中国生物工程学会会刊     创刊于2005年

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全球肿瘤生物标志物研发与应用态势分析

时间:2018-05-28来源:未知 点击:

肿瘤生物标志物(tumor biomarker, TM) 是指肿瘤细胞在 基因表达过程中而合成、分泌 的,或是机体因对肿瘤反应而异 常表达的一类物质,发现至今已 有100 多年的历史。自20 世纪 60 年代开始,肿瘤生物标志物作 为肿瘤诊断及后期治疗效果的参 考指标在临床上被广泛采用,并 逐渐发挥着越来越重要的作用。 随着生物技术的发展,各种高灵 敏性及特异性的新型标志物不断 被发现。其中具有代表性的有癌 基因、抑癌基因及其产物,肿瘤 DNA, 肿瘤miRNA, 各类细胞 因子及其受体,以及肿瘤干细胞 等。另一方面,针对单一肿瘤标 志物在疾病诊断应用中的局限性, 临床中又逐步采用多肿瘤标志物 联合诊断的技术,大大提高了肿 瘤检测的准确性和灵敏度[1-2]。为 了更全面、系统地分析目前国内 外肿瘤生物标志物的研发现状和 趋势,利用情报学的方法,从基 础研究竞争态势分析及产品应用 等方面对国内外肿瘤生物标志物 的现状进行梳理,并对相关领域 发展的机遇与挑战进行了探讨。

1 肿瘤生物标志物领域的研 究现状及临床应用
 

肿瘤标志物的概念, 始于 1978 年Herberman 教授在人类肿 瘤免疫诊断会上的报告。在肿瘤 学领域,其生物标志物一直是近 年来的研究热点,通常在肿瘤患 者体内的含量远远超过健康人, 存在于肿瘤患者的组织、体液和 排泄物中,可通过免疫学、生物 学及化学的方法进行定量检测。 随着相关领域研究的不断深入, 越来越多的特异性分子被列入肿 瘤生物标志物的范畴,肿瘤标志 物的生物来源也逐渐丰富,有望 为更科学精准的医学诊断及治疗 监测提供技术依据[3]。

1.1 现有肿瘤生物标志物的分类

肿瘤生物标志物广泛存在于 患者的体液、组织或排泄物中,可 通过生物化学、免疫学及分子生物 学等方法测定,在肿瘤的鉴别诊断、 疗效观察、检测复发以及预后评价 中发挥重要作用。目前,有关肿瘤 生物标志物的分类和命名尚未完全 统一,根据其生物来源的不同,可 简单划分为以下几类。

1.1.1 酶类肿瘤生物标志物

酶类肿瘤标志物存在广泛, 在肿瘤的发生、发展全过程中均 有所涉及。随着肿瘤患者身体状 况发生变化,机体内某些酶活力 或同功酶谱也将发生相应的改变,因此可被用于肿瘤的治疗和预后 监测。总体来说,酶类标志物的 敏感性较高,临床上主要通过测 定酶的活性来反映肿瘤治疗过程 的生理指标判断,常见的酶类肿 瘤标志物主要包括碱性磷酸酶 (ALP)、前列腺特异抗原(PSA)、 乳酸脱氢酶(LD)、神经元特异 性烯醇化酶(NSE)、谷胱甘肽-S- 转移酶(GST)、α-L-岩藻糖苷 酶(α-L-fucosidase,AFU)、γ-谷 氨酸转肽酶(γ-GT)以及端粒酶 (telomerase)等,相关酶标物质 的异常表达能在一定程度上作为 原发性肝癌、前列腺癌、恶性淋 巴瘤、白血病、卵巢癌、神经母 细胞瘤以及小细胞肺癌等的诊疗 参考依据。此外,由于酶的活性 受多种因素影响和干扰,稳定性 较差,未来的发展有望通过酶质 量测定代替酶活性测定。

1.1.2 癌基因及抑癌基因肿瘤生 物标志物

在不同类型肿瘤的发生和 发展过程中,基本都伴随着癌基 因和抑癌基因的改变。随着基因 诊断技术的不断进步,针对癌基 因和抑癌基因或其产物的变化监 测已成为肿瘤早期诊断的一个有 效途径。常见的癌基因、抑癌基 因及其主诊的肿瘤类型主要包括 N-myc、N-ras、C-erb-2、C-myc、 H-ras、RB(13q14 染色体)、 WT1(11p13 染色体)、NF-1 (17q11.1q 染色体)、DCC(13q21.3 染色体)、P53(17q21-1q 染色体) 以及Erb-B-2(7p 染色体)等,在 神经母细胞瘤、胃腺癌、急性粒 细胞白血病、膀胱癌、皮肤鳞癌、 结肠癌、骨肉瘤、膀胱癌、胰腺癌、 卵巢癌以及乳腺癌等癌症的预测 环节中起到重要作用。

1.1.3 激素类肿瘤生物标志物

在肿瘤产生及生长过程中, 往往也伴随着分泌激素的变化。 根据标志物来源的不同,可将激 素类肿瘤标志物简单划分为原位 激素和异位激素两大类,并均可 作为肿瘤诊断的依据。除少数特 殊情况外,大部分肿瘤和激素的 关系并不固定。不同于良性肿瘤, 在恶性肿瘤患者体内,异位激素 分泌量少,且不恒定,典型代表 为人绒毛膜促性腺激素(humam chorionic gonadotropin,hCG)。 此外,有些肿瘤发生时,激素本 身并不改变,但相关受体却发生 了改变,如乳腺癌病人雌激素和 孕酮水平不增加或增加很少,但 其受体数量明显改变。在临床实 践中,乳腺组织细胞质中的雌激 素受体和孕酮受体已经成为乳腺 癌诊治的常规项目。

1.1.4 抗原类肿瘤生物标志物

根据抗原来源的不同,可将 抗原类肿瘤标志物分为胚胎性抗 原标志物和糖蛋白抗原标志物。 胚胎性抗原标志物与肿瘤组织不 一定具有特定的相关性,但与肿 瘤的发生存在着内在的联系,是 一种临床上应用较早的常见肿瘤 标志物,常见的主要包括癌胚抗 原(CEA)、甲胎蛋白(AFP)、 胰胚胎抗原(POA)等; 糖蛋白 抗原标志物是在肿瘤细胞内发生 糖基化变异过程中,由细胞分泌 或产生的一种和正常糖蛋白不同的 特殊抗原。由于糖蛋白类抗原肿瘤 生物标志物可利用单克隆抗体技术 进行检测,相对其他酶类及激素类 肿瘤生物标志物具有更高的敏感性 和特异性,目前在临床中已作为新 一代的肿瘤标记物被广泛应用,例 如CA242(糖链抗原)、CA19-9 (糖链抗原)、CA15-3(癌抗原)、 CA50(癌抗原)、CA125(癌抗 原)及CA72-4(胃癌抗原)等。

1.1.5 特殊蛋白类肿瘤生物标志物

这类蛋白主要包括正常细胞 在恶变过程中异常表达的蛋白以及 某类特异性更高的癌基因蛋白。常 见的蛋白类肿瘤标志物主要有铁蛋 白及角蛋白(CK),前者作为一 种广谱肿瘤标志物被广泛使用,而 角蛋白的检测往往与肺癌尤其是非 小细胞肺癌的预判及诊疗相关。此 外,ras 基因蛋白、myc 基因蛋白、 erbB-2 基因蛋白、p53 抑癌基因 蛋白以及bc1 基因蛋白等作为典 型的癌基因及抑癌基因表达蛋白, 在神经母细胞瘤、乳腺癌、卵巢 癌以及胃肠道肿瘤的预测中具有 重要价值。

1.1.6 肿瘤干细胞生物标志物

肿瘤干细胞的概念于2001 年被正式提出,是存在于肿瘤组 织中的具有很强的自我更新及增 值分化能力的一类细胞群。除与 干细胞共同的表面抗原标记外, 肿瘤干细胞还有一些特异性的表 面分子及其异常活化的信号通 路,是其区别于其他肿瘤细胞的 特性。可用于识别与筛选肿瘤干细 胞,并进行相关信号调控机制研 究,在肿瘤早期诊断及肿瘤干细胞 靶向治疗中起到关键作用。目前,常见的肿瘤干细胞表面标志物主 要包括CD133、CD44、CD90、 CD13、CD176、CD24、CD29、 EpCAM、Lg r 5 + 、ALDH1、 ABCG2 等若干大类,在乳腺癌、 脑瘤、前列腺癌、胰腺癌、母细 胞瘤、肝细胞腺瘤、消化道肿瘤 以及脑胶质瘤的预测及机理研究 中占据着重要地位[4]。

1.1.7 miRNA 肿瘤生物标志物

MicroRNA(miRNA) 是一 类小分子非编码 RNA,能够在转 录后水平调控蛋白合成,几乎参 与了调控细胞活动的各个环节。 因此,miRNA 可作为多种肿瘤的 潜在诊断标志物,在肿瘤检测应 用中具有着巨大潜力[5-6]。目前使 用较多的miRNA 类肿瘤标志物 主要包括Let-7 家族、mR-21 家族、 mR-29 家族、mR-124a 家族等, 在胰腺癌、乳腺癌、肺癌、结肠 癌、肝癌、慢性淋巴细胞白血病、 胶质母细胞瘤、淋巴癌等的检测 中起到重要参考作用。

1.2 肿瘤生物标志物的临床应用 及评价指标

1.2.1 肿瘤生物标志物的临床应用

肿瘤是危害人类健康最主要 的疾病之一,其中恶性肿瘤以其 居高不下的死亡率引起了全球范 围内的广泛关注。随着医学研究 的逐步深入及相关诊疗技术的不 断进步,目前有一半以上的恶性 肿瘤类别可以被预防或治愈。即 使不能完全治愈,三分之一的患 者可以通过有效的医学手段来适 当延长生命。目前,在一些医学 条件更为先进的国家,肿瘤的诊 断与治疗主要集中在早期,某些 特定类别的肿瘤标志物作为必检 项目已经被列入日常检查中。在 目前的形势下,充分发挥肿瘤标 志物在临床检测及治疗中的作用 将具有十分重要的意义。

对于不同器官及组织起源的 肿瘤细胞来说,它们所产生的肿 瘤生物标志物各有不同,且处于 不同临床分期的肿瘤标志物,其 指标水平也会呈现相应的变化, 能在一定程度上反映体内肿瘤的 负荷及肿瘤细胞残留量。因此, 肿瘤生物标志物可用作器官定 位、病理分型及分期的指标。如 表1 所示,以临床中肝癌、乳腺 癌、胃癌及子宫颈癌的诊疗过程为例,具体梳理几类典型肿瘤生 物标志物的临床应用。

1.2.2 肿瘤标志物的评价指标

在临床应用阶段,能通过筛 选的肿瘤标志物应具备一些基本 的特征以便达到临床医学层面上 的参考水平。基本要求之一是所 采用的肿瘤标志物一般都应由恶 性肿瘤细胞产生,在肿瘤患者的 血液、组织液、分泌液或肿瘤组 织中能够检测到,同时在正常组 织或良性肿瘤中含量又较低,能 够加以区分。其次,对于某种特 定的肿瘤标志物来说,应该能在 罹患该肿瘤的大多数患者中检测 出来,且在临床上尚无明确诊断证据之前就能测出。肿瘤标志物 的量最好能反映肿瘤的大小,对于 后续肿瘤治疗效果、肿瘤复发和转 移的判断提供参考依据。理想的肿 瘤标志物应具有高度的肿瘤特异 性、器官特异性及敏感性。具体来 说,这些评价指标如表2 所示。

1.3 肿瘤生物标志物的联合应用

在临床应用中,利用单一肿 瘤标志物来对某一种恶性肿瘤进 行监测诊断的准确率往往不超过 60%,特异性也受到一定的限制。 由于不同类型的肿瘤释放标志物 的浓度不同,且在肿瘤发展的不 同时期其释放浓度也不一样,在 实际应用中往往采用多肿瘤标志 物联合诊断和动态观察的方法, 以尽可能提高肿瘤诊断准确率。 目前临床联合诊断的肿瘤标志物 及诊断的肿瘤类型见表3。

相较于单一肿瘤标志物,生 物标志物的联合检测往往具有更 佳的敏感性、特异性和准确率[7-8]。 以目前国际上公认的C12 多肿瘤 标志物联合检测技术为例,通过 一次性对12 种肿瘤标志物进行 联合检测(包括 AFP、CA125、 CA199、CEA、CA153、CA242、 Ferritin、β-HCG、NSE、HGH、 f-PSA、PSA),可以早期发现肺 癌、乳腺癌、胃癌、肝癌、胰腺癌、 结直肠癌、卵巢癌、宫颈癌、前列 腺癌9 种最常见、最高发的恶性肿 瘤,检出率达90% 以上,而在同 类型的常规查体中,癌症的检出率 只有0.2%。目前C12 多肿瘤标志 物蛋白芯片检测技术既可用于肿瘤 的早期筛查,亦可用于治疗监测及 预后评估。类似的多标志物联合也 可用于肺癌、鳞癌、卵巢癌等肿瘤 检测中,均取得了更好的效果。

2 全球肿瘤生物标志物的研 发态势及市场布局

在人类与癌症斗争的漫长过 程中,伴随着不断取得的阶段性成 果,肿瘤学已成为现代医学中成长 最为迅速的学科。肿瘤生物标志物 因其在肿瘤早期诊断、预防、药效 评价、预后评价等方面发挥的重要 的作用,现已成为21 世纪肿瘤学 研究的热点之一。作为新兴的年轻 学科,不论是肿瘤生物标志物的分 子生物学基础,还是临床诊疗应用, 都取得了长足进步[9-10]。

2.1 全球肿瘤生物标志物的基础 研究现状

21 世纪以来,随着各国政府基础研发投入,肿瘤学科的基础 设施建设逐步得到了保障。在各 方的推动下,肿瘤生物标志物基 础研究成果产出也有了明显的快 速增长,有力促进了肿瘤生物标 志物在医药领域的持续发展。

从肿瘤生物标志物在生物医 药领域的发文情况来看(如图1, 本文涉及的2016 年统计数据均截 止至2016 年12 月10 日,下同), 2005 年以来全球发文量逐年稳步 上升,并在2011 年以后得到飞速 发展。截至2011 年,相关领域的年发文量达到12 000 篇以上,相 较2005 年统计总量翻倍,相关领 域的基础研究展现出蓬勃发展的 态势。

从肿瘤生物标志物发文的国 家分布来看,美国、中国、日本、 德国、英国是全球肿瘤生物标志 物基础研究领域的领先国家。12 年中,美国一直以领跑者占据相 关基础研究领域的优势地位(图 2)。值得一提的是,自2011 年 以来,中国相继出台了多项政策 用以推进生物医学领域的基础研 究,多个与肿瘤生物标志物相关 的研究计划被列入国家“973”计 划,并得到国家自然科学基金等 的支持。基于以上政策的支持, 中国适时融入了肿瘤学科生物研 发的全球化热潮,在相关学科的 基础研究领域奠定了一定地位, 在科技论文的发表方面,仅2011 ~ 2013 年,两年间即实现了发文 量翻倍增长,并有望在发文总量 上超越美国。

其次,从知名研究机构层面 来看(图3),截至2016 年的统 计数量表明,美国的哈佛大学、 加利福尼亚大学、美国国立卫生 研究院(NIH)、美国国家癌症 研究所(NCI)、UTMD 安德森 癌症中心、波士顿VA 医疗系统、 约翰·霍普金斯大学等作为全球知 名的研究机构,占据了全球肿瘤 生物标志物领域发文量前10 机构 的过半席位,也充分证明了美国 在该学科的领先地位。其他顶尖 机构,均来自于英国、法国以及 加拿大等肿瘤学领域具有较好研 究基础的发达国家。

另外,从时间跨度上来看, 随着各国对癌症分子标志物研发工作的普遍重视,跨国合作项目 及国际协作的组织平台也逐渐成 为生物领域研究的新常态。以 2016 年度国家自然科学基金委员 会(NSFC)与美国NIH 联合签 署的《科学合作谅解备忘录》为 例,双方于2016 年共同资助为期 5 年的生物医学合作研究项目, 支持中美科学家在医学免疫、感 染性疾病等领域开展基础、转化 及临床合作研究。这些举措一方 面推动了肿瘤生物标志物研究在全球范围内的快速发展,也在无 形中缩短了国家及地区间的水平 差异。以中国具有代表性的两家 机构(复旦大学与上海交通大学) 为例,通过与国际顶尖的6 家传 统机构对比发现(图4),虽然 在起步阶段的研究产出差距较 大,但是在近年来由于国家相关 政策的推动以及平台内部新型研 究方法的创立,基础研究领域的 发文量与发达国家差距已明显缩 小,甚至可与其传统名校相持平。

2.2 全球肿瘤生物标志物的市场 布局

基础研究的进步, 也促进 了肿瘤生物标志物相关应用的发 展。自2004 年起,各研究机构与 企业加速生物标志物产品在知识 产权领域的保护,其中约翰·霍普 金斯大学、加利福尼亚大学等无 论是基础研究还是专利布局都处 于领先地位(图5)。从整体来看, 在肿瘤生物标志物领域的专利持 有机构中,以罗氏制药为代表的 各发达国家生物制药公司占据主 流,在专利持有量前10 机构中, 70% 均来自企业。

此外,在企业的研发成果推 广应用过程中,罗氏、韩国Genomictree 公司等医药企业也对 肿瘤生物标志物领域的知识产权 进行了全球性战略布局。在专利 申请过程中,依据PCT 协议申请 的国际专利备受各国巨头企业的 青睐,排名靠前的优先权申请国 (地区)分别为美国、中国、欧洲、 韩国、加拿大以及日本等(图6)。

从专利保护的内容上看, 这些生物标志物专利主要分为两 类。一类是肿瘤生物标志物对某类疾病进行诊断或预后的方法, 包括新的标志物的发现、新的检 测方法的改进等。另一类是围绕 某种或几类特定生物标志物为指 标而采取的治疗手段,包括各类 肿瘤靶标治疗试剂、诊疗仪等。 从数量上来看,围绕试剂及治疗 应用的专利数量不及方法类的专 利数量,但这些专利成果具有较 高的实用性,而且大部分为企业 的研究成果,更能反映出当前全 球市场应用的进展情况。