沙巍

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精準醫(yī)學在結核病防治領域的應用與展望

沙巍

2015年1月20日，美國總統(tǒng)奧巴馬在國情咨文演講中提出了“精準醫(yī)療計劃”(precision medicine initiative)，并受到全世界的廣泛關注。精準醫(yī)學本質上是通過基因組、蛋白質組等組學技術和醫(yī)學前沿技術，對于大樣本人群與特定疾病類型進行生物標志物的分析與鑒定、驗證與應用，從而精確尋找到疾病產生的原因和治療的靶點，最終實現對疾病和特定患者進行個性化精確治療的目的[1]。精準醫(yī)學理念的深入標志著醫(yī)學步入了一個新的時代。

一、精準醫(yī)學的內涵及實施路徑

“精準醫(yī)學”并非一個全新的概念，既往“個體化治療”和“靶向治療”均涵蓋了一部分精準醫(yī)學的內容。100年前開展的根據患者血型制定不同輸血方案的做法就是精準醫(yī)學最早的實施案例，而針對表皮生長因子受體(epidermal growth factor receptor，EGFR)基因突變的EGFR酪氨酸激酶抑制劑吉非替尼，是肺腺癌治療中具有里程碑意義的靶向治療藥物。相對于經驗性治療，精準醫(yī)學具有精準性和便捷性，可以將預防和診療均集中于那些能夠真正收到效果的患者身上，因而避免了無用或者過度的診療行為所導致的醫(yī)療資源的浪費。但是精準醫(yī)學又不完全等同于個體化治療，它并不是指為某一位特定的患者開發(fā)特定的藥物和醫(yī)療設備，而是通過建立一個龐大的患者醫(yī)學數據信息庫，由研究人員通過分析和比對患者信息與數據庫里的信息，進一步了解疾病的根本病因，從而開發(fā)針對特定患者群體的干預方法。

因此，精準醫(yī)學的實施必須是以大樣本的數據庫為基礎，包括將臨床信息、患者表型與基因、蛋白質譜等所有數據進行整合。隨著二代測序技術和高通量組學技術的快速發(fā)展，這一龐大工程的實現并非“天方夜譚”。精準醫(yī)學的難點在于對所獲得的大數據進行分析比對，甄別同種疾病中具有不同特質的疾病亞型，給予已知的、標準化的、被證明有效的干預措施。簡而言之，精準醫(yī)療的核心目標是針對合適的人群，在合適的時機給予合適藥物劑量的精確的治療[2]。

美國的精準醫(yī)學的首要目標是腫瘤，其次是糖尿病等非感染性疾病，但是在感染性疾病領域，精準醫(yī)學的研究已廣泛開展并取得初步成效[3-4]。

二、結核病的個體化診療模式的實踐經驗

傳統(tǒng)的個體化診療始終貫穿在結核病診治的過程中。最經典的例子便是對Mtb進行藥物敏感性測定，以確定宿主是否感染了有耐藥性的菌株。Mtb的野生菌株對一線抗結核藥物敏感，因此在既往很長一段時間內，并不推薦對初治結核病進行常規(guī)藥物敏感性檢測[5]。然而，隨著耐藥結核病的流行，初治耐藥、耐多藥甚至廣泛耐藥患者并不罕見，因此，有必要在條件允許的區(qū)域，對所有結核病患者均進行藥物敏感性試驗(簡稱“藥敏試驗”)。傳統(tǒng)的藥敏試驗是通過體外含藥培養(yǎng)基進行的表型檢測。隨著對Mtb基因點突變導致耐藥機制的明確，基因型檢測Mtb的耐藥性較表型更為精確，尤其是發(fā)現不同的突變位點導致耐藥性存在差異[6]，或者可以預測對同類或者不同類藥物的交叉耐藥性[7]。分子生物學診斷技術(如Xpert Mtb/RIF、GenoType?MTBDRplus和GenoType?MTBDRsl等耐藥基因診斷技術)的臨床應用，大大縮短了培養(yǎng)和藥敏試驗所需要的時間，是個體化方案實施的重要依據。

雖然結核病的化學治療是以標準化方案為主，并且對于初治結核病患者的治愈率在90%以上；然而，由于患者存在個體差異，個體化的方案是標準化方案的必要補充。所謂結核病個體化治療是指在患者充分的用藥史、細菌耐藥性檢測、患者的體質及用藥反應等正確評估的基礎上，為患者制定的合理的個體化治療方案，包括改變或調整抗結核藥物的種類、數量、用藥途徑及延長治療療程等。對不同患者群體(老年人、孕婦、兒童和HIV患者)、不同基線狀態(tài)(肝、腎功能不全等)及治療后出現不良反應(藥物過敏、藥物性肝損傷等)均有個體化方案的調整原則和建議。個體化方案的實施可保證治療的合理性、有效性和安全性，從而提高特殊人群結核病的治愈率，降低死亡率和耐藥的發(fā)生。

三、精準醫(yī)學在結核病診治中的應用及其前景

Mtb侵入人體后發(fā)病是由于病原與宿主之間復雜的免疫反應所導致。Mtb感染后宿主不同的臨床結局說明必然有免疫系統(tǒng)、包括天然免疫和獲得性免疫的遺傳學差異存在。此外，在治療過程中對化療療效的差異和對藥物不良反應的差異亦表明存在群體的異質性。這也是精準醫(yī)學在結核病診治領域中所要揭示的機制問題，并要尋求解決方案。

1.Mtb易感性：越來越多的研究證實，個體對Mtb易感性或抗性的差異與宿主的某些基因相關，其中較為明確的有：(1)人類自然抵抗相關巨噬細胞蛋白l(NRAMPl)：NRAMPl蛋白重要功能之一是通過吞噬體膜泵出二價陽離子NRAMP1Fe2+，而Fe2+含量影響Mtb在吞噬體內生長，NRAMPl基因3′UTR、INT4、D543N位點的基因多態(tài)性與人類Mtb易感性相關。(2)維生素D受體(VDR)：維生素D以活性形式與VDR結合后，發(fā)揮其協(xié)助單核巨噬細胞抑制Mtb胞內生長的作用，對于VDR的多態(tài)性與Mtb易感性的相關研究主要集中在FokⅠ(rsl0735810)、BsmⅠ(rsl54410)、ApaⅠ和TaqⅠ等4個位點，并在不同人種中發(fā)現不同基因的多態(tài)性與Mtb易感性相關。(3)人類白細胞抗原(HLA)基因：HLA分子是效應T細胞識別抗原過程的必要分子，是獲得性免疫過程中的重要環(huán)節(jié)，三類HLA基因區(qū)多態(tài)性與Mtb易感性的關系國內外均有報道，以Ⅱ類基因區(qū)(也稱HLA-D區(qū))為多。雖然不同人種群體間研究結果不盡一致，但是多個研究均發(fā)現HLA-DR2和DRB1*15與Mtb易感性相關。(4)Toll樣受體(Toll-like receptor，TLR)家族：TLR識別并結合Mtb抗原，募集接頭蛋白經不同信號轉導途徑進行信號轉導，是人類天然免疫的有效組成。TLR2、TLR4和TLR9基因的多態(tài)性均有報道與Mtb易感性有關。(5)甘露糖結合凝集素(mannose-binding lectin，MBL)基因：屬于Ca2+依賴型凝集素家族，可作為調理素促進吞噬細胞的功能，并有增強補體作用。MBP和MBP-52突變型等位基因、MBP-52基因位點C/T突變、MBP-54基因位點G/A突變均可能與肺結核發(fā)病相關[8-10]。

雖然從目前的研究結果來看，人類肺結核易感性與基因多態(tài)性相關， 但不同種族間這種關聯(lián)性存在差異，而且此種關聯(lián)在Mtb感染、發(fā)病過程中所起的作用和所占的地位尚不明確，使得有效的干預機制難以確定。隨著全基因組測序(WGS)、全基因組關聯(lián)分析(GWAS)、全外顯子測序(WES)和全轉錄組測序(WTS)等技術的成熟，確定Mtb易感性的高特異性遺傳學指標，對高危人群進行篩查，并在早期予以針對性的干預措施，是精準醫(yī)學在結核病預防領域中的重要任務。

2.建立結核病的生物標識分子庫：Mtb感染機體后，無論是細菌生存和繁殖，還是機體免疫系統(tǒng)的防御過程，都可能產生一系列的生物學代謝產物。建立生物標記庫，對這些產物進行系統(tǒng)的甄別，有可能會發(fā)現可作為疫苗的抗原、Mtb潛伏感染(LTBI)或者活動性結核病早期并具有高度特異性的診斷指標、疾病嚴重程度和預后評定的指標，抑或是評定療效的預測因子；后者亦是縮短療程的重要標準。

免疫應答效應分子作為新的標志物在抗結核化療療效上的提示作用越來越受到關注。研究發(fā)現，有效的抗結核治療可以引起抗早期分泌靶蛋白6(ESAT-6)和抗Rv2626c抗體的下降，同時引起抗LAM和抗Rv0934的抗體的升高，但敏感度和特異度有限[11]。烏干達的一項對LTBI患者采用異煙肼預防性治療的研究結果發(fā)現，相對于未干預組，干預組在治療過程中γ-干擾素(IFN-γ)和血清中抗濾液蛋白10(CFP-10)的抗體逐漸降低，提示這兩種生物學分子可作為LTBI患者治療過程中的監(jiān)測指標。血管和淋巴管增生并形成肉芽腫是Mtb感染的重要特征[12]。研究者通過對患者血液中的血管內皮生長因子(VEGF)的檢測，觀察其與結核病的嚴重程度和荷菌量是否相關，結果顯示，肺結核組的VEGF-A、VEGF-C 及VEGF-R2水平明顯高于潛伏感染組及非結核組。肺結核組中，雙側病灶及空洞病灶患者的VEGF-A、VEGF-C和VEGF-R2水平明顯增高，在有效的抗結核藥物治療后，所有患者VEGF的水平均明顯降低。說明VEGF可作為監(jiān)測肺結核嚴重程度、細菌負荷和評價抗結核治療療效的有效生物標志物[13]。英國學者對比了初治后復發(fā)患者和痊愈患者的相關基因，發(fā)現668個基因表達有差異，其中與細胞毒相關的基因如穿孔素、顆粒溶素和fas配體等在復發(fā)患者中高度表達，提示這些因子可以作為預測結核病復發(fā)的生物學分子標志物[14]。

目前，有數個國家已開始著手建立結核病的生物標識分子庫[15]。例如，英國的結核病免疫研究組，收集的標本包括患者的血液、尿液、痰液、各種體液和各種活檢標本甚至骨髓標本，試圖在大樣本數據庫中篩選出與結核病發(fā)病機制相關的特異性生物標識。除了免疫學方法，新型學科代謝組學方法，如液相色譜-質譜聯(lián)用(LC-MS)、氣相色譜-質譜聯(lián)用(GC-MS)和磁共振分子成像還可以用于篩選患者治療過程中的代謝產物，評估疾病的臨床病程、患者的預后或者藥物的療效等。利用這些生物學標識來進行個體的評估，可實現精準診療的目的。

3.藥物遺傳學對藥物不良反應的預測：在群體中，不同個體對某一藥物可能產生不同的反應，甚至可能出現嚴重的不良反應。這種現象稱為個體對藥物的特應性(idiosyncracy)。特應性產生的原因相當一部分取決于個體的遺傳背景。遺傳因素引起的異常藥物反應實質上就是遺傳缺陷對藥物在機體內代謝過程或對藥物效應的影響。例如，漢族人群服用卡馬西平出現嚴重的皮膚過敏反應與HLA-B*1502等位基因明顯相關[16]；攜帶HLA-B*5701的患者使用阿巴卡韋更易發(fā)生致命的過敏反應[17]。采用藥物遺傳學研究可以對藥物的不良反應進行預測，前提必須是在大樣本人群中獲得大量的遺傳信息和藥物代謝動力學數據。

在抗結核藥物治療的過程中，由于藥物的不良反應導致治療中斷的情況并不少見。最常見的是藥物性肝損傷和過敏反應，而研究較多的是N-乙酰基轉移酶2(NAT2)[18]。人NAT2等位基因與快乙酰化和慢乙?；嘘P，其中慢乙?；蛐洼^快乙?；蛐桶l(fā)生肝毒性的率為高，中國人群中NAT2*6A基因型發(fā)生肝損傷的頻率最高[19]。日本學者對初治的肺結核患者用藥前常規(guī)進行NAT2基因型檢測，并根據基因型的結果設定異煙肼劑量，結果顯示，試驗組較常規(guī)劑量組發(fā)生異煙肼所致肝損傷的率或治療的中斷率均較低[20]。這是一項采用藥物遺傳學指導精準化療的典型的臨床研究，而且取得了非常好的效果，提示采用精準醫(yī)學指導臨床治療及藥物監(jiān)測的可行性。

抗結核藥物除可致肝損傷以外，常見的不良反應還有藥物的超敏反應。但是目前是否與基因多態(tài)性相關尚不明確，而且對于利福平和吡嗪酰胺導致的藥物性肝損傷的機制研究遠不及對異煙肼肝損傷機制研究深入。如何預測這些不良反應是將來精準醫(yī)學的重要任務之一。

4.宿主導向的治療(host-directed therapy，HDT)：HDT是屬于抗結核治療范疇中非常新的一種治療方法，它將結核病的治療從針對細菌轉變成針對宿主的靶蛋白，通過對宿主對抗胞內細菌的免疫通路的調控，影響炎癥反應和免疫致病機制，從而抑制Mtb的感染和感染后的發(fā)病[21-22]。這種全新的治療理念甚至可以被認為是繼20世紀初結核病化學治療實施以來的又一個重大突破，在耐藥結核病流行、抗結核新藥匱乏的時代具有里程碑意義。

目前，已有一系列具有HDT作用的藥物或化合物在臨床前或者臨床試驗階段，包括增強巨噬細胞及效應細胞功能的藥物，以及降低炎癥反應、減少肺組織損傷的藥物。典型例子包括：(1)二甲雙胍[23]：體外研究顯示二甲雙胍可以促進吞噬溶酶體的融合，增強線粒體活性氧的產生而抑制Mtb的生長；動物研究的結果顯示，二甲雙胍可以明顯降低結核小鼠模型的肺損傷和荷菌量。(2)齊留通(Zileuton)[24]：原是用于治療哮喘的白三烯抑制劑，通過降低Ⅰ型干擾素的產生，降低局部的炎癥反應，減少肺組織損傷，適用于Mtb感染后機體免疫系統(tǒng)產生高水平Ⅰ型干擾素的患者群體。(3)磷酸二酯酶同工酶4(PDE4)抑制劑[25]：可抑制腫瘤壞死因子和其他一些前炎癥細胞因子的產生。在動物試驗中，PDE4聯(lián)合異煙肼治療小鼠和家兔結核，可減少組織壞死、纖維化、肉芽腫數量和大小及Mtb的荷菌量。(4)抗血管內皮生長因子[26]：貝伐單抗治療可使家兔的結核肉芽腫中血管分布的范圍及數量發(fā)生變化，并使其趨向正?；⒖商岣呓Y核性肉芽腫對小分子物質的轉運能力，改善結核性肉芽腫內氧合作用。

HDT的候選藥物種類目前已達10余種，前期研究所發(fā)現的較為肯定的效果令人振奮，聯(lián)合化學治療可以縮短療程，提高耐藥結核病的治愈率。因此，可以將之視為結核病防治領域的“靶向治療”。雖然目前的研究結果還局限于動物及小樣本的臨床研究，但其中許多候選藥物屬于上市藥物，開展大樣本的臨床研究并非遙不可及。

綜上所述，精準醫(yī)學在結核病防治領域中的應用尚處于起步階段，與腫瘤防治領域相比，尚缺乏足夠的前期大數據的研究結果支撐。精準醫(yī)學的長期目標是通過全球科學家的協(xié)作和努力，開發(fā)創(chuàng)造性的新方法來檢測、測量和分析大量的生物醫(yī)學信息，并將成果覆蓋到所有的衛(wèi)生健康領域。以此推斷，精準醫(yī)學將極大地推動結核病基礎和臨床研究的發(fā)展，為人類最終戰(zhàn)勝“白色瘟疫”提供有利的“武器”。

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(本文編輯：李敬文)

10.3969/j.issn.1000-6621.2016.03.001

200433 同濟大學附屬上海肺科醫(yī)院結核病臨床研究中心 上海市結核病(肺)重點實驗室

沙巍，Email：shfksw@126.com

2016-02-17)