肿瘤早期预警生物标志物的研究与思考

寻找肿瘤预警生物标志物这个老话题源自人们对尽可能早地、无创/微创地发现肿瘤或预知肿瘤发病风险的渴求。由于肿瘤细胞的产生从基因变异起步，并最终表现为包括基因在内的一系列生物学特性的改变，如果发生改变的物质能够释放到体液里或出现在细胞中，就在理论上有可能通过无创或微创手段被发现和追踪。

纵观几十年来医学科学界的不断努力，被发现的具有预警标志物潜能的物质可按照生物学类型分为核酸类(基因组、循环肿瘤DNA、DNA甲基化、转录组、长链非编码RNA、微小RNA、信使RNA等)、蛋白类(蛋白组、肿瘤抗原、细胞因子等)、抗体类(肿瘤相关抗原自身抗体等)、代谢产物、细胞因子、微生物、外泌体、核小体等多种类别^[1-9]。

然而，虽有大量的研究报道，时至今日却几乎没有预警生物标志物能够在肿瘤临床和早期筛查工作中得到广泛应用。大量研究更多关注采用最新的技术方法去发现新型生物标志物，但一直未能解决研究设计与样本和预警目标不匹配、研究结果可重复性不佳所致难以进行人群推广应用的关键问题^[10-12]。导致研究结果、结论难以转化为可用、好用的预警工具应用于肿瘤防治与管理实践一线^[13]。

面对这一问题，本课题组依托两个建立多年的“自然人群专病筛查队列”(“评价内镜筛检食管癌效果与卫生经济学价值的人群随机对照研究队列，ESECC cohort, NCT01688908”^[14]和“安阳食管癌队列, AECCS”^[15])，基于大规模、多断面食管癌筛查和随访检出的早期恶性病变病例和基线生物样本，采用“巢式病例对照”研究设计，微观标志物与宏观流行病学数据相结合，系统探索食管癌的早期预警生物标志物。证明：(1)血清中3种肿瘤相关抗原自身抗体可实现食管恶性病变现患的早期诊断^[16]；(2)食管内镜活检组织“NOTCH1基因突变”与“CDKN2A基因缺失”可有效预测癌前病变进展为癌的整体风险^[17]；(3)口腔11个菌种的分布特征谱与食管恶性病变现患和累积发病风险相关^[18]。

基于该系列研究工作，结合本领域发展现状，我们对恶性肿瘤预警生物标志物的类别划分、适宜设计和实践应用等方面做如下思考与讨论。

1. 预警生物标志物检测时间窗决定其预警意义和价值

生物标志物除具备不同的生物学特性外，其在时间维度上的检测时间窗也依据不同类型标志物有所不同。按照可被检出的时间点及其预警作用可将其分为3种类型(图 1)。

图 1.

肿瘤生物标志物的检测时间窗模式图

A型生物标志物在肿瘤发生前已出现系统改变。广义上，大量的全基因组关联研究(genome-wide association studies, GWAS)所揭示的遗传易感基因位点及后续所构建的遗传评分当属此类。这类基因变异是进化过程造成的微小改变，并不明确地产生不利影响，只是在特定条件下造成对疾病的易感。A型标志物主要应用于正常个体或人群，以评估一定时间甚至相当长时间后恶性肿瘤发生发展的中、远期概率，从而发挥“远期发病风险预测”作用。然而，尽管某些基因的改变可预示肿瘤发病风险，但因为它们对表型影响效应微弱，在细胞癌变的漫长过程中，还需要环境危险因素暴露的协同作用。这种复杂过程的不确定性使得这类标志物尚未找到恰当的应用场景。

B型生物标志物往往在癌症的中、晚期阶段机体发生系统性紊乱而出现特异性改变，主要由肿瘤细胞大量产生并释放到体液。目前已广泛应用于临床的肿瘤标志物(如癌胚抗原、甲胎蛋白、糖类抗原125、糖类抗原155、糖类抗原199等)当属此类。由于其出现较晚，因此基本不具备提前预警肿瘤的作用，常被用于肿瘤复发、治疗效果或生存预后的提示。

C型生物标志物在肿瘤发生后出现改变，并在早期癌阶段与健康个体即出现系统性差异，由于这些分子的改变发生在肿瘤临床诊断之前，如果能通过无创/微创的手段检测到，则能够发挥“早期预警和诊断”作用。因此，C型标志物主要应用于识别已经携带有早期恶性病变但由于尚无症状或症状较轻而患者本人并不自知的个体或人群，可依据生物标志物的检测结果进行当下患病风险提示，发挥“现患风险预测”作用。C型生物标志物是3种标志物中唯一能够真正报告早期阶段恶性病变存在的标志物。需要强调的是，这类预警标志物也是细胞癌变的产物。它们的出现一定是先有癌变细胞并依赖于癌变细胞的数量与活跃水平，也即肿瘤负荷。因此它们被发现需要特定“时间窗”，在研究中需要获得特殊人群在患病后、诊断前的生物样本，也因此在研究设计与样本资源上提出了很高的要求。

2. 预警生物标志物研究的资源平台与研究设计是重中之重

为提前“预警”肿瘤发生发展的风险，早期预警生物标志物必须有能力区分早期疾病患者和健康对照，因此“早期病例”是预警标志物研究的理想对象。而在大量现有的研究工作中，研究者多是受限于可行性而采用基于医院收集的临床肿瘤患者生物样本，并通过比较病例与健康志愿者对照间生物标志物水平的差异推测其早期预警能力。由于临床患者的分期相对较晚^[19]，基于医院开展“比较临床中晚期病例和健康个体”的研究所得结果无法排除实际缺乏早期预警能力的B型生物标志物的影响^[20]，导致相关研究结果难以转化为可以推广应用的风险预警工具。

基于医院开展的预警标志物研究在结果可靠性和实际可推广性方面存在天然瓶颈，且这一瓶颈源自研究对象与设计的局限，无法通过检测技术创新得以解决。利用“早期恶性病变病例的诊断前生物标本”，对生物标志物在不同场景下的预警作用能力进行评估和验证，是突破目前该领域局限、推动预警生物标志物研究迈向实际应用的根本路径。在此方面，相对于其他队列类型(如非专病的观察性队列)，“基于自然人群建立的专病筛查队列”因其具有理想的真实世界人群代表性、多种类生物样本采集、不同时点患病状态的准确判定，以及有针对性地收集专病特异的危险因素数据等优势，而在早期预警标志物研究领域具有不可替代的重要价值。依托此种队列开展的横断面研究、巢式病例对照研究、病例队列研究及经典的前瞻性队列研究是首选设计类型。

3. 生物标志物预警意义与应用场景需要明确

预警生物标志物的研究，其最终目的是希望通过早期预警实现早期诊断和早期干预，从而改变疾病的自然进程，避免恶劣结局发生概率。因此，预警生物标志物研究需全面考量生物标志物的预警含义、相关干预处置措施，以及对疾病诊疗的整体影响。按照前述生物标志物分类，除占恶性肿瘤比例很小的“单基因遗传性”肿瘤外，人们尚未发现可准确预测肿瘤发病的远期风险指标。大多数肿瘤不管是否有“遗传易感性”，均应通过改变不良生活习惯和避免不利环境因素积极预防。仅凭携带某些易感基因，很难在具体时间点对干预措施和干预效果提出明确指导。而C型“现患风险预测标志物”的检测结果提示个体当下的患病风险，高风险个体可寻求进一步筛检和早期诊断试验，按照相应临床指南进行治疗或监测，有助于实现精准筛查并起到降费增效、减少附带损害的积极作用。此类预警生物标志物的应用场景和处置措施明确，在目前大规模癌症人群防治大背景下具有重要的公共卫生意义。

综上所述，有现实意义的恶性肿瘤早期预警生物标志物主要依赖于细胞癌变的发生和足够的癌细胞数量累积，因此，在完全未发病时的远期风险预测标志物尚难以找到应用抓手。利用更严谨的流行病学设计和专病人群队列资源，寻找对当下疾病早期状态具有预测和诊断价值的生物标志物，对国家在“健康中国2030计划”中强调的针对高发地区重点癌症开展早诊早治工作、推动癌症机会性筛查将具有重要和广泛的应用价值，同时也对认识肿瘤早期分子改变具有理论意义。

Biographies

柯杨，教授，研究员，博士生导师，美国医学科学院外籍院士，北京大学肿瘤医院遗传学研究室主任。北京大学原常务副校长、北京大学医学部原常务副主任、第十一/十二届全国政协委员。现任北京大学校友会常务副会长、北京大学医学部校友会会长、中国女医师协会副会长、中国癌症基金会副理事长、北京癌症防治学会轮值理事长、北京医师协会安宁疗护专委会主任、中国老年学老年医学学会老年教育分会主任等职务。 主要研究方向为上消化道恶性肿瘤的病因及其机制，人群精准防治技术策略及健康相关大数据的转化应用。前期克隆多个新的癌变相关基因并进行了功能探索。近年来致力于食管癌人群及分子流行病学方向，在食管癌高发区建立两个大型人群队列，开展了“食管癌流行病学及病因学”“人乳头状瘤病毒(HPV)感染的分子流行病学”“食管癌精准化早期筛查与诊断的关键技术和适宜策略”等系统科研工作，为我国食管癌高发病因探索、HPV相关肿瘤的人群防控、内镜筛检食管癌效果及其卫生经济学评价等重大科学问题提供高规格流行病学证据。 主持863计划、973计划、国家自然基金、科技部重大项目、卫生部公益性行业科研专项、北京市自然科学基金重大项目、北京市科委重大项目等。累计发表中英文科研论文百余篇，被引用1 000余次。培养各类研究生60余名，申请国内外专利10余项。曾获卫生部首届百名科技之星、北京市科技进步二等奖、卫生部科技进步三等奖、国家科技进步二等奖等奖项

何忠虎，北京大学肿瘤医院研究员，博士生导师，遗传学研究室副主任，基础教研室副主任，北京大学肿瘤医院临床研究管理委员会委员，北京肿瘤医院伦理委员会委员。入选“北京市百千万人才工程”和“北京市卫生系统高层次卫生技术(215)人才计划”。 研究方向为“恶性肿瘤精准防治的人群与临床流行病学研究”和“健康相关大数据的挖掘应用”。聚焦我国上消化道肿瘤精准防诊治领域关键瓶颈问题，带领团队长期扎根我国农村高发区一线，与地方政府及医疗机构合作建立研究基地，开展系统性攻关工作。 承担国家重点研发计划、国家科技基础资源调查重点专项、国家自然科学基金、973计划、北京市自然科学基金、北京市消化协同中心重点项目等纵向课题十余项。累积发表科研论文80余篇，其中第一/责任作者英文论文43篇(总IF: 376.64)，主编/参编专著4部，申报发明专利4项，获批软件著作权1项