA,ctDNA)、以及肿瘤细胞分泌的含有核酸、蛋白质与脂质的囊泡状外泌体[8]。

实体肿瘤的液体活检,尤其是ctDNA 检测技术在过去的数年间被誉为突破性技术。通过分析ctDNA 能够了解肿瘤基因组综合信息,找到体细胞突变,评估肿瘤的药物敏感性或耐药性。如从非小细胞肺癌的ctDNA 中检测表皮生长因子受体基因突变可指导临床用药;ctDNA 深度测序可发现只在部分肿瘤细胞中出现的基因突变,揭露肿瘤组织的内部异质性问题。不久前发表的一项研究,利用改进的液体活检技术分析了血液中游离DNA(cellfree DNA,cfDNA)的甲基化信息,成功地进行了早期肿瘤检测并作了正确分类[27]。

使用液体活检技术还可对影像学难以诊断的早期肿瘤提供参考意见。一项对包括良、恶性肺结节在内的研究表明,ctDNA 检测可在满足高度特异度和敏感度条件下发现驱动基因突变。基因突变检出的敏感度和严重程度与肺癌临床分期相关[28]。此外,术后多次血液取样,纵向随访ctDNA 突变基因克隆和亚克隆还可预警肿瘤复发,甚至在复发事件前463 d即可被检测到[29]。

液体活检技术除了关注血液中的循环肿瘤细胞和ctDNA 之外,还涉及血液中RNA 和蛋白质等其它组分。在以往临床实践中,血液蛋白质被视为重要的生物标志物,其中有数十种肿瘤抗原或分泌蛋白被广泛用于肿瘤发生或疗效和预后判断等。近年来随着蛋白质组技术的发展,针对血液蛋白质的液体活检技术正在陆续被研发[30]。显然,如何把血液中各种组分充分用于肿瘤诊断和预测复发转移预测是值得研究者认真考虑的问题。

但是,美国临床肿瘤学会和美国病理医师学会通过对已发表的1 338篇ctDNA 临床研究论文分析后指出,“目前发表的ctDNA 研究均是比较肿瘤组织和血浆中致病突变的一致性而得出的结论,会受很多生物学因素影响,结果阴性的患者仍需要进行组织检测,其广泛推广前仍需更多的有效性证据”[31]。

(三)肺癌发展期管理目标和策略

由于目前知识的局限性,在肺癌发展期管理目标只能尝试协调癌细胞发展过程相关的癌基因、抑癌基因和调节基因之间关系,预防或者延缓肺癌发展。目前尚没有具体的防治措施和研究证据,但是养成好的生活习惯、情绪、避免外在因素引起的表观遗传学改变有助于预防肺癌的发展。

四、肺癌原位期诊断及防治

(一)肺癌原位期概念

肺癌原位期指还没有转移的瘤灶,相当于TNM 分期中的Tis[14]。胸部CT 检查时,原位腺癌(adenocarcinoma in situ,AIS)一般表现为磨玻璃样结节,有时部分实变,偶为实性结节。AIS 生长缓慢,完全切除后预后极好,5年无瘤生存率和无复发生存率达100%。对5～10 mm 的病变,新分类中建议每年复查胸部CT,如发现病变增大或密度增加提示病变进展或有浸润的可能。2011年多学科肺腺癌组织学分类对肺腺癌癌前病变概念做了进一步延伸与调整,将病灶≤3 cm、肿瘤细胞局限于正常肺泡结构内(贴壁式生长),并且缺乏间质、脉管或胸膜浸润的病变定义为AIS。

(二)检测原位期肺癌技术

1、组织活检

活检有助于确诊,但是很多AIS术前较难获得活检标本。临床医师可通过权衡可及性、风险和成本效益等选择下列诊断方法。

2、常规影像

X线胸片简便、易行和放射损伤少,常被用于术后复查,但很难发现直径小于5～6 mm 病变,且存在死角。由于肺癌根治性手术后存在复发的风险,美国国立综合癌症网络指南[32]推荐非小细胞肺癌患者术后2～3年内,每6个月随访常规胸部CT±增强扫描,其后年度随访低剂量CT(low-dose computed tomography,LDCT)。对于接受放化疗或有残余病灶的患者,需要更频繁的影像学随访。为较早发现微小的复发转移,建议胸部薄层(≤1 mm层厚)CT 检查,评价其形态特征,协助鉴别诊断。早期复发和转移性肺癌影像学通常表现为2～5 mm 之间的病变,可为孤立性或多发性小结节影,边缘不清、密度较淡者,易误诊为炎症或结核。如肿瘤向肺门淋巴结蔓延,可见其间引流淋巴管增粗形成条索状阴影伴肺门淋巴结增大。建议胸部薄层CT 的DICOM 格式检查,以便人工智能进行深度挖掘分析[33],明确肺结节位置、形状、边缘、密度和血管生成等信息,协助鉴别诊断和指导临床治疗。

3、液体活检 见肺癌发展期检测及防治一节。

(三)肺癌原位期管理目标和策略

原位肺癌患者管理目标为提高终生治愈率或10年生存率。但是由于原位癌很多病灶较小,如果无法明确诊断,不建议对小病灶做手术切除。此外注意生活、饮食、调节免疫功能治疗。

五、肺癌超原位期诊断及治疗原则

(一)肺癌超原位期概念

这里所述肺癌超原位期指原位癌之后的肺癌。其中ⅠA 期非浸润阶段和原位癌被称为早期肺癌。中期为ⅠB 期至可手术ⅢA 期,晚期为不可手术的肺癌。临床研究表明,原位癌治愈率接近100%,ⅠA期肺癌患者的5年生存率达60%～90%,而ⅢB和Ⅳ患者的5年生存率仅5%～20%。大多数的小细胞肺癌在发现时已是晚期,只适合于化疗和放疗。早期诊断是改善肺癌预后的关键,但由于缺乏理想的早期诊断方法,肺癌的早期诊断率仅14%左右[14]。

(二)肺癌超原位期诊断技术

1、常规肿瘤标志物

大多数中、晚期肺癌常伴有生物学标志物升高。(1)胃泌素释放肽前体(pro gastrin releasing peptide,Pro-GRP)：可作为小细胞肺癌的诊断和鉴别诊断的首选标志物;(2)神经特异性烯醇化酶(neurone specific enolase,NSE)：用于小细胞肺癌的诊断和治疗反应监测;(3)癌胚抗原(carcinoembryonic antigen,CEA)：目前血清中CEA 的检查主要用于判断肺腺癌复发、预后以及肺癌治疗过程中的疗效观察;(4)细胞角蛋白片段19(cytokeratin fragment,CYFRA21-1)：对肺鳞癌的诊断有一定参考意义;(5)鳞状细胞癌抗原(squarmous cell carcinoma antigen,SCC)：对肺鳞癌疗效监测和预后判断有一定价值。

一项对中国人群进行的大规模多中心研究(临床试验管理标识符NCT01 92 8836)[10]共招募了715例受试者,在ARCHITECT i2000SR 上对血清标志物ProGRP、CEA、SCC和CYFRA21-1进行分析,并采集了相关临床信息,用于开发患者风险模型和结节风险模型。结果表明,肺癌风险模型受试者工作特征曲线(receiver operating characteristic curve,ROC)下面积在训练数据集为0.703,在验证数据集为0.719。结节风险模型ROC 曲线下面积在训练数据集为0.915,在验证数据集为0.584。模型比对发现,本模型较美国AACC模型具有更好诊断效能(ROC曲线下面积：0.915 1 比0.836 0,P=0.001)。该项研究建立的肺癌早期诊断的患者风险模型和结节风险模型均有良好的效能,可对不同水平的肺癌风险进行分层,适用于中国高风险人群。

如果在随访阶段发现肿瘤标志物进行性增高,例如CCR5、RANTES(或CCL5)或者集体增高,需要警惕早期肺癌,肿瘤复发或转移[10,34]。

2、常规影像 见肺癌原位期诊断及防治一节。

3、功能显像

目前常用的功能显像为PET-CT,该检查在肺癌的诊断、分期、治疗评价中均有较高的敏感度和特异度[35]。对于LDCT 筛查中发现的可疑外周结节病灶,PET-CT 检查是良好的补充,能避免患者不必要的有创检查。在一项小规模的临床试验中,CT发现的可疑结节中76%可以通过PET-CT 明确。PET-CT 对恶性结节的诊断敏感度、特异度、阳性预测值和阴性预测值分别为69%、91%、90%、和71%。该试验提出,对于CT 发现的可疑病灶进行选择性PET-CT 检查,如为阴性,3 个月后随访LDCT。该筛查方案的敏感度和阴性预测值为100%,可以有效减少有创检查[36-37]。另一项临床试验也证实,LDCT 筛查发现可疑阳性结果后,联合PET-CT 检查可有效鉴别良恶性结节,以避免不必要的有创检查和手术[38]。当然,PET-CT 对于直径小于5 mm 的肺癌结节阳性率不高,需要密切随访以免漏诊。

同样,PET-CT 在中央型肺癌的早期诊断中亦有一定作用。有研究分析了22例患者CT 检查阴性、而最终由支气管镜检查确诊的24处早期中央型肺癌病灶,发现PET-CT 扫描对早期中央型肺癌的敏感度、特异度、阳性和阴性预测值分别为73%、85%、80%和79%[39]。由此可见,PET-CT 可以发现CT 阴性的早期中央型肺癌,对于一些高度怀疑肺癌而CT 检查阴性的患者,PET-CT 是很好的补充。

一项汇总13 个研究涉及1 035例肺癌患者的meta分析显示,使用PET-CT 随访监测复发,其敏感度 为90%,特异度90%,而常规CT 联合骨扫描、MRI随访监测术后复发的敏感度和特异度分别为78%和80%[40]。但是,对于小于5 mm 的病灶,PET-CT 的诊断意义有限。

(三)管理目标和策略

肺癌超原位期患者管理目标为提高5年或10年生存率,并改善生活质量。同时教育患者调整生活模式、注重饮食、提高抗肿瘤免疫功能。给予患者“全身结合局部,驱邪结合扶正,一般结合个体”的辨证施治综合治疗。

六、物联网医学技术辅助诊治方案实施

在“5P”医学模式中,调动患者参与性是管理患者的基石。但是,肺癌患者术后时间长了后,往往放松警惕,甚至不积极配合复查。通过物联网医学技术,可以很方便地与患者建立联系,通过有计划、有组织、有系统的术后健康教育,可使患者自觉采纳有益健康的行为和生活方式,配合医师做好一、二级预防。其核心是教育患者树立术后管理目标、改变不良的行为生活方式,减少或消除影响健康的危险因素[41]。同时积极配合复查,特别是无症状者也要严格遵照医嘱定期复查,有条件者可以考虑精准监测,更精准地预防复发和转移。做到“三个链接全时空,融合四众在其中,质控防保与诊疗,全新模式惠众生”的效果[12-13]。

(一)物联网医学技术

物联网是麻省理工学院Ashton 教授1999年提出来的[13]。现已延伸用户端和扩展到任何物品与物品之间,进行信息交换和通信的一种网络概念。物联网医学技术包括全面感知、可靠传输和智能处理三大流程和十大基本功能,可应用于健康管理、医疗、术后管理和老年健康照护等领域,起到云连知名专家、端享现代医疗的效果[12-13]。其中人工智能带来的科技产品可以模拟人的意识、思维的信息过程,协助医疗。虽然人工智能不是人的智能,但能像人那样思考问题,也可能超过人的智能,可用于早期肺癌诊断、监测术后复发和转移。

(二)物联网医学技术辅助肺癌防治的潜能

由于物联网医学技术具备全面感知、可靠传输和智能处理三大流程和十大基本功能[13](表1),可以更好地辅助实施“5P”医学[6]。同时还可以将共识指南融合到5A 流程中(图2),全时空辅助患者教育、康复、防治肺癌术后复发转移。

表1 物联网医学技术对“5P”医学模式的提升作用

(四)临床应用

图2 三级联动“5P”医学模式图

应用物联网医学技术进行深度挖掘和智能处理,有助于全面了解患者表观遗传学到蛋白的变化及从全身到局部的病灶和功能改变,进而得到精准、全面的数据,制定智能管理方案,防治术后复发转移。物联网医学技术在临床中主要应用于[13]：(1)常规管理。通过5A 流程辅助实施共识的实施;(2)人工智能分析。包括影像、表观遗传学、液体活检和印迹基因的人工智能分析,据其做好智能管理方案;(3)患者教育。通过物联网医学这一技术,更好地教育患者[12-13];(4)医患互动。通过互联网或物联网医学技术辅助医患互动,更好地调动患者积极性;(5)个体化。在分析时既注重共识和指南,又要侧重个体化,保证每个人受益。

七、展望

中国肺癌发病率高,已经超过第二位胃癌近1倍[1],加之病死率高和5年生存率低,造成严重的社会和经济负担。为解决这些问题,急需要重视其发生、发展的防治,特别是应用肺癌预测、检测和诊断技术,以及物联网医学技术推动肺癌早发现、早诊断和早治疗的二级预防。虽然目前的印迹基因、液体活检等技术刚刚起步,但是表观遗传、基因突变、细胞变异等信息的检测对防治和诊断早期肺癌的潜能极大。加之物联网医学技术具有全面感知、可靠传输和智能处理三大基础流程和十大功能,利于深度挖掘上述信息,辅助预测、诊断和调动患者参与性,产生相应的社会经济效益。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突