從精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)看結(jié)直腸癌診斷與治療的未來

1、從精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)看結(jié)直腸癌診斷與治療的未來上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院普外科顧 巖 摘要 我國的結(jié)直腸癌已經(jīng)進(jìn)入高發(fā)期。 2015 年 是 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 計劃的啟動之年。結(jié)直腸癌的 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 就是在 癌癥基因組測序和信息分析基礎(chǔ)上，解析結(jié)直腸癌發(fā)生、發(fā) 展、侵襲、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的機(jī)制， 有針對性地實施個體化治療。 由全球多個國家的專家組建的結(jié)直腸癌分型團(tuán)隊，整合以往 以基因檢測為基礎(chǔ)的結(jié)直腸癌亞型分類系統(tǒng)，參考基因突變、 拷貝數(shù)、甲基化、 microRNA 和蛋白質(zhì)組學(xué)信息，建立了 4 個各具特征的共識分子亞型 （CMSs ）。其清晰的生物判讀性， 成為目前最有力的結(jié)直腸癌分類系統(tǒng)，并有望為建立臨床精

2、 準(zhǔn)治療體系提供參考依據(jù)。 結(jié)直腸癌是人類最常見的惡 性腫瘤之一，其發(fā)病率和病死率分別居于癌癥譜的第 3 和第 4 位。結(jié)直腸癌 5 年總生存率約為 60% 。其生存率與腫瘤 TNM分期明顯相關(guān)，1、川和W期患者白傷年生存率分別 約為 90% 、 70和 10% 。目前，我國的結(jié)直腸癌已經(jīng)進(jìn)入 高發(fā)期。 2015 年全國腫瘤登記中心年報信息顯示，結(jié)直腸 癌的發(fā)病率和病死率分別位居癌癥譜的第 3 和第 5 位。北京 市衛(wèi)計委 2015 年北京市健康白皮書報告，北京市戶籍 居民的男性與女性結(jié)直腸癌發(fā)病率分別高居癌癥譜的第2 和 第 3 位，發(fā)病率均超過 30/10 萬年。因此，提高結(jié)直腸癌的早期診

3、斷水平， 有針對性地實施 個體化治療 的策略備受關(guān)注。 一、精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的概念 2015 年 1 月 20 日，美國 總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文中提出 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)( precision medicine ) 計劃。 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 是在充分考慮個體間差異的前提下，針對 個體或者特定人群開展的疾病診斷、治療及預(yù)防等醫(yī)學(xué)新模 式。換言之， 是在適宜時間、 為適宜患者、 提供適宜的治療。 伴隨人類基因譜解碼，基因組測序技術(shù)迅猛發(fā)展，轉(zhuǎn)錄組、 蛋白質(zhì)組和代謝組也產(chǎn)生了海量的數(shù)據(jù)，借助大數(shù)據(jù)分析的 工具，生成具有個體化診斷和治療指導(dǎo)價值的生物醫(yī)學(xué)信息， 將成為 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 計劃得以實施的基石。從本質(zhì)上講， 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是通過基

4、因組、蛋白質(zhì)組等組學(xué)技術(shù)和醫(yī)學(xué)前沿技術(shù)， 對于大樣本人群和特定疾病類型進(jìn)行生物標(biāo)記物的分析與 鑒定、驗證與應(yīng)用，從而精確尋找到疾病的原因和治療的靶 點(diǎn)，并對一種疾病不同狀態(tài)和過程進(jìn)行精確亞分類，最終實 現(xiàn)對于疾病和特定患者進(jìn)行個體化精確治療的目的，提高疾 病診治與預(yù)防的效益。 奧巴馬的 精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 計劃設(shè)定了 4 個要 素： (1 )恰當(dāng)?shù)闹委? the right treatment )：其核心在于 為恰當(dāng)?shù)娜巳禾峁┚珳?zhǔn)的診斷信息； (2)恰當(dāng)?shù)臅r間 (at the right time )：所有的醫(yī)療只有在恰當(dāng)?shù)臅r間節(jié)點(diǎn)給予，才是 真正合適的； ( 3)分享和參與( give all of

5、us access )：政 府機(jī)構(gòu)、醫(yī)療機(jī)構(gòu)及患者對精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的支持和參與，并共同 分享信息；( 4)個體化信息 (personalized information )：精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)是因人和因病而異的更加精確的個體化醫(yī)療，是個體 化醫(yī)療的最高境界。即便同種類型的疾病，在分子層面上的 分型也會千差萬別。因此，每例患者都是獨(dú)一無二的，其預(yù) 防、診斷和治療信息都應(yīng)該個體化。 二、癌癥的精準(zhǔn)醫(yī) 學(xué)計劃 在美國已開始的癌癥基因組研究計劃( The Cancer Genome Altas ， TCGA )基礎(chǔ)上，進(jìn)一步篩選和鑒 定驅(qū)動基因突變，以期實現(xiàn)在癌癥診治方面的突破。借助癌 癥基因組測序和信息分析，闡明癌

6、癥基因組的異質(zhì)性特征， 解析癌癥發(fā)生、發(fā)展、侵襲、轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的機(jī)制，解釋癌癥 藥物抗性的原因，建立癌癥聯(lián)合用藥的新指南，最終形成對 癌癥的預(yù)防發(fā)生、分子分型、精確診斷、治療反應(yīng)預(yù)測等一 整套精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)指標(biāo)。1 癌癥分子標(biāo)志物篩選和精確分型： TCGA 計劃已篩選和鑒定出多種與癌癥發(fā)生、 發(fā)展、 侵襲、轉(zhuǎn)移等生物學(xué)行為有關(guān)的關(guān)鍵基因，繼而將利用大樣 本量的臨床研究驗證在癌癥診斷、治療或預(yù)后判斷中的敏感 性和特異性，從而建立起全新的癌癥精準(zhǔn)分類模式。 2癌癥精準(zhǔn)預(yù)防： 在癌癥的有效治療手段相對有限的 情況下， 癌癥預(yù)防的意義更為重大。 利用 TCGA 計劃篩選的 癌癥基因和大樣本量的臨床驗證，鑒定出

7、有效的癌癥發(fā)生關(guān) 鍵基因，從而在早期對癌癥高危人群進(jìn)行篩查，并制定個體 化的預(yù)防措施。 3 癌癥精準(zhǔn)治療： 精準(zhǔn)治療是癌 癥精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的重點(diǎn)。主要涉及兩方面的內(nèi)容，傳統(tǒng)化學(xué)和放 射治療的精準(zhǔn)化， 以及基于分子和基因 靶向 的精準(zhǔn)治療。 借 助癌癥基因組計劃，篩選傳統(tǒng)放化療敏感基因和抵抗基因， 在提高療效的同時降低治療不良反應(yīng)； 癌癥 靶向治療 是根據(jù) 癌癥發(fā)生所涉及的異常分子和基因，設(shè)計針對特定分子和基 因靶點(diǎn)的藥物，高選擇性地殺傷腫瘤細(xì)胞。已經(jīng)上市的靶向 藥物主要有特定的受體抑制劑（如表皮生長因子受體阻斷劑 吉非替尼） 、某些特定細(xì)胞標(biāo)志物的單克隆抗體（如 HER-2 單克隆抗體赫賽汀） 、酶

8、和酶受體抑制劑（如酪 氨酸激酶抑制劑伊馬替尼） 、抗腫瘤血管生成藥物（如 抗血管內(nèi)皮生長因子單克隆抗體貝伐珠單抗）等。免疫 治療是癌癥精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的另外一個重要方向。正常情況下，癌 細(xì)胞中的基因錯義突變產(chǎn)生的突變蛋白質(zhì)，可作為一種腫瘤 新抗原被機(jī)體免疫系統(tǒng)識別， 啟動 T 細(xì)胞免疫實現(xiàn)有效殺傷， 是機(jī)體抑制癌癥發(fā)生的自我保護(hù)機(jī)制。如果免疫機(jī)制弱化或 者消失，就造成癌細(xì)胞無法被及時清除，并引發(fā)癌癥。利用 癌癥新抗原增強(qiáng)機(jī)體 T 細(xì)胞免疫的策略， 在癌癥治療中具有 重要意義。最近，美國 FDA 已經(jīng)分別批準(zhǔn)針對 PD-l 的單克 隆抗體 Pembrolizumab 和 Nivoluma 用于治療晚期、

9、 無法手 術(shù)切除且對藥物治療無效的黑色素瘤和肺鱗癌的二線治療。 2015 年 6 月 1 日美國臨床腫瘤學(xué)會 （ ASCO ）年會宣布兩項 臨床研究計劃： ASCO 的 TAPUR 研究（ Targeted Agent and Profiling Utilization Registry ）和美國國家癌癥研究所 （NCI ）的 NCI-MATCH 研究( Molecular Analysis for Therapy Choice trial )均于 2015 年底前開始招募患者。 TAPUR 是一 項前瞻性、非隨機(jī)的臨床研究，其計劃采集信息以評價目前 已經(jīng)上市的靶向藥物對于存在基因突變靶點(diǎn)的腫

10、瘤(包括晚 期實體腫瘤、多發(fā)性骨髓瘤和 B 細(xì)胞非霍奇金淋巴瘤)的有 效性和毒性。 NCI-MATCH 研究計劃收集 3000 例患者腫瘤 活檢樣本并進(jìn)行 DNA 測序，以確定遺傳變異，繼而篩選出 藥物靶點(diǎn)，有靶點(diǎn)的樣本將用來完成后續(xù)的臨床試驗。這些 研究將給攜帶特定基因突變的癌癥患者帶來靶向治療的新 希望。 三、結(jié)直腸癌的精準(zhǔn)醫(yī)學(xué) 基于原發(fā)腫瘤的解 剖學(xué)位置、腫瘤大體形態(tài)、病理學(xué)分化程度和癌癥 TNM 分 期，結(jié)直腸癌可以被分為多種類型、級別或者期別。但是， 基于解剖學(xué)、組織病理學(xué)等 宏觀和亞微觀 指標(biāo)進(jìn)行的傳統(tǒng) 結(jié)直腸癌分類方法，正遭遇到來自 MSI、 MMR 、EGFR 、 KRAS 、

11、NRAS 和 BRAF 等基因標(biāo)志物 微觀 分子檢測手段的 嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。結(jié)直腸癌的發(fā)生發(fā)展是多基因、多分子、多通路 間錯綜復(fù)雜、相互作用的結(jié)果，在基因組學(xué)、轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋 白組學(xué)和代謝組學(xué)的背景下， 結(jié)直腸癌 精準(zhǔn) 分子分型已經(jīng)初 見端倪，并被用于結(jié)直腸癌的精準(zhǔn)診斷和治療，甚至預(yù)測遠(yuǎn) 期效果。(一) 結(jié)直腸癌相關(guān)分子檢測及意義1錯配修復(fù)( mismatch repair ，MMR )狀態(tài)：MMR 基因可 修正 DNA 復(fù)制過程中出現(xiàn)的錯誤， 以保證 DNA 復(fù)制的準(zhǔn)確性。其主要包括 MLH1 、MSH2 、 MSH6 和 PMS2 等基因。 MMR 基因功能缺陷常導(dǎo)致微衛(wèi)星體（ microsate

12、llite ，MS ） 的長度發(fā)生變化，稱微衛(wèi)星體不穩(wěn)定（ microsatellite instability ，MSI ）。約 15 結(jié)直腸癌的發(fā)生與 MMR 基因功 能缺陷有關(guān)。腫瘤 DNA 可檢出高頻度的 MSI （ MSI-H ）， 其中約 12 為 MLH1 基因啟動子甲基化所致的散發(fā)性 MSI-H 腫瘤，約 3見于 MMR 胚系突變所致的 Lynch 綜合 征患者。 臨床 MSI-H 腫瘤具有右半結(jié)腸多見、 組織學(xué)類型以 伴黏液腺癌或低分化腺癌多見等特點(diǎn)。另外， MSI-H 腫瘤對 以氟尿嘧啶（ 5-FU ）為主的化療不敏感，但預(yù)后好于微衛(wèi)星 穩(wěn)定（ microsatellite

13、 stable ，MSS ）的腫瘤。因此， NCCN 結(jié)直腸癌臨床實踐指南建議：（1）所有期腫瘤患者應(yīng)進(jìn)行MMR狀態(tài)檢測，以指導(dǎo)治療和提示預(yù)后；（2）年齡W 70歲或 70 歲但符合 Bethesda 指南的患者， 應(yīng)檢測腫瘤 MMR 狀態(tài)以排除 Lynch 綜合征。 需要強(qiáng)調(diào)的是， 為提高 Lynch 綜 合征的檢出率，越來越多的機(jī)構(gòu)對初診結(jié)直腸癌患者進(jìn)行 MMR 狀態(tài)篩查。2KRAS/NRAS 基因突變檢測： 雖然大多數(shù)結(jié)直腸癌均可檢出 EGFR 高表達(dá)，但 EGFR 基因 在結(jié)直腸癌中的突變率僅有 1%2%，研究顯示，EGFR狀 態(tài)并不能預(yù)測抗 EGFR 單克隆抗體的靶向治療反應(yīng)。 RA

14、S/RAF/MAPK 通路位于 EGFR 下游， RAS 突變后無需 EGFR 接受信號即可自動活化該通路，引起細(xì)胞增殖。 因此，只有 RAS 基因野生型患者才對 EGFR 單抗治療有效。 KRAS基因在結(jié)直腸癌中突變率約為40%。NRAS突變率約4%。2015 年版 NCCN 結(jié)直腸癌臨床實踐指南建議對所有轉(zhuǎn) 移性結(jié)直腸癌進(jìn)行 KRAS 和 NRAS 突變檢測。有突變者不 宜采用抗 EGFR 靶向治療。3BRAF 基因突變檢測：BRAF在結(jié)直腸癌中的突變率為 5%15 %，在MSI-H腫瘤 中突變率明顯高于 MSS 腫瘤。 BRAF 突變與 KRAS 突變通 常為互斥的。NCCN指南建議，對

15、KRAS/NRAS 野生型的W 期患者可選擇 BRAF 突變檢測。盡管 BRAF 基因狀態(tài)對 EGFR 單抗的預(yù)測作用尚存在爭議，但多數(shù)研究認(rèn)為 BRAF 突變提示預(yù)后不良。此外，由于 BRAF-V600E 突變僅見于 MLH1 啟動子甲基化所致的 MSI-H 腫瘤中，故該檢測還可用 于區(qū)分散發(fā)性和 Lynch 綜合征相關(guān)性 MSI-H 腫瘤。4其他分子檢測指標(biāo)： 雖然 RAS 基因野生型患者可選擇抗 EGFR 靶向治療，但仍有近半數(shù)的患者對治療無反應(yīng)，研究 者在繼續(xù)尋找其他療效預(yù)測標(biāo)記。PIK3CA為PI3K （磷脂酰肌醇 -3-激酶）的催化亞基，參與 PI3K/PTEN/Akt/mTOR

16、信 號通路的調(diào)控， 是 EGFR 的下游信號分子， 在結(jié)直腸癌患者 中的突變率為 15% 20% 。研究顯示， PIK3CA 基因突變型 結(jié)直腸癌患者預(yù)后較差， 且對 EGFR 單抗治療不敏感。 因此， PI3KCA 基因突變檢測在提示結(jié)直腸癌患者預(yù)后和指導(dǎo)治療 方面的意義備受關(guān)注。 該通路中另一重要基因 PTEN 在結(jié)直腸癌中的缺失發(fā)生率達(dá) 15%20% ,也被認(rèn)為可能對 EFGR 單抗的療效有預(yù)測作用。二磷酸尿苷葡萄糖醛酸轉(zhuǎn)移酶 （uridine diphosphate glucuronosyltransferase， UGT1A1 ）參與伊立替康在體內(nèi)的代謝， 但 UGT1A1 基因的多

17、態(tài)性可導(dǎo) 致部分患者對伊立替康的滅活能力降低，造成藥物在體內(nèi)的 蓄積和不良反應(yīng)。 UGT1A1*28（7/7 ）基因型患者需降低伊立 替康用量。因此，用藥前可對患者的 UGT1A1*28 多態(tài)性進(jìn) 行檢測。 （二）結(jié)直腸癌癥的分子標(biāo)志物篩選和分子分 型 2012 年， TCGA 計劃項目在 Nature 雜志發(fā)布了 人類結(jié)直腸癌的綜合分子標(biāo)志物特征。2012 2014 年相繼出現(xiàn)了 6 個相互獨(dú)立、基于基因表達(dá)的結(jié)直腸癌亞型分類系 統(tǒng)。 6 個分類系統(tǒng)間有共性，但是，相互間在亞型數(shù)量和釋 義方面的不一致也顯而易見。為解決分類系統(tǒng)間的沖突并促進(jìn)臨床轉(zhuǎn)化，來自全球多個國家的專家組建了結(jié)直腸癌 分型

18、團(tuán)隊，整合基因突變、拷貝數(shù)、甲基化、 microRNA 和 蛋白質(zhì)組學(xué)信息，以評估基于基因表達(dá)的結(jié)直腸癌分型中的 核心亞型。專家團(tuán)將納入分型的 4151 例患者的癌癥基因組 信息，采用集成網(wǎng)絡(luò)化分析模式，將上述具有關(guān)聯(lián)性的 6 個 獨(dú)立分類系統(tǒng)合并為 4 個各具特征的共識分子亞型 （consensus molecular subtype ， CMS ）：（ 1 ）CMS1 型（微 衛(wèi)星不穩(wěn)定的免疫型，占 14% ），表現(xiàn)為高突變性，微衛(wèi)星 不穩(wěn)定及免疫高度活化； （ 2 ）CMS2 型（經(jīng)典型， 占 37% ）， 表現(xiàn)為上皮細(xì)胞分化， WNT 和 MYC 信號通路顯著激活；（3） CMS3 型

19、（代謝型，占 13% ），表現(xiàn)為上皮細(xì)胞分化，明顯 的代謝失調(diào)；（4） CMS4型（間質(zhì)型，占23% ）,表現(xiàn)為轉(zhuǎn) 化生長因子TGF- B顯著激活，間質(zhì)浸潤和血管新生。目前， CMS 分型是最有力的結(jié)直腸癌分類系統(tǒng)，具有清楚的生物 判讀性，可能成為未來臨床分層和基于分型的靶向干預(yù)的基 礎(chǔ)。 關(guān)于基因組異常， CMS1 型表現(xiàn)高突變性和低頻體 細(xì)胞拷貝數(shù)改變（ somatic copy number alterations ， SCNAs ）。 CMS1 型包含大部分 MSI 腫瘤，反向蛋白芯片（ RPPA ）分析證實其過表達(dá)參與 DNA 損傷修復(fù)的蛋白， 符 合 DNA 錯配修復(fù)缺陷。正如預(yù)期

20、，分析 TCGA 甲基化譜顯 示 CMS1 腫瘤表現(xiàn)為廣泛高甲基化狀態(tài)。相反地，測量 SCNAs 數(shù)目可以顯示 CMS2 型和 CMS4 型的染色體不穩(wěn)定 性（ CIN ）更高。相對于其他類型，在 CMS2 型腫瘤中檢測 到原癌基因拷貝數(shù)更高及抑癌基因拷貝數(shù)缺失。特別指出， CMS3 型在全基因組和表觀遺傳模式上與其他 CIN 腫瘤不同：（ 1） SCNAs 始終更少， 這種關(guān)系無法用腫瘤純度差異解釋； （2）近 30樣本高突變，這與 MSI 狀態(tài)重疊；（ 3） CpG 島 甲基化表型（ CIMP ）頻發(fā)在 TCGA 樣本中低群集，基 因甲基化水平中等。 關(guān)于基因突變， 雖然 CMS1 型高發(fā)

21、 BRAF 突變（符合已知的與 MSI 腫瘤相關(guān)）及 CMS3 型高 發(fā) KRAS 突變， 但是， 沒有任何一種亞型被一項單獨(dú)的基因 突變所定義，也沒有任何一種基因突變被限定在一種亞型內(nèi)。 與之類似，雖然 CMS2 型富含編碼轉(zhuǎn)錄因子 HNF4A 基因拷 貝，卻未發(fā)現(xiàn) SCNA 與某一種亞型有密切關(guān)系。 由于單基因 突變無法清晰地描述 CMS 的組別，專家組試圖用 TCGA 數(shù) 據(jù)綜合分析突變和拷貝數(shù)改變以尋找可能突出不同亞型生 物學(xué)特性的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。 然而， 除了發(fā)現(xiàn) CMS1 和 CMS3 中幾乎普遍存在的受體酪氨酸激酶（ RTK ）和絲裂原活化蛋 白激酶（ MAPK ）通路激活外，未識

22、別出特殊的相關(guān)性。這 支持了在結(jié)直腸癌這種基因型和表型相關(guān)性很差的疾病中， 盡管在基因?qū)用嫔暇哂心承┕餐尿?qū)動因素，但腫瘤的生物 學(xué)行為仍然有顯著差異。 通過對基因表達(dá)數(shù)據(jù)以及通路 激活信息的詳細(xì)分析，釋放出大量的 CMS 分型的生物學(xué)信 息。 CMS1 型的特點(diǎn)是免疫細(xì)胞彌漫浸潤相關(guān)基因高表達(dá)， 主要涉及 TH1 和細(xì)胞毒 T 細(xì)胞，伴隨免疫逃逸通路的高強(qiáng) 度激活， 這是 MSI 結(jié)直腸癌的一個新特點(diǎn)。 CMS2 型腫瘤表 現(xiàn)為上皮細(xì)胞分化， WNT 和 MYC 下游靶點(diǎn)上調(diào)， 兩者均為 結(jié)直腸癌發(fā)生的經(jīng)典通路。相反， CMS3 型雖然也表現(xiàn)為上 皮細(xì)胞分化， 但富含多種代謝產(chǎn)物， 被認(rèn)為與發(fā)生 KRAS 激 活突變所需的代謝環(huán)境相適應(yīng)。 CMS4 型的特點(diǎn)為腫瘤上皮 向間質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)化（ epithelial-to-mesenchymal transition ， EMT）相關(guān)基因表達(dá)的明顯上調(diào)， 表現(xiàn)為TGF- B信號通路、 血管生成、基質(zhì)重塑通路和補(bǔ)體介導(dǎo)的炎性反應(yīng)系統(tǒng)的激活。此外， CMS4 型腫瘤樣本也表現(xiàn)出與基質(zhì)浸潤相一致的基因 表達(dá)譜，細(xì)胞外基質(zhì)蛋白的過表達(dá)及標(biāo)本中檢出更多的非腫 瘤細(xì)胞。 CMS 分型與臨床指標(biāo)之間也存在顯著關(guān)聯(lián)。 CMS1 型常見于女性右半結(jié)腸癌中，表現(xiàn)為相對更高的組織 病理分化級別。與之相反， CMS