生物標(biāo)志物的簡介及面臨的挑戰(zhàn)和希望

“Biomarker” 這個(gè)詞在用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域之前，多見于地質(zhì)學(xué)文獻(xiàn)，曾被翻譯成“生物標(biāo)志化合物”，指的是地質(zhì)材料中來自于活的生物體的一些有機(jī)化合物。上世紀(jì)六十年代，這一詞匯開始出現(xiàn)在醫(yī)學(xué)文獻(xiàn)中。上世紀(jì)八十年代，它被正式地引入到生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對(duì)它也曾有過不同的描述。2001年，美國NIH 召集的生物標(biāo)志物定義工作組（Biomarkers Definitions Working Group）對(duì)生物標(biāo)志物給出了一個(gè)定義：它是指“一種可客觀檢測和評(píng)價(jià)的特性（characteristic），可作為正常生物學(xué)過程、病理過程或治療干預(yù)藥理學(xué)反應(yīng)的指示因子”。

生物標(biāo)志物定義的提出意味著人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)更加明確，也反映出人們對(duì)它的關(guān)注。這一定義提出后的十幾年，也是生物芯片、新一代測序等高通量技術(shù)快速發(fā)展的十幾年。伴隨著這些檢測技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了海量的有關(guān)生物標(biāo)志物的數(shù)據(jù)，發(fā)表了大量的相關(guān)文獻(xiàn)。圍繞生物標(biāo)志物的發(fā)現(xiàn)、篩選、驗(yàn)證以及應(yīng)用等環(huán)節(jié)而產(chǎn)生的市場也在不斷擴(kuò)大。據(jù)估計(jì)，2015年全球生物標(biāo)志物相關(guān)市場總額為241億美元，預(yù)計(jì)以13.58%的復(fù)合年增長率增長，至2020年，市場總額將增長至455.5億美元。生物標(biāo)志物主要應(yīng)用在醫(yī)療診斷和藥物研發(fā)等領(lǐng)域，它已成為這些領(lǐng)域的重要主題。

一. 生物標(biāo)志物的分類

從生物標(biāo)志物的定義可以看出，生物標(biāo)志物涵蓋的范圍廣泛，而且，隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步，更多的特異性的檢出結(jié)果可被視為生物標(biāo)志物。人們從不同的角度對(duì)它進(jìn)行了分類。

根據(jù)生物標(biāo)志物的潛在用途，可將其分為四類。

1．用于疾病診斷的生物標(biāo)志物。它包括疾病早期診斷或預(yù)后標(biāo)志物。這類標(biāo)志物目前應(yīng)用最廣，影響最大，人們也最為熟悉。例如，常規(guī)體檢檢測的血壓、血糖以及其它一些檢測指標(biāo)。它反映了疾病的存在與否，有時(shí)也反映疾病的進(jìn)程。 隨著技術(shù)的進(jìn)展，這類標(biāo)志物不再單單是一些生化指標(biāo)。一些遺傳學(xué)指標(biāo)也被視為這類生物標(biāo)志物。

2. 用于檢測疾病活動(dòng)的生物標(biāo)志物。這類標(biāo)志物被用來評(píng)估疾病的嚴(yán)重程度，或評(píng)估療效。有時(shí)也被用來檢測藥物的毒副作用。有些生物標(biāo)志物身兼多職，也具有診斷的功能。譬如上述的血壓血糖指標(biāo)。C反應(yīng)蛋白(C-Reaction Protein, CRP)是這類標(biāo)志物的一個(gè)代表。它能極好地反映類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的病程以及干擾素對(duì)該病的療效。

3. 反映藥物作用效果的生物標(biāo)志物。這類標(biāo)志物最受醫(yī)藥工業(yè)界重視。與上一類型也有些重疊。它們直接反映了藥物與靶標(biāo)（受體或酶）的結(jié)合情況以及藥理學(xué)效果。例如，一些影像結(jié)果可以作為藥物作用的標(biāo)志物。對(duì)神經(jīng)退行性疾病患者腦部進(jìn)行D2 受體造影，可以證明相關(guān)藥物的效果；對(duì)II型糖尿病患者的血糖漂移進(jìn)行測定，可以證實(shí)DPP4抑制劑型藥物西格列汀（sitagliptin）的療效。這類標(biāo)志物在新藥申請(qǐng)時(shí)可以作為直接的證據(jù)證明藥物的作用機(jī)制及效果，可以顯著縮短申請(qǐng)周期。

4. 與藥代動(dòng)力學(xué)有關(guān)的生物標(biāo)志物。藥物的轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝涉及到藥物的療效，也涉及到藥物的毒副作用。轉(zhuǎn)運(yùn)或代謝過程的效率不同個(gè)體可能有差異，這與遺傳有關(guān)。因此，有時(shí)需要參考分子遺傳學(xué)層面的生物標(biāo)志物，合理地選擇藥物或決定藥物劑量。這在某些抗癌藥的使用方面需要特別注意。例如，抗癌藥物抗癌妥（Irinotecan）由膽紅素尿苷二磷酸葡萄醣醛酸酶（UDP- glucuronosyltransferase,  UGT1A1）催化后，經(jīng)膽汁和尿液排出體外。但UGT1A1*28基因型的患者使用該藥時(shí)需要謹(jǐn)慎。因?yàn)椋琔GT1A1*28等位基因與藥物代謝有關(guān)。再如，使用免疫抑制藥物硫唑嘌呤（Azathioprine）時(shí)需要檢查TPMP基因位點(diǎn)以減少藥物毒副作用的影響。。

如果從生物標(biāo)志物的自然屬性的角度，則可將其分為核酸（DNA,RNA）類、蛋白類、糖及其衍生物類等不同類型。

 

核酸類標(biāo)志物的研究進(jìn)展近十幾年來非�？�，這得益于核酸測序等技術(shù)的飛速發(fā)展。畢竟，核酸的組成與結(jié)構(gòu)比蛋白簡單。DNA類型的標(biāo)志物代表了以下變化或現(xiàn)象：SNPs，InDels，CNVs，甲基化等修飾，細(xì)胞遺傳學(xué)水平的染色體插入、缺失、重排或重復(fù)，單倍型，短序列重復(fù)等等。RNA類型的標(biāo)志物包括：RNA序列，RNA表達(dá)水平，轉(zhuǎn)錄組，RNA加工，非編碼RNA(microRNA,lncRNA),等等。

蛋白類的生物標(biāo)志物人們對(duì)它認(rèn)識(shí)和利用的時(shí)間較長。前面已經(jīng)提到，常規(guī)體檢用到的一些蛋白指標(biāo)（酶類），屬于這類標(biāo)志物。用于檢測這些標(biāo)志物的樣品如血液、唾液易于獲得，檢測程序也不煩瑣，因此，它們得到臨床上的廣泛應(yīng)用。近年來, 蛋白質(zhì)組（proteome）學(xué)的發(fā)展促進(jìn)了這類標(biāo)志物的研究。

糖組（glycome），類似于基因組或蛋白質(zhì)組，是一個(gè)生物體或細(xì)胞中全部糖類的總和，包括簡單的糖類和綴合的糖類。在糖綴合物(糖蛋白和糖脂等)中的糖鏈部分有龐大的信息量。一些蛋白的糖基化與疾病有關(guān)。某些多聚糖可作為乳腺癌標(biāo)志物。

除以上類型外，一些代謝組學(xué)（metabolomics）的研究結(jié)果也被用于生物標(biāo)志物的研發(fā)中。代謝組（metabolome）是指生物體內(nèi)源性代謝物質(zhì)的動(dòng)態(tài)整體。理論上代謝物包括核酸、蛋白質(zhì)、脂類生物大分子以及其他小分子代謝物質(zhì)。但目前只涉及相對(duì)分子質(zhì)量約小于1000的小分子代謝物質(zhì)。代謝物（metabolite）的數(shù)與量的變化可作為某些疾病的指征。


二. 生物標(biāo)志物的研究技術(shù)與策略

生物標(biāo)志物的覆蓋范圍如此之廣，其研究技術(shù)也是多種多樣。幾乎所有可用于研究核酸、蛋白質(zhì)、糖類等生物大分子的技術(shù)都能用于生物標(biāo)志物研究上。

 

對(duì)于核酸類的標(biāo)志物，例如SNPs, CNVs，microRNAs和lncRNAs等，可用測序或基因芯片的等技術(shù)檢測；對(duì)于蛋白、多肽類生物標(biāo)志物，可以采用的技術(shù)有質(zhì)譜分析（Mass Spectrometry,MS）、高效液相色譜分析（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）、液質(zhì)聯(lián)用（LCMS）、雙向電泳(Two-Dimensional Gel Electrophoresis, 2DGE)以及蛋白芯片等；對(duì)于代謝組和糖組類生物標(biāo)志物，也可采用上述的一些技術(shù)。圖1 顯示了生物標(biāo)志物研究的常用技術(shù)。

圖1. 用于生物標(biāo)志物研究的一些技術(shù)

三. 高通量組學(xué)技術(shù)在生物標(biāo)志物研究中的應(yīng)用


進(jìn)入本世紀(jì)以來，生物芯片、新一代測序等高通量技術(shù)快速發(fā)展和成熟，極大地助推了生物標(biāo)志物的研究。這些技術(shù)，不但可以發(fā)現(xiàn)某一基因或其表達(dá)產(chǎn)物的變異，也可以在整體層面上提示基因間的相互作用、基因間的功能關(guān)系。許多與遺傳有關(guān)的人類復(fù)雜疾病的發(fā)病涉及了不止一個(gè)基因功能網(wǎng)絡(luò)。如果每個(gè)網(wǎng)絡(luò)由各自的生物標(biāo)志物代表，那么，這些標(biāo)志物的組合（biomarker panel）則可以更加客觀地反映出復(fù)雜疾病的狀態(tài)。組合式的生物標(biāo)志物兼顧了檢測的敏感性和特異性，在檢驗(yàn)結(jié)果的重復(fù)性方面也更勝一籌。轉(zhuǎn)錄組學(xué)、蛋白組學(xué)、代謝組學(xué)等組學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了這一類型標(biāo)志物的研發(fā)。

上海伯豪生物技術(shù)有限公司作為高通量組學(xué)技術(shù)服務(wù)的供應(yīng)商，見證和參與了多種疾病診斷新型生物標(biāo)志物的研究。 2011年，公司協(xié)助相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)使用Agilent microRNA芯片對(duì)肝癌患者、肝硬化患者、慢性乙型肝炎患者以及正常人群的血清血漿microRNA表達(dá)譜進(jìn)行了研究，篩選出15個(gè)明顯差異表達(dá)的 microRNA，用RT-PCR的方法進(jìn)行驗(yàn)證，最終建立了一個(gè)包含7個(gè)microRNA的panel，用以區(qū)分肝癌患者和其它對(duì)照人群。這項(xiàng)研究成果對(duì)于肝癌的早期診斷和治療有重大意義。2010年，伯豪公司與合作單位利用Agilent芯片平臺(tái)，在幾萬個(gè)基因中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)對(duì)腫瘤有舉足輕重作用的基因 ——SCARA5，該基因可作為一個(gè)有開發(fā)潛力的標(biāo)志物，用于肝癌的新型診斷和治療。這一研究成果受到國際同行的高度評(píng)價(jià)。

除上面提到的基因芯片技術(shù)外，高通量的新一代測序技術(shù)、蛋白芯片技術(shù)以及多種驗(yàn)證技術(shù)，在復(fù)雜疾病的生物標(biāo)志物發(fā)現(xiàn)過程中也顯示出巨大的優(yōu)勢，這也是上海伯豪在多年的技術(shù)服務(wù)過程中所感受到的。

四. 生物標(biāo)志物研究面臨的挑戰(zhàn)和希望

生物標(biāo)志物的重要意義目前主要體現(xiàn)在醫(yī)藥方面。發(fā)現(xiàn)一種有效的疾病生物標(biāo)志物，其社會(huì)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值有時(shí)不亞于開發(fā)出一種新藥。生物標(biāo)志物的應(yīng)用使得分層醫(yī)學(xué)（stratified medicine）和個(gè)性化醫(yī)療成為可能。這些新的醫(yī)療模式縮短了新藥申報(bào)周期，節(jié)省了藥物研發(fā)的費(fèi)用，在治療上更有針對(duì)性，也為患者省去了不必要的開支。基于生物標(biāo)志物檢測的靶向療法為腫瘤和一些遺傳性疾病的治療帶來了希望。醫(yī)藥學(xué)界和不少藥物研發(fā)機(jī)構(gòu)投入了巨資用于新型生物標(biāo)志物的研發(fā)。

高通量技術(shù)的出現(xiàn)，以前所未有的力量加速了生物標(biāo)志物研究數(shù)據(jù)的產(chǎn)出。有關(guān)生物標(biāo)志物的研究項(xiàng)目和文獻(xiàn)報(bào)道日益增多。但在巨額投入下展現(xiàn)的一個(gè)事實(shí)是，目前真正可用于疾病診斷的敏感而特異的單個(gè)的生物標(biāo)志物仍然不多。組合式的生物標(biāo)志物提高了敏感性和特異性，但有時(shí)檢測結(jié)果在不同人群中的重復(fù)性不理想。原因除了在于檢測技術(shù)的差異和數(shù)據(jù)處理方式的不同外，還在于病人遺傳背景的不同。有些疾病，不同個(gè)體之間的生物標(biāo)志物基礎(chǔ)值差別較大，在檢測結(jié)果陽性和陰性的判斷上帶來了問題。如何在海量的數(shù)據(jù)中挖掘出有意義的信息并用于生物標(biāo)志物的研發(fā)，如何才能更準(zhǔn)確地推出有臨床意義、經(jīng)得起臨床驗(yàn)證的生物標(biāo)志物，確實(shí)是相關(guān)研究面臨的一大挑戰(zhàn)。但有理由相信，隨著檢測技術(shù)的進(jìn)步、更理想的統(tǒng)計(jì)分析方法或算法的推出、更大容量更全面的病例樣本的使用以及人們對(duì)生命活動(dòng)細(xì)節(jié)認(rèn)識(shí)的不斷加深，越來越多的、理想的生物標(biāo)志物將被發(fā)現(xiàn)并且在臨床實(shí)踐中得到應(yīng)用。

總結(jié)

生物標(biāo)志物是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)實(shí)施的有力工具。它涵蓋的類型多，范圍廣。目前，高通量組學(xué)技術(shù)在生物標(biāo)志物的研發(fā)中得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用高通量技術(shù)研究生物標(biāo)志物，不乏挑戰(zhàn)，但這類研究仍然充滿希望。