精准医学中个体化检验诊断的机遇与挑战

医学科学的发展不断地赋予医学新的方向或定义，例如：近年经常被提及的个体(性)化医学、4P医学、靶向、整合、循证、系统、转化及精准医学。但这些概念，均有被"精准医学(Precision Medicine)"一词所替代的趋势。2015年1月20日美国总统奥巴马在国情咨询中启动的"精准医学计划(Precision Medicine Initiative)"，是这一概念的极大推手，该计划使人类向着攻克诸如癌症与糖尿病等顽症的目标向前迈进一步。同时也让所有人都能掌握自己的个体化信息，并借助这些信息，使我们及家人生活的更为健康。

新的医疗模式探讨了疾病诊断的新方法和可能性，即基于导致疾病的潜在的分子(基础)和其他因素，而不仅是依靠传统的患者症状和体征进行诊断。因此，通过多种检测技术评估患者标本中的个体化信息，对患者进行个体化诊断，并在此基础上建立个体化的治疗方案，是精准医学的重要内容。由此也可以预见，临床检验医学将在未来的精准医学领域扮演十分重要的角色，检验医学新的方向或亚专业——个体化检验诊断将由此应运而生，并带来前所未有的机遇与挑战。

其中，分子诊断是将分子生物学原理和技术应用于疾病诊断而产生的一门新兴的检验医学分支学科，是利用分子生物学的技术和方法研究人体内源性或外源性生物分子和分子体系的存在、结构或表达调控变化，为疾病的预防、预测、诊断、治疗和转归提供信息和决策依据。分子诊断技术深化和扩展了检验医学的内涵和外延。国家精准医疗计划的启动和个体化医学的发展要求，必将持续推动我国分子诊断技术的进步。

一、精准医学等相关概念、应用概述及目前的主要方向

1、相关概念：

目前，精准(precision)、个性化(personalized)、个体化(individualized)医学等概念往往交替使用。精准医学也被称为个性化、个体化医学。个体化医学可以概括为："根据个体的基因、蛋白、代谢、环境等相关信息进行疾病的预防、诊断和治疗的一种医学模式"。Leroy Hood教授在个体化医疗概念的基础之上进一步提出了4P医疗的理念，即医疗在未来将具备以下四大特征：预测性(Predictive)、预防性(Preventive)、个性化(Personalized)与参与性(Participatory)。

精准医学概念的提出最早可追溯至2008年，其要点是创建生物医学的知识网络和疾病的新的分类，并在此基础上"对症用药"。此处，笔者更愿意介绍Jameson和Longo对精准医学的定义，即通过获得特定患者的遗传、生物标志物、表型或社会心理特征，区分该患者和其他类似临床表现的患者，从而给予个体化的治疗。按照我国杨焕明院士的理解，美国启动的"精准医学计划"对4P医疗、靶向治疗和数字医学兼容并蓄，与整合、循证、系统医学这几个略欠新意的提法也不为矛盾。故在本文的阐述中将兼顾精准医学和个体化医学等相关概念。

2、应用概述及当前的主要研究方向：

传统的中医诊断和治疗可誉为个体化医学的鼻祖，基于血型指导输血也属于精准医学的范例。通过临床检验科的微生物鉴定和药物敏感性试验选择有效抗菌药物进行的抗感染治疗可能是最为成熟的精准医学应用范例。Jameson和Longo总结了精准医学在多学科领域成功应用的先例，其中包括探寻血液病、先天性遗传病、肿瘤、心血管、代谢病与感染性疾病相关特异性生物标志物及其介入手段。

目前，癌症发生率在全球正处于快速上升期。Collins等总结了精准肿瘤学中需要攻克的一些难题：不明原因的耐药性，肿瘤患者基因组的异质性，监测治疗反应和肿瘤复发的手段不足，以及联合药物方面的知识欠缺等。毫无疑问，癌症将在很长时间内成为精准医学的主要研究方向和目标。精准肿瘤学要更透彻地了解癌症，还需要很多工作要做：包括分析更多的癌症基因组，开发新的分子诊断工具，加快新疗法的应用，在成人和儿童患者中进行更多新的临床试验，以及建立可靠的临床前试验模型等。基于体液(外周血)的循环肿瘤细胞或DNA检测技术，即"液体活检"(liquid biopsy)能有助于更好地进行肿瘤个体化治疗，其相关技术和应用研究也将是精准医学的重要方向之一。

二、精准医学中检验医学的机遇——个体化检验诊断

1、个体化检验诊断的定义：

精准医学或个体化医学的基础之一是具有新的诊断手段，因此，承担实验室诊断的临床检验科或检验医学是精准医学得以实施的重要学科之一。检验医学重要的内涵之一是确保"检测结果的精准性"，因此笔者认为将"个体化检验诊断"描述为"与精准医学或个体化医学相对应的检验医学"可能更为恰当。笔者将个体化检验诊断定义为：利用DNA测序(第二代、第三代高通量测序)、单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism，SNP)分析、基因芯片(外显子芯片、甲基化芯片等)、转录组测序(mRNA、IncRNA、miRNA等)、蛋白水平分析(组织芯片、质谱、免疫组化)、基于聚合酶链反应(PCR)的扩增等技术获取患者的基因、蛋白质和代谢组学等个体化信息，运用生物信息学技术进行比对分析，作出符合患者的个体化诊断，为临床医生根据个体遗传背景制定个体化的药物治疗方案提供科学依据。

2、个体化检验诊断研究的重要内容和方向：

个体化检验诊断将鼓励并支持检验医学专家和其他科学家共同创新，开发适用于检测、测量和分析生物医学信息(包括分子、基因、细胞、临床、行为、生理和环境参数等方面)的新方法，建立多样化的可选择性的技术平台，包括移动检测的平台；寻找和系统评估可用于早期诊断、靶向治疗、分子分型、综合预防和个体化治疗的标志物；建立不同的数据库，并能有效共享数据。

循环分子和细胞生物标志物作为个体化检验诊断的主要标志物，其中基于血浆或血清中的循环游离DNA(cell－free DNA)标志物的发现、评估和应用更值得检验医学人员的关注，而这也是液体活检的主要研究内容。血浆或血清中的循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA，ctDNA)作为肿瘤组织替代物已有较多研究，与肿瘤组织相比，来源于血浆的ctDNA的基因组特性可以用于治疗耐药克隆的出现、跟踪肿瘤异质性演变以及治疗效应和治疗耐受的预测。另外，循环游离DNA在产前常见遗传病的筛查也得到了广泛的应用。循环细胞生物标志物目前主要集中在循环肿瘤细胞(circulating tumor cell，CTCs)的分离和鉴定、肿瘤无创诊断、精准治疗和实时疗效监控等方面。或许我们可以考虑模仿基于临床检验科的微生物鉴定和药物敏感性试验所选择有效抗菌药物进行的抗感染治疗这一经典模式，建立基于循环肿瘤细胞的培养和药物敏感性分析体系。目前，已有学者对乳腺癌外周血循环肿瘤细胞进行了初步尝试，并取得了卓有成效的成果。因此，可以预见循环游离DNA、ctDNA与CTCs的检测、定量和分子特性分析将是未来个体化检验诊断的重要研究方向。

另外，随着个体化检验诊断的发展，经典的检验项目将会有新的应用：目前的血液细胞计数可能被未来不同类型的免疫细胞检测所取代；医疗移动设备可实时监测并提供血糖、血压和心律等方面的数据；有关宿主－微生物基因组相互作用的"宏基因组学"研究，通过粪便检测可识别导致肥胖的肠道微生物，炎症性疾病，甚至预测肿瘤的发生。

目前的分子诊断技术平台和临床应用概况有：

(一)感染性病原体检测分型

随着各种病原体基因结构的阐明，利用分子诊断技术能早期、快速、敏感、特异地检测感染性病原体核酸。此外，对耐药菌株的早期检出能够及时准确使用抗菌药物，减少耐药株的产生，同时控制耐药性的传播。在感染性疾病的临床应用方面，采用Luminex xMAP液态芯片、原位杂交、PCR－斑点杂交等技术方法对人乳头状瘤病毒(HPV)DNA检测；采用real－time PCR技术检测结核杆菌DNA、各型肝炎病毒DNA或RNA、人类单纯疱疹病毒(HSV)DNA、淋球菌、沙眼衣原体、梅毒螺旋体、生殖器支原体、肺SARS病毒RNA等；采用原位杂交检测EB病毒编码的小RNA；采用PCR结合测序技术快速鉴定高致病性H1N1甲型流感、H7N9禽流感等，这些检测应用已在感染性疾病的诊断及疗效评价方面取得了良好的效果。

(二)遗传性疾病诊断

分子诊断在遗传性疾病的筛查鉴定方面优势明显，通过对患者染色体和基因靶点的检测进行遗传筛查和鉴别诊断，可同时对家族性遗传病的发生进行预测。目前，国内主要通过染色体核型分析、荧光原位杂交技术、real－time PCR技术等检测染色体畸形，辅助产前遗传性疾病的筛查。通过高通量DNA测序、荧光定量PCR等检测相关基因的结构和表达变化，辅助进行生殖系统和神经系统等遗传疾病的诊断。特别是近年来，随着高通量测序技术的发展成熟，出现了基于高通量测序技术的无创产前基因检测(non－invasive prenatal testing，NIPT)技术。目前在临床上成熟应用于染色体非整倍性疾病筛查，主要是21－三体(唐氏综合征)、13－三体(Patau综合征)和18－三体(Edwards综合征)三种疾病的产前筛查。

(三)药物基因组学

对药物代谢酶和药物靶点基因进行检测可指导临床针对特定患者选择合适药物和给药剂量，实现个体化用药，提高药物治疗的有效性和安全性，防止严重药物不良反应发生。目前我国食品药品监督管理局(CFDA)已批准了一系列的个体化用药基因诊断试剂盒。根据检测项目所涉及的基因在影响药物反应中的作用机制和被测靶分子(RNA或DNA)的不同，个体化用药分子检测项目包括药物代谢酶与转运体基因遗传多态性检测、药物作用靶点基因遗传变异检测、其他基因变异检测和药物作用靶点基因mRNA表达检测4种类型。应用的检测技术平台主要为第一代测序、焦磷酸测序、real－time PCR和HRM方法等，可开展的药物代谢酶和药物作用靶点基因检测项目主要有：APOE多态性检测、CYP450多态性、TPMT多态性检测、VKORC1－1639 G>A多态性检测、HLA－B位点等位基因检测、ERCC1 mRNA表达检测和TUBB3 mRNA表达检测等

(四)肿瘤个体化检测

已知的肿瘤易感性基因有APC、BRCA1、RB1、WT1、hTERC和Ras等，分别与家族性腺瘤性息肉、乳腺癌、视网膜母细胞瘤、肾母细胞瘤、宫颈癌、消化道肿瘤相关。采用DNA测序和real－time PCR等检测相应基因的改变，可评价个体患病风险，进行疾病的早期预防和诊断。通过FISH技术检测染色体数目和结构异常，也可早期发现膀胱癌等恶性肿瘤的发生，筛选肿瘤易感人群。利用FISH技术检测染色体易位及其相应融合基因，如BCR/ABL融合基因、MALT断裂基因和IgH/CCND1融合基因对淋巴造血系统肿瘤分型、治疗药物选择和预后判断具有重要作用。

通过DNA测序、real－time PCR和FISH等技术检测基因扩增、突变、表达和多态性等，能够指导肿瘤靶向治疗。目前应用最为广泛的如乳腺癌HER－2基因扩增与化疗方案选择、EGFR基因突变与肺癌靶向酪氨酸激酶抑制剂(如易瑞沙、特罗凯)选择、KRAS基因突变检测与EGFR抑制剂治疗、EML4－ALK基因融合结合c－Met基因扩增与克唑替尼治疗评价、c－Kit结合PDGFRA基因型预测伊马替尼疗效等。基因表达谱研究在肿瘤分子分型及预后评估方面也起着巨大作用，在乳腺癌应用较为广泛，通过基因表达谱研究可将乳腺癌分为四型，分别是Luminal A型、Luminal B型、Her－2过表达型和Basal－like亚型。通过乳腺癌21基因real－time PCR检测，可评判早期乳腺癌复发风险及化疗获益情况。另外，诸如外周CTC以及ctDNA检测与肿瘤复发与转移等技术也逐步在国内获得初步应用。

三、个体化检验诊断面临的挑战

个体化检验诊断要真正得以实现还将面临诸多挑战，它将会是一个较长的过程，除了受精准医学发展程度的制约外，还有其自身面临的问题：主要涉及合适分子诊断技术平台的选择和完善，技术如何标准化，如何解读结果等因素。

1、选择适宜的分子诊断技术并使其标准化：

个体化检验诊断的重要技术平台是分子诊断技术平台，除了基于以PCR为基础的技术为主，如实时荧光PCR方法[包括扩增阻碍突变系统法(amplification refractory mutation system，ARMS)、PCR－高分辨溶点曲线分析(high－resolution melt，HRM)等]、PCR－杂交法等，其他技术，如蛋白质组学、芯片等多数技术平台还集中在研究实验室，并使用较多的自配试剂，往往标准化程度不够，操作不够简便，不易于在临床检验科推广。因此，需要检验医学专家和其他研发人员一起参与检测技术的改进，使其适合临床检验科的使用。在过去几十年中，检验科的标准化建设得到了长足的发展，现在仍需将经验迁移至个体化检验诊断领域：即根据检测标本类型，建立标准的采集、分离和存储的方法；根据检测目的(靶基因/蛋白)，选择适宜的检测平台、建立最佳实验条件，即实现实验操作程序标准化；分析结果报告规范化，包括临床测试的解释和方法学的局限，按照检验医学的经验，在分析前、中、后都要建立完整的一系列质控标准。

2、高质量的生物标本的获得和样本库的建立：

获得能够动态反应疾病状态变化，并易于检测的样本是个体化检验得以顺利实施的关键因素之一。早先大多数可用于分析的肿瘤样本是用甲醛固定和石蜡包埋的样品而不是新鲜采集的组织，这给高质量的生物标本的获得和样本库的建立带来了挑战。

"液体活检"手段能够捕获到进入血液的其他细胞或DNA，使得在体液中寻找可替代常规组织标志物的循环生物标志物成为可能，并能有效克服肿瘤组织不易保存等相关缺点。但如何获得高质量的样本，如从高丰度的血液DNA中获得特异的低丰度的疾病相关DNA，仍需大量的临床工作来验证并使其标准化。考虑到循环生物标志物具有时效性和动态性等特点，建立每个患者不同时间和状态的生物样本库，通过检测与疾病进展和对药物反应/复发相关的分子改变和相应的生物标志物，将更方便监控病情，调整治疗方案。

3、对从业者知识和技能的新要求：

由于自动化程度的提升，传统检验技术对检验医学从业人员的知识和技能的要求确有下降的趋势。然而，个体化检验诊断对检验医学从业人员提出了新的要求，不仅要求具备原先的医学和检验技术(包括常规分子诊断技术)背景，还要求熟悉基因组学、蛋白质组学、代谢组学和生物信息学的最新研究成果，以及基因芯片、蛋白质芯片、高通量基因组与转录组测序等最新分子生物学技术，另外也要求熟悉基于互联网的大数据应用。

4、报告单的综合解读：

如何对报告单进行合理解读，体现检验医师的价值，更好地架接检验和临床医生之间的桥梁，是对个体化检验诊断从业人员的重要挑战。显然，如果让没有医学背景的实验技术人员得出一组数据，并提供给临床医生进行疾病诊治，将带来极大隐患，有时甚至会导致致命性错误。只有将检验科现有的管理经验进行技术规范检测，由检验医师进行综合解读，再把报告发给临床医生进行疾病的诊治，才能最大程度的保障精准医疗的安全。

在欧美等国家，医院的检验和病理同属一个部门，在我国由于检验和病理是两个独立的部门，按照样本来源区分送检。如组织样本归属病理科处理检测，其他体液样本归属检验科进行分子检测，这种分检模式已经越来越普遍，但在报告单的解读上应该体现一致性，或许更应借鉴病理医生的报告解读方式。

5、协调多方的成本－效益的平衡：

精准医学带来的预期是多方面的，短期看将给癌症患者的治疗带来实实在在的改善，长期看将使许多慢性疾病患者受益。目前，国内检测单个基因突变位点的价格在500～1000元之间，这对多数患者无疑仍是一个经济负担。如何通过技术的进步和成熟，使费用控制在患者、政府行政部门及保险公司愿意支付，试剂设备厂家能够正常生产，使多方群体的成本－效益达到平衡，也将是个体化检验诊断健康发展需要考虑的重要因素。

四、结语

传统的检验已经进入集成化、标准化、常态化的趋势，而伴随精准医学发展而来的个体化检验诊断将是一个全新的领域，其复杂程度远超当前认知，检验医学从业人员应积极介入该新兴领域。精准医学的最终效果将很大程度依赖于个体化检验项目的持续推出和技术的标准化、相关模型的建立及结果的综合解读。"精准"、"个体化"本身也是相对的、发展的，如何实现"标准化"和"个体化"的协调和螺旋上升前进，任重而道远，机遇与挑战并存。

以上内容转载自：中华检验医学杂志

                                               关注百迈生物公众微信号，为您普及疾病预防以及检测知识，关爱您的健康，对自己负责。