本文關(guān)鍵詞：腫瘤異質(zhì)性:精準醫(yī)學需破解的難題，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

引用本文

涂超峰, 綦鵬, 李夏雨, 莫勇真, 李小玲, 熊煒, 曾朝陽, 李桂源. 腫瘤異質(zhì)性:精準醫(yī)學需破解的難題[J]. 生物化學與生物物理進展, 2015, 42(10): 881-890

TU Chao-Feng, QI Peng, LI Xia-Yu, MO Yong-Zhen, LI Xiao-Ling, XIONG Wei, ZENG Zhao-Yang, LI Gui-Yuan. Tumor Heterogeneity: The Challenge of Precision Medicine[J]. Progress in Biochemistry and Biophysics, 2015, 42(10): 881-890

腫瘤異質(zhì)性:精準醫(yī)學需破解的難題

涂超峰1,2, 綦鵬2, 李夏雨3, 莫勇真2, 李小玲1,2,3, 熊煒1,2,3, 曾朝陽1,2,3

, 李桂源1,2,3

    

1. 中南大學湘雅醫(yī)學院附屬腫瘤醫(yī)院, 湖南省腫瘤醫(yī)院, 長沙 410013;
2. 中南大學腫瘤研究所, 衛(wèi)生部癌變原理重點實驗室及教育部癌變與侵襲原理重點實驗室, 長沙 410078;
3. 中南大學湘雅三醫(yī)院疾病基因組研究中心, 湖南省非可控性炎癥與腫瘤重點實驗室, 長沙 410013

學科分類號: R73，Q7

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863)(2012AA02A206),國家自然科學基金(81172189,81272298,81372907,81301757,81472531,81402009,81528019,81572787)和湖南省自然科學基金(14JJ1010,2015JJ1022)資助項目..

** 通訊聯(lián)系人.Tel: 0731-84805383
曾朝陽. E-mail: zengzhaoyang@csu.edu.cn
李桂源. E-mail: lgy@csu.edu.cn

收稿日期: 2015-07-17; 接受日期: 2015-09-10

摘要：腫瘤異質(zhì)性是惡性腫瘤的重要特征,表現(xiàn)為同一種惡性腫瘤不同患者個體之間或者同一患者體內(nèi)不同部位腫瘤細胞間從基因型到表型上存在的差異.這種差異可表現(xiàn)為不同的遺傳背景、不同的病理類型、不同的分化狀態(tài)、不同的基因突變譜和轉(zhuǎn)錄組、蛋白質(zhì)組表達譜等,體現(xiàn)了惡性腫瘤在演進過程中的高度復(fù)雜性和多樣性.腫瘤異質(zhì)性給腫瘤的治療帶來極大的困難,一直是腫瘤發(fā)生發(fā)展機制研究領(lǐng)域重要的科學問題.本文綜述了腫瘤異質(zhì)性的生物學特征及其可能的形成機制,并對“精準醫(yī)學”時代如何針對腫瘤異質(zhì)性設(shè)計更為有效的個性化治療方案進行了思考.

關(guān)鍵詞： 腫瘤     異質(zhì)性     精準醫(yī)學    

Tumor Heterogeneity: The Challenge of Precision Medicine

TU Chao-Feng1,2, QI Peng2, LI Xia-Yu3, MO Yong-Zhen2, LI Xiao-Ling1,2,3, XIONG Wei1,2,3, ZENG Zhao-Yang1,2,3

, LI Gui-Yuan1,2,3

    

1. Hunan Cancer Hospital and The Affiliated Cancer Hospital of Xiangya School of Medicine, Central South University, Changsha 410013, China;
2. Key Laboratory of Carcinogenesis of Ministry of Health and Key Laboratory of Carcinogenesis and Cancer Invasion of Ministry of Education, Cancer Research Institute, Central South University, Changsha 410078, China;
3. Hunan Key Laboratory of Nonresolving Inflammation and Cancer, Disease Genome Research Center, the Third Xiangya Hospital, Central South University, Changsha 410013, China

* This work was supported by grants from Hi-Tech Research and Development Program of China (2012AA02A206), The National Natural Science Foundation of China (81172189, 81272298, 81372907, 81301757, 81472531, 81402009, 81528019, 81572787) and The Hunan Province Natural Science Foundation of China (14JJ1010, 2015JJ1022).

** Corresponding author. Tel: 86-731-84805383
Zeng Zhao-Yang. E-mail: zengzhaoyang@csu.edu.cn;
Li Gui-Yuan. E-mail: lgy@csu.edu.cn

Received: Received: July 17, 2015; Accepted: September 10, 2015

Abstract:Heterogeneity is an important feature of malignant tumor.It could appear as diversity from genotypes to phenotypes in different patients with the same type of cancer or different parts of tumor biopsies in a single cancer patient.The heterogeneity could appear in diverse genetic backgrounds, pathological patterns, differentiation stages, genetic mutation spectrum, transcriptomics and proteomics gene expression profile, etc, which indicate the high complexity and diversity in cancer progression.Tumor heterogeneity is a great challenge of cancer treatment, and is also an important research field of tumorigenesis.In this paper, we reviewed the biological features of tumor heterogeneity and possible mechanisms of its occurrence, and gave our considerations on how to design more effective personalized treatment that aims tumor heterogeneity in the era of "precision medicine".

Key words: tumor     heterogeneity     precision medicine    

腫瘤異質(zhì)性是指同一種惡性腫瘤在不同患者個體間或者同一患者體內(nèi)不同部位腫瘤細胞間從基因型到表型上存在的差異.這種差異發(fā)生在不同個體中可表現(xiàn)出不同的遺傳背景如染色體量與質(zhì)的差異，不同細胞病理類型、不同臨床階段不同分化程度細胞演進的多樣性，同質(zhì)腫瘤在分子水平也存在顯著差異：比如基因表達譜、網(wǎng)絡(luò)調(diào)控、突變譜等方面的不同.發(fā)生在同一腫瘤患者體內(nèi)可表現(xiàn)出不同部位腫瘤細胞間的突變基因譜和生物學特性等方面的不一致，體現(xiàn)了惡性腫瘤在演進過程中的高度復(fù)雜性和多樣性.同一患者體內(nèi)不同部位的腫瘤細胞間的異質(zhì)性又包括瘤間(不同病灶，如原發(fā)腫瘤與轉(zhuǎn)移瘤)異質(zhì)性和瘤內(nèi)(同一病灶內(nèi)不同部位)異質(zhì)性，它們都是由于腫瘤組織內(nèi)部存在不同亞型的腫瘤細胞，因此不同腫瘤細胞表現(xiàn)出免疫特性、生長速度、侵襲能力等表型方面的差異，最終導(dǎo)致對不同抗腫瘤藥物的敏感性不同或放療敏感性的差異.影響瘤間異質(zhì)性和瘤內(nèi)異質(zhì)性的因素主要有腫瘤細胞遺傳學與表觀遺傳學改變、腫瘤細胞或腫瘤干細胞(cancer stem cell，CSC)的起源、腫瘤微環(huán)境的選擇作用等方面[].腫瘤異質(zhì)性的存在往往給腫瘤的個體化治療帶來極大的困難[, , , , ].

近年來，隨著基因組測序技術(shù)的快速進步[, , , , , ]以及生物信息與大數(shù)據(jù)科學的交叉應(yīng)用在腫瘤研究中不斷取得的突破，加速了研究人員對腫瘤異質(zhì)性的認識，并提出了以個體化醫(yī)療為基礎(chǔ)的“精準醫(yī)學(precision medicine)”模式.該模式試圖通過傳統(tǒng)的癥狀和體征以及疾病的分子分型對疾病進行分類，在分子層面找到最適合的藥物或治療手段，最終實現(xiàn)對于疾病和特定患者進行個性化精準治療的目的.因此，深入解析腫瘤異質(zhì)性的生物學特性及產(chǎn)生機制，對以個性化治療為目標的精準醫(yī)學模式的轉(zhuǎn)變具有重要意義[].

1 惡性腫瘤個體間的異質(zhì)性 1.1 遺傳背景的異質(zhì)性

惡性腫瘤個體之間在遺傳背景上存在一定的 異質(zhì)性，表現(xiàn)為不同腫瘤的遺傳傾向性存在地域 差異，比如林東昕院士團隊為了探索中國人群食 管鱗狀細胞癌(esophageal squamous cell carcinoma，ESCC)的易感位點，對2 031例ESCC患者和 2 044個正常對照組進行了全基因組遺傳變異的關(guān)聯(lián)研究，確定了9個新的食管鱗狀細胞癌易感位點，其中7個分別定位在4q23、16q12.1、17q21、22q12、3q27、17p13和18p11染色體區(qū)域，具有顯著的邊際效應(yīng)；另外2個定位在2q22和13q33染色體區(qū)域，只在基因與飲酒相互作用中具有顯著相關(guān)性[].由于食管癌具有顯著的地域性分布差異和明顯的家族聚集現(xiàn)象，隨后他們對三個中國人群ESCC的GWAS研究[, , ]進行了兩階段聯(lián)合分析，確定了2個新的易感位點(位于5q31.2的rs7447927和位于17p13.1的rs1642764)，聯(lián)合分析還鑒別出了一些新的ESCC易感位點以及ESCC高風險的太行山區(qū)域人群所特有的一個新位點[].

鼻咽癌的發(fā)病特征也具有明顯的種族和地域傾向性[, ]，曾益新院士團隊對廣東家族性鼻咽癌進行全基因組掃描和連鎖分析(linkage analysis)將廣東家族鼻咽癌易感區(qū)定位在4號染色體4p15.1-q12區(qū)域[]，通過全基因組關(guān)聯(lián)分析又發(fā)現(xiàn)了13q12 (TNFRSF19)、3q26(MDS1-EVI1)和9p21(CDKN2A- CDKN2B) 3個新的位點[].我們課題組則對18 個湖南省鼻咽癌高發(fā)家系進行遺傳連鎖分析，發(fā) 現(xiàn)染色體3p21區(qū)與湖南家族性鼻咽癌發(fā)病緊密連鎖[, ]，并進一步發(fā)現(xiàn)了位于3p21區(qū)的乳鐵蛋白 (lactotransferrin，LTF)基因[, , ]上的2個SNPs位點(rs1126477和rs9110)與鼻咽癌的發(fā)病密切相關(guān)[].而臺灣地區(qū)鼻咽癌易感位點則定位在HLA-A位點的D6S510和D6S211位點之間132 kb的范圍內(nèi)[].這些結(jié)果共同證實了同質(zhì)瘤在發(fā)生發(fā)展過程中，不同地區(qū)的患者在遺傳背景上存在一定的異質(zhì)性.

1.2 染色體變異的異質(zhì)性

惡性腫瘤在發(fā)生發(fā)展過程中存在基因組不穩(wěn)定及染色體變異的異質(zhì)性，如同質(zhì)瘤的等位基因不平衡及其易感基因在染色體上的定位與不同腫瘤個體及區(qū)域分布相關(guān).我們課題組通過對97例鼻咽癌患者基因組289個微衛(wèi)星(microsatellite)標記后進行等位基因不平衡分析，發(fā)現(xiàn)289個微衛(wèi)星位點中有270 (93.4%)個位點在鼻咽癌中顯示不同程度的等位基因不平衡.為了了解鼻咽癌遺傳學改變的特征，我們又采用比較基因組雜交(comparative genome hybridization，CGH)技術(shù)檢測了20例湖南鼻咽癌患者基因組的不平衡即DNA的丟失或擴增.結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鼻咽癌常見的擴增的染色體是1q、2、3q、7q、8q和12，而常見的缺失的染色體為3p、9p、11q和16q[].進一步將我們發(fā)現(xiàn)的結(jié)果與之前三項用CGH研究中國其他地區(qū)(廣東、中國香港、中國臺灣)鼻咽癌遺傳學改變的研究結(jié)果進行比較[, , ]，發(fā)現(xiàn)既存在相同點，亦有差異.四個地區(qū)共同的擴增染色體有1q、12，而共同丟失的為3p、9p、11q.此外，湖南、廣東、香港三地區(qū)有別于臺灣的特點是8q的擴增及16q的丟失.而湖南、廣東一致的還有3q的擴增，湖南特有的改變是2、7q的擴增.這些結(jié)果表明各地區(qū)鼻咽癌發(fā)生發(fā)展涉及的分子機理存在一定的差異，從而導(dǎo)致了染色體變異的異質(zhì)性.

1.3 基因多位突變的異質(zhì)性

同質(zhì)瘤的多步演進，即少數(shù)正常細胞內(nèi)的基因組發(fā)生突變形成具有無限增殖和侵襲能力的惡性腫瘤細胞，在腫瘤細胞進一步增殖過程中伴隨著一系列基因的突變，導(dǎo)致不同階段的同質(zhì)瘤突變譜存在一定的差異.Baca等[]對57例前列腺癌患者的腫瘤/正常配對組織進行全基因組測序，從中探索前列腺癌的克隆演進情況，發(fā)現(xiàn)前列腺癌組織細胞在克隆演進過程中基因突變情況差異很大.此外，基因突變位點的異質(zhì)性還可表現(xiàn)在腫瘤分化水平及腫瘤細胞功能水平上，例如結(jié)腸癌具有多階段發(fā)病特點，很大一部分原因就是結(jié)腸癌腫瘤演進過程中與發(fā)病相關(guān)基因的表達存在差異.Dalerba等[]利用單細胞基因組分析技術(shù)逐個地對數(shù)百個結(jié)腸癌細胞中的基因表達情況進行了分析，獲得了人類結(jié)腸癌異質(zhì)性圖譜，鑒別出47種差異性表達的基因，并基于這些結(jié)果對結(jié)腸癌組織的細胞進行了亞型分類.他們發(fā)現(xiàn)，結(jié)腸癌組織顯示與正常結(jié)腸上皮相似的譜系多樣性，其中包括不成熟祖細胞樣細胞和成熟的特化細胞，發(fā)現(xiàn)結(jié)腸癌細胞的形成遵循了正常結(jié)腸細胞的分化過程，細胞形成機制與正常細胞完全相同，只是小部分的細胞類型發(fā)生了不正常的擴大或減少.

隨著癌癥基因組圖譜計劃(The Cancer Genome Atlas，TCGA)在2014年年底宣告完成，研究者發(fā)現(xiàn)了近1 000萬個與癌癥相關(guān)的基因突變；以獲取50種癌癥相關(guān)的癌癥基因突變目錄為目標的國際腫瘤基因組計劃(International Cancer Genome Consortium，ICGC)也已經(jīng)完成了大部分腫瘤基因組變異圖譜的繪制工作.這些結(jié)果進一步證實了腫瘤在發(fā)生發(fā)展過程中伴隨著大量的突變，而且不同階段的同質(zhì)瘤的突變譜存在一定的差異.Zhang 等[]對來自11個手術(shù)切除局限性肺腺癌的48個腫瘤區(qū)域進行了全外顯子組測序，他們鑒別出7 269個突變，發(fā)現(xiàn)76%的突變以及21個已知癌癥相關(guān)基因突變中的20個存在于同一腫瘤的所有區(qū)域；在平均21個月的臨床隨訪中，其中有3名患者復(fù)發(fā)，這3名復(fù)發(fā)患者在原發(fā)性腫瘤灶中存在亞克隆突變的比例明顯比其余未復(fù)發(fā)患者的要大.Wang等[]對兩種類型的人乳腺癌中多個單細胞基因組進行了測序，他們并沒有發(fā)現(xiàn)在遺傳學上一模一樣的兩個腫瘤細胞，證實了在腫瘤中的大部分細胞都含有大量的突變；他們還使用數(shù)學方法對腫瘤組織單個細胞內(nèi)的突變率進行了估算，發(fā)現(xiàn)生長速度更低的luminal亞型乳腺癌細胞的突變率也相對更低，而來自侵襲性更強的三陰性乳腺癌細胞內(nèi)的突變速率，則比正常細胞高出13倍.

1.4 同質(zhì)腫瘤基因表達譜的異質(zhì)性

同質(zhì)瘤的基因表達譜之間也存在差異，表現(xiàn)為基因的轉(zhuǎn)錄(轉(zhuǎn)錄組)及蛋白翻譯(蛋白質(zhì)組)水平上的差異，使得腫瘤在臨床上呈現(xiàn)出不同的亞型.我們課題組對16例鼻咽部純化組織進行表達譜分析，共篩選出139個與鼻咽癌發(fā)病相關(guān)的候選靶基 因[].對所篩選出的候選靶基因進行聚類，發(fā)現(xiàn)早期鼻咽癌組(臨床1、2期)、晚期鼻咽癌組(臨床3、4期)與正常對照組分別聚為3類，組間差異較明顯；對16例鼻咽部組織表達譜614個候選靶基因按WHO分類標準重新分類、聚類，能夠?qū)⒈茄什拷M織標本大致分為3組，即正常鼻咽組織組、WHO Ⅱ型組(非角化性分化癌)和WHO Ⅲ型組(非角化性未分化癌).我們后續(xù)一系列的研究結(jié)果也都表明鼻咽癌不同病理類型不同臨床階段的基因表達譜之間存在著明顯的異質(zhì)性[, , , , , , , , , , ].在蛋白質(zhì)組水平，我們課題組對不同病理分級的鼻咽癌活檢組織通過使用激光捕獲顯微切割技術(shù)獲取腫瘤樣品后，結(jié)合抗體芯片和二維電泳-質(zhì)譜技術(shù)來分析檢測鼻咽癌發(fā)生發(fā)展相關(guān)的差異表達蛋白，結(jié)果共找到26個差異表達的蛋白，其中2個蛋白ENO1和CYPA可以作為潛在的診斷早期鼻咽癌的分子標記物[].

同質(zhì)腫瘤基因表達譜之間的這種差異能夠很好地區(qū)分原位癌與轉(zhuǎn)移癌，因而具有重要的臨床應(yīng)用價值.例如Reis-Filho等[]通過構(gòu)建正常乳腺上皮-原位乳腺癌-浸潤癌動態(tài)基因表達譜，得到差異基因415個，對其中33個侵襲轉(zhuǎn)移相關(guān)基因進行了驗證，主要涉及氧化磷酸化、細胞通訊等信號通路，提示這些信號通路的異常與乳腺癌侵襲轉(zhuǎn)移密切相關(guān)，接著對這415個乳腺癌差異表達基因進行聚類，發(fā)現(xiàn)原位癌與浸潤癌能夠明顯區(qū)分.另一個課題組對不同臨床分期階段的結(jié)腸癌進行轉(zhuǎn)錄組水平動態(tài)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)結(jié)直腸癌早期發(fā)病和晚期侵襲轉(zhuǎn)移兩個階段轉(zhuǎn)錄組水平的改變最為明顯，進一步在蛋白質(zhì)水平上對190個差異蛋白進行點聚類分析，發(fā)現(xiàn)早期發(fā)病和晚期侵襲轉(zhuǎn)移兩個階段的改變也最為顯著，并從中鑒定了一些關(guān)鍵調(diào)控蛋白[].此外，Zhang等[]利用先進的質(zhì)譜技術(shù)，收集了以往TCGA計劃中已確定特征的95個人類結(jié)直腸癌腫瘤樣本的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)，并基于蛋白質(zhì)含量確定了結(jié)直腸癌的5個亞型，其中一個具有不良的預(yù)后.

1.5 腫瘤細胞表型的異質(zhì)性

同一腫瘤中可以存在有很多不同的基因型或者亞型的細胞，甚至同一個體身上的腫瘤細胞也存在不同的特性和差異，即細胞表型的多樣性，當這些細胞在特定環(huán)境中表現(xiàn)出不同的分化狀態(tài)時，可以使同一種腫瘤在不同的個體身上表現(xiàn)出不一樣的亞型.例如鼻咽癌根據(jù)細胞種類及表型的多樣性，可以分為多種不同的亞型，如鼻咽原發(fā)性杯狀細胞癌、鼻咽分化差的黏液性腺癌、鼻咽分化差的鱗狀細胞癌(主要由含糖原的棘細胞構(gòu)成)、鼻咽分化型非角化性癌(梭形細胞亞型)、鼻咽分化良好的腺癌、鼻咽中等分化的腺癌、鼻咽分化差的腺癌、鼻咽黏液性或腸型腺癌等等[].此外，正常組織向惡性腫瘤組織轉(zhuǎn)變時，在不同臨床階段其分化程度呈現(xiàn)出一定的多樣性，從而導(dǎo)致腫瘤異質(zhì)性的產(chǎn)生.如正常結(jié)腸黏膜組織向結(jié)腸癌組織演進時，由于處在不同臨床階段的細胞所處的分化狀態(tài)存在時空上的差異，使得正常結(jié)腸粘膜首先經(jīng)歷炎癥1～4級，接著通過炎-癌轉(zhuǎn)變形成輕-中-重度不典型增生，最終癌變形成侵襲性結(jié)腸癌甚至遠處轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致癌變整個過程所經(jīng)歷的一系列變化最終使結(jié)腸癌呈現(xiàn)出異質(zhì)性表型[, ].這些異質(zhì)性表型進一步引起腫瘤患者對治療反應(yīng)的差異，如轉(zhuǎn)移性結(jié)腸癌患者相對于早期結(jié)腸癌患者對藥物的治療反應(yīng)更差.近年來的一些研究也表明腫瘤異質(zhì)性表型對特定的藥物治療反應(yīng)產(chǎn)生不同的耐受性，最終限制了腫瘤治療的臨床有效性[].

2 同一實體腫瘤內(nèi)不同細胞間的異質(zhì)性

隨著新一代測序技術(shù)和單細胞測序技術(shù)的發(fā)展，科學家發(fā)現(xiàn)，在同一腫瘤不同部位的細胞之間也存在異質(zhì)性，表現(xiàn)為基因組序列(基因突變類型、DNA拷貝數(shù)等)、染色體核型、染色體畸變類型、基因表達譜等，甚至分化表型均存在極其明顯的差異，腫瘤在演進過程中發(fā)生的這種瘤內(nèi)異質(zhì)性(intratumor heterogeneity)已在腎癌[, ]、乳腺癌[, ]、白血病[, , ]、原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤[]、結(jié)腸癌[]、前列腺癌[]等惡性腫瘤中得到了證實.瘤內(nèi)異質(zhì)性是惡性腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中不斷變異-選擇-進化的結(jié)果，瘤內(nèi)異質(zhì)性的存在導(dǎo)致了同一個腫瘤病灶中產(chǎn)生不同的亞型，表現(xiàn)出不同的病理形態(tài)、藥物敏感性等特征，最終導(dǎo)致個體化治療的失敗，成為精準醫(yī)療新的重大挑戰(zhàn).現(xiàn)就相關(guān)腫瘤瘤內(nèi)異質(zhì)性的研究結(jié)果舉例如下：

2.1 腎癌

Gerlinger等[]將一名腎癌患者的原發(fā)腫瘤及其轉(zhuǎn)移灶分為多個部分，采用外顯子測序、染色體畸變分析和染色體整倍體分型等技術(shù)發(fā)現(xiàn)不同位置的腫瘤組織在基因組序列、表達譜、染色體核型等方面均存在顯著的差異.利用外顯子測序技術(shù)共發(fā)現(xiàn)了101個非同義突變，以及32個缺失，這些突變或缺失，其中一部分是所有部位的腫瘤組織均有的，一部分突變?yōu)樵l(fā)灶所共有，一部分突變是轉(zhuǎn)移灶共有，另一部分則是不同部位的腫瘤組織所獨有的“個性化的”突變.進一步根據(jù)基因突變、缺失、染色體變異情況而描繪出的同一腎癌患者腫瘤細胞進化模式圖，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)移灶和原發(fā)灶在進化模式上存在巨大差異，如VHL和SETD2突變發(fā)生在腫瘤形成的早期，而KDM5C和mTOR激酶的自抑制域的突變則主要發(fā)生在腫瘤形成的晚期.因此，針對此例腎癌患者，應(yīng)該采取的靶向治療就必需充分考慮異質(zhì)性干擾.此外，Shibata[]的研究也證實了晚期腎細胞癌患者中原位癌和轉(zhuǎn)移癌之間也存在異質(zhì)性.

2.2 乳腺癌

瘤內(nèi)異質(zhì)性的存在使個體腫瘤內(nèi)部的細胞增殖率、侵襲和轉(zhuǎn)移能力等產(chǎn)生差異，從而產(chǎn)生不同的亞克隆，并在臨床上體現(xiàn)出不同的治療反應(yīng).Yates等[]對50位原發(fā)性乳腺癌患者(共303份樣品)進行了全基因組測序和靶向測序，發(fā)現(xiàn)這些樣品具有多樣化的亞克隆，其多樣化程度存在個體和空間模式差異.一些常見的乳腺癌相關(guān)基因，如PIK3CA、TP53[]、PTEN、BRCA2和MYC等主要受點突變和重排影響，這些基因會隨機地出現(xiàn)在個體腫瘤早期或者晚期階段，這種影響并不具嚴格的時間順序.在接受研究的50位患者中，有13位患者檢測出了存在潛在靶向治療突變位點的亞克隆，而與乳腺癌發(fā)展進程相關(guān)的一些標記，如化療抗性、侵襲和轉(zhuǎn)移能力等，也都可在亞克隆的前期病變過程中檢測得到.因此，通過分析亞克隆結(jié)構(gòu)及其腫瘤進程來進一步分析個體腫瘤的異質(zhì)性，對于乳腺癌的臨床治療具有重要的參考價值.

2.3 白血病

瘤內(nèi)異質(zhì)性與惡性腫瘤發(fā)展過程中腫瘤亞克隆的形成及其演進也密切相關(guān).來自兩個不同研究機構(gòu)的科研小組對急性淋巴母細胞白血病(acute lymphoblastic leukemia，ALL)患者進行了全面的遺傳異質(zhì)性分析，并推斷出了在疾病發(fā)展過程中不同亞克隆形成的演化途徑.Anderson等[]對60例ETV60-RUNX1陽性的ALL患者樣品檢測了單細胞中已知與ALL發(fā)病有關(guān)的其他基因突變；Notta等[]則對BCR-ABL1陽性的ALL患者進行了全基因組拷貝數(shù)變異分析.通過對每個患者樣品中的單個白血病細胞進行分析后，兩個研究小組發(fā)現(xiàn)白血病干細胞亞群具有與樣品中白血病細胞群相似的遺傳異質(zhì)性.此外，他們還成功地構(gòu)建了癌癥演化過程中亞克隆的演變模型，揭示了疾病發(fā)展過程中不同亞克隆突破瓶頸形成的演化過程.研究人員在對患者的多重白血病樣本進行比較中發(fā)現(xiàn)盡管白血病亞克隆多樣性得以維持，但在疾病進展及治療后復(fù)發(fā)過程中白血病的優(yōu)勢亞克隆常常會發(fā)生改變.

2.4 原發(fā)性膠質(zhì)母細胞瘤

瘤內(nèi)異質(zhì)性還體現(xiàn)在每個腫瘤的細胞組成比以往預(yù)測的更具有異質(zhì)性，使得腫瘤內(nèi)部的細胞產(chǎn)生多樣化特征，由于腫瘤中的細胞各不相同，從而導(dǎo)致不同的突變或以不同的方式表達基因，這種多樣性有可能導(dǎo)致腫瘤的耐藥和復(fù)發(fā).為了描繪出這些差異，Patel等[]從5位患者的膠質(zhì)母細胞瘤組織中分離出腫瘤組織，并制成單細胞懸液，對分離出來的430個腫瘤單細胞利用RNA測序(RNA-sequencing,RNA-Seq)技術(shù)[]進行轉(zhuǎn)錄組分析，成功獲得了更精細的腫瘤細胞組成圖譜.他們的結(jié)果顯示每個膠質(zhì)母細胞瘤都包含來自多種癌癥亞型的細胞，腫瘤之間這些細胞的分布各不相同.進一步根據(jù)其相似程度進行聚類，雖然發(fā)現(xiàn)每個患者的細胞相似程度較高(高于個體間)，但仍存在一定的差異.從同一患者不同腫瘤的單細胞RNA-seq結(jié)果中分析一些重要的細胞表面受體的表達情況，發(fā)現(xiàn)不同細胞之間存在明顯的差異.這些腫瘤中的癌細胞以多種狀態(tài)生存，一些是干細胞樣，它們具有自我更新能力，有可能在治療后的腫瘤復(fù)發(fā)中起作用，另一些更為成熟、分化的癌細胞則構(gòu)成了腫瘤細胞群的大部分，還有許多細胞則處于這兩種細胞之間的中間狀態(tài).由于每個腫瘤中存在多種亞群，意味著在精準醫(yī)學時代，我們有可能需要基于每個腫瘤包含的全部細胞亞型，而非僅僅針對最普遍的亞型來治療惡性腫瘤.

3 腫瘤異質(zhì)性的產(chǎn)生機制

關(guān)于腫瘤異質(zhì)性的產(chǎn)生模式，最早可以追溯到1976年，Nowell[]首次提出了腫瘤克隆進化學說，認為腫瘤起源于單個突變細胞，，其復(fù)雜的病理和臨床表現(xiàn)來源于進化過程中一系列的后續(xù)變化；20世紀80年代提出的“動態(tài)異質(zhì)性”概念指出，在腫瘤的進化過程中，腫瘤細胞群體的異質(zhì)性在不斷的變化，最終，適應(yīng)腫瘤發(fā)展的遺傳異質(zhì)性被選擇出來.然而針對腫瘤異質(zhì)性產(chǎn)生的具體機制，業(yè)界并無統(tǒng)一說法.目前有三種解釋腫瘤異質(zhì)性的理論被大多數(shù)人認可：克隆進化學說、腫瘤干細胞學說和腫瘤進化的樹干-樹枝理論[, , , , , ](圖 1).

克隆進化學說認為，腫瘤起源于正常細胞，這些細胞在增殖能力和表型上存在異質(zhì)性并傳遞給后代，而后代細胞又發(fā)生突變形成大量的遺傳變異癌細胞，造成腫瘤細胞遺傳水平和表型上的多樣性和異質(zhì)性.腫瘤克隆進化可分為三類：逐步演進模式、分階段斷續(xù)演進模式和大爆發(fā)模式.目前比較認可的模式為逐步演進模式，Baca等[]采用全基因組測序?qū)?7位前列腺癌患者正常/配對組織進行全基因組范圍觀察腫瘤形成和演進過程中這些突變的積累，通過構(gòu)建基因組重排起源模型，在已經(jīng)研究過的腫瘤中證實大量易位或缺失DNA中產(chǎn)生了一種高度互相依賴的行為，并將該行為定義為“染色體組崩塌(Chromoplexy)”，它在前列腺癌基因的異常調(diào)節(jié)中扮演重要角色，并能破壞癌基因之間的協(xié)調(diào)多樣性.染色體組崩塌模型提示：在前列腺癌或者其他腫瘤中，染色體組崩塌可能越過相對較少的事件來誘導(dǎo)大量基因組錯亂，進一步支持了腫瘤持續(xù)進化模型.

腫瘤干細胞學說側(cè)重于個體腫瘤克隆亞型的內(nèi)部異質(zhì)性，認為腫瘤是由一小群具有無限自我更新能力的干細胞樣細胞及其產(chǎn)生的分化程度不均的細胞團組成，這群干細胞樣的細胞被稱為腫瘤干細胞，當某一特定腫瘤中的腫瘤干細胞向腫瘤細胞分化時會產(chǎn)生腫瘤異質(zhì)性.此外，極個別能促進癌癥形成的腫瘤干細胞很難被殺死，這可以解釋為什么大部分腫瘤常常在接受治療得到緩解后仍然會復(fù)發(fā).

近年來流行的腫瘤進化的樹干-樹枝理論認為，早期的體細胞突變長時間促進腫瘤的生長和維持，存在于“樹干”部位，例如腎癌中的VHL突變[]、乳腺癌中的p53或PIK3CA突變[]，幾乎發(fā)生在腫瘤的全部克隆中，另外一些發(fā)生在后期的突變則只發(fā)生于部分的腫瘤細胞(“樹枝”)中，使得同一腫瘤組織存在異質(zhì)性.該模型可以解釋腫瘤細胞的耐藥性以及遠處轉(zhuǎn)移等現(xiàn)象.

4 腫瘤異質(zhì)性與精準醫(yī)學 4.1 腫瘤異質(zhì)性的檢測

由于腫瘤異質(zhì)性廣泛存在，時空變化特別顯著，如果能夠?qū)δ[瘤內(nèi)的多個部位在多個時間點進行檢測，就有可能鑒定出突變導(dǎo)致的腫瘤異質(zhì)性，從而為個體化治療提供重要線索，這正是精準醫(yī)療的目標.早期檢測腫瘤異質(zhì)性的手段主要是基于某一特定基因或整個基因組水平進行分析.前者主要包括等位基因丟失、熒光原位雜交(fluorescence in situ hybridization，F(xiàn)ISH)[, ]等，其優(yōu)點在于能夠簡單、直接地分析特定基因在腫瘤演進中的作用，并對某些特殊的腫瘤有效，缺點在于關(guān)注的位點有限，可能忽略潛在的、未知的重要差異，低估遺傳異質(zhì)性的程度及方式.后者主要包括基于染色體顯帶技術(shù)的核型分析以及針對基因組拷貝數(shù)目進行的高密度系統(tǒng)性分析，如用array CGH、tiling CGH及SNP芯片等進行拷貝數(shù)分析.針對全基因組范圍研究的優(yōu)勢在于其不僅僅關(guān)注已知功能的基因，還能夠發(fā)現(xiàn)一些潛在的、未知的重要變異.但需要注意的是所鑒定出的遺傳差異有可能是中性進化的結(jié)果，此外基因組水平的檢測方法也受到檢測成本的限制.

近年來，隨著新一代測序技術(shù)在腫瘤基因組應(yīng)用的不斷成熟，使得從基因組水平對腫瘤展開深度的研究成為可能.將基因組深度測序和組織學分析方法相結(jié)合，在研究腫瘤的遺傳復(fù)雜性和異質(zhì)性方面正成為科學家們的主要研究手段，相對比傳統(tǒng)的腫瘤異質(zhì)性檢測技術(shù)，由于新一代測序技術(shù)針對的是全基因組范圍，能夠發(fā)現(xiàn)更多潛在的、用傳統(tǒng)方法不易發(fā)現(xiàn)的重要差異，尤其是利用單個細胞為研究對象，能夠更有效地了解基因異質(zhì)性的特征.例如Navin等[]利用拷貝數(shù)變異分析技術(shù)研究了乳腺癌100個單細胞的數(shù)據(jù)，以此構(gòu)建了乳腺癌細胞克隆進化圖譜，推測腫瘤的進化可能是間斷性的，該結(jié)果挑戰(zhàn)了經(jīng)典的腫瘤漸進式演化模型.

此外，研究異質(zhì)性的另一個重要的挑戰(zhàn)是如何對腫瘤樣本進行取材.由于腫瘤亞克隆之間不斷發(fā)生新的變異，這些新的亞克隆往往成為腫瘤靶向治療是否成功的關(guān)鍵，開發(fā)一些微創(chuàng)性取樣技術(shù)，動態(tài)監(jiān)控腫瘤亞克隆進化程度，有利于評估細胞毒性藥物對于基因組不穩(wěn)定性及瘤內(nèi)異質(zhì)性的影響，從而提高個體化靶向治療的成功性.目前臨床上選擇的腫瘤治療策略，通常是取決于對單個原發(fā)灶或者轉(zhuǎn)移灶進行的分析，而瘤內(nèi)異質(zhì)性的存在對腫瘤治療策略提出了重要的挑戰(zhàn).

4.2 腫瘤異質(zhì)性對于腫瘤精準醫(yī)療的影響

由于腫瘤異質(zhì)性的廣泛存在，不同患者對同一藥物的敏感性也千差萬別.近年來，隨著腫瘤基因組學的快速發(fā)展，科學家可以深入挖掘腫瘤基因組水平上存在的變異，篩選出與腫瘤發(fā)病密切相關(guān)的致病突變靶點，通過設(shè)計特定的靶向藥物，從而對不同腫瘤個體的分子分型及危險因素制定相應(yīng)的個體化治療方案.例如，攜帶有BRAF突變基因的轉(zhuǎn)移性黑色素瘤患者能夠利用該基因的靶向藥物獲得良好的治療結(jié)果[].

TCGA和ICGC計劃的完成逐漸讓基于高通量測序技術(shù)的基因檢測走入臨床實踐，如何能夠在醫(yī)療實踐中更好地將這些技術(shù)服務(wù)于臨床已成為一項亟待破解的難題.伴隨著基因組、蛋白質(zhì)組檢測技術(shù)的快速進步，以個體化治療為基礎(chǔ)的精準醫(yī)療時代已經(jīng)來臨，與之前的個體化治療不同，精準醫(yī)療不僅強調(diào)疾病治療的個體化，更強調(diào)大規(guī)模的基因組信息應(yīng)用于指導(dǎo)臨床治療.通過了解不同個體間抗藥性的差異，給予每一位腫瘤患者基于個體差異的、更為合適的靶向藥物；此外，借助于生物信息學與大數(shù)據(jù)科學之間的交叉應(yīng)用，還可以對個體基因進行健康管理，從而對個體進行疾病預(yù)防.目前“精準醫(yī)療”已經(jīng)帶來一些癌癥治療方式的轉(zhuǎn)變，有越來越多的腫瘤患者會在治療中接受分子檢測，醫(yī)生們可據(jù)此確定最佳治療方案.比如Schwaederle等[]采用高通量測序技術(shù)對439例不同類型的腫瘤患者(包括胃腸道腫瘤、乳腺癌以及腦癌)進行了基因檢測分析，發(fā)現(xiàn)這些患者一共攜帶了300個癌癥相關(guān)的基因變異，其中96%的患者腫瘤中至少存在一個基因突變，平均存在3個突變，大部分患者的突變類型與其他患者不同，只有7個患者和其他患者具有相同的分子突變類型，研究人員進一步分析了有多少癌癥相關(guān)變異基因可以使用已批準藥物或正在研發(fā)的靶點藥物進行治療，發(fā)現(xiàn)90%的患者至少攜帶有一個已批準或正在進行的藥物臨床試驗的突變靶點，這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了精準醫(yī)療的重要性.這一發(fā)現(xiàn)并非個例，在很多不同的惡性腫瘤中都存在這一現(xiàn)象，因此對大部分患者來說，通過基因檢測能夠為醫(yī)生提供至少一種治療方案.

由于腫瘤異質(zhì)性的存在，在以驅(qū)動基因為靶點的治療過程中，患者往往會產(chǎn)生不同程度的耐藥，導(dǎo)致無法從根本上治療腫瘤.在精準醫(yī)療模式下，通過先進的微創(chuàng)性取樣技術(shù)結(jié)合高通量測序找到致命亞克隆，從而及時調(diào)整治療策略，將為腫瘤患者帶來更為精準的診斷、分類和治療.精準醫(yī)療模式較于傳統(tǒng)的診療手段具有很大的技術(shù)優(yōu)勢，一方面通過基因測序可以找出癌癥的突變基因從而迅速確定對癥藥物，省去患者嘗試各種治療方法的時間，提升治療效果，另一方面先進微創(chuàng)取樣技術(shù)的發(fā)展，可以減少診斷過程對患者身體的損傷.可以預(yù)測在精準醫(yī)學時代腫瘤患者的診療體驗和診療效果將得到顯著改善.

5 小結(jié)與展望

異質(zhì)性的存在是腫瘤需要開展個體化治療的主要原因，也是今后精準醫(yī)學的發(fā)展方向，國際腫瘤基因組計劃獲得的大規(guī)模測序分析結(jié)果已進一步明確腫瘤個體間及腫瘤組織內(nèi)的不同細胞間都存在廣泛的異質(zhì)性，這些異質(zhì)性導(dǎo)致了腫瘤耐藥性和治療的失敗.深入解析腫瘤從基因型到表型上存在的差異，繪制出不同腫瘤的異質(zhì)性圖譜，是提高腫瘤個體化靶向治療的關(guān)鍵所在.美國為首提出的精準醫(yī)療計劃將通過分析至少100萬名志愿者的基因信息，更好地了解疾病形成機理，進而為開發(fā)相應(yīng)藥物、實現(xiàn)精準施藥鋪平道路.雖然精確醫(yī)學的治療前景十分喜人，但是目前仍有多個障礙極大地限制了精確醫(yī)學的臨床推廣.例如精準醫(yī)學計劃共享的數(shù)據(jù)庫可能會觸及有關(guān)醫(yī)學隱私權(quán)的法規(guī)規(guī)定，生物信息學研究基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的投放資金不足，耐藥機制的研究工作進展緩慢等.克服這些困難離不開各國政府的鼎力支持及科研團隊之間的通力合作.新一代測序技術(shù)及單細胞基因組分析技術(shù)已經(jīng)在檢測腫瘤異質(zhì)性上體現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢，這為研究人員深度解析腫瘤基因組的復(fù)雜性和異質(zhì)性，研發(fā)出潛在的新的靶向治療藥物提供了技術(shù)支持，隨著測序成本的降低以及促成精準醫(yī)學發(fā)展所必需的計算機運算能力的提高，將大大提高有關(guān)數(shù)據(jù)的分析能力，而各國政府及監(jiān)管機構(gòu)對這一計劃的大力支持與協(xié)作也將進一步促進該計劃向前推進.相信在不久的將來，以精確、準時、共享、個體化為目標的精準醫(yī)療技術(shù)將應(yīng)用到腫瘤患者的臨床治療中.

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  本文關(guān)鍵詞：腫瘤異質(zhì)性:精準醫(yī)學需破解的難題，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：146082