文圖/《中國醫(yī)藥科學》 費菲

生物大數(shù)據(jù)和人工智能的時代已經(jīng)到來。人工智能在生物大數(shù)據(jù)領域的參與度不斷提升，促進了醫(yī)療健康的進步和發(fā)展。相比人腦，人工智能的優(yōu)越性在于可更高效地處理海量數(shù)據(jù)，迅速找到一些特征和規(guī)律；還可以利用龐大的醫(yī)學知識庫和數(shù)據(jù)庫，建立醫(yī)生臨床輔助決策系統(tǒng)，幫助醫(yī)生進行疾病診斷和治療。

在從事消化系統(tǒng)疾病的臨床診療和研究工作30余年后，復旦大學附屬華山醫(yī)院消化內(nèi)科主任兼復旦大學消化疾病研究所所長、復旦大學生物醫(yī)學研究院雙聘PI 劉杰教授近幾年感受最深的是，他的研究工作已經(jīng)與生物大數(shù)據(jù)和人工智能技術密不可分，為臨床診療帶來更多新的策略：基于最新的科研進展建立惡性腫瘤診療的系列新方法，包括液體活檢腫瘤無創(chuàng)診斷技術，用于腫瘤的診斷和復發(fā)監(jiān)控；通過人工智能技術結合PDX 模型等設計腫瘤精準治療方案；建立第四代針對實體瘤的分泌型CART 技術，為實體瘤免疫治療提供手段；開展了基于人工智能的腫瘤個體化新抗原疫苗研究，通過人工智能深度學習算法挖掘新抗原信息，合成特異的新抗原，制成疫苗可注射到對應患者體內(nèi)，刺激其體內(nèi)特異的針對新抗原的免疫反應。日前，劉杰教授從生物大數(shù)據(jù)及人工智能在腫瘤診療應用的角度，介紹了相關研究結果。

制定防治策略應從癌癥本質(zhì)出發(fā)

2018 年9 月12 日，Bray F, Ferlay J 等在CA：腫瘤臨床醫(yī)師雜志（CA：Cancer J Clin）發(fā)表了一篇最新的全球癌癥統(tǒng)計報告，主要分析了2018年各種癌癥的發(fā)病率和致死率。這項研究通過對185 個國家的研究，著重分析了全球腫瘤發(fā)病和致死的地理性差異。研究估計，2018 年全球范圍內(nèi)將有1810 萬癌癥新發(fā)病例和960 萬癌癥死亡病例。全球范圍內(nèi)發(fā)病率和死亡率排名前10 位的癌癥數(shù)據(jù)顯示，肺癌是最常見的癌癥類型（占所有癌癥的11.6%），也是癌癥死亡的主要原因（占癌癥總死亡率的18.4%）。女性乳腺癌（11.6%）、結直腸癌（10.2%）、前列腺癌（7.1%）的發(fā)病率最高；結直腸癌（9.2%）、胃癌（8.2%）和肝癌（8.2%）死亡率最高。

該雜志在2015 年報道的全球2012 年并結合中國2011 年數(shù)據(jù)顯示，世界每年新發(fā)病例數(shù)為1400 萬，死亡病例數(shù)為800 萬。2012 年全球癌癥統(tǒng)計報告顯示，每年癌癥新發(fā)病例約1400 萬，死亡約800 萬，女性發(fā)病率最高的癌癥為乳腺癌，男性最高發(fā)的癌癥為肺癌。我國每年新發(fā)病例337 萬例，肺癌、女性乳腺癌、胃癌、結直腸癌、食管癌、宮頸癌、子宮腫瘤、胰腺癌、卵巢癌等約占75%，死亡211 萬例；肺癌、肝癌、胃癌、食管癌、結直腸癌、女性乳腺癌、胰腺癌、腦瘤、宮頸癌、白血病等占84%。短短五六年間，癌癥的發(fā)病率和死亡率都出現(xiàn)了大幅攀升。

□劉杰：癌癥發(fā)生的根本原因是免疫失衡

癌癥的根源在哪里？劉杰教授介紹，2017 年11月CA：Cancer J Clin雜志報道，77%的癌癥根源在于不良生活方式，而遺傳因素和環(huán)境因素只占到24%和9%。生活方式導致癌癥的主要危險因素主要包括以下幾個方面：一是吸煙，19.0%的癌癥發(fā)病和29%的癌癥死亡與吸煙有關；二是肥胖，7.8%的癌癥發(fā)病和6.5%的癌癥死亡與肥胖有關；三是飲酒，5.6%的癌癥發(fā)病和4%的癌癥死亡與飲酒有關；四是紫外線輻射，4.7%的癌癥發(fā)病和1.5%的癌癥死亡與紫外線輻射有關；五是缺乏鍛煉，2.9%的癌癥發(fā)病和2.2%的癌癥死亡與缺乏鍛煉有關；六是缺乏水果蔬菜，1.9%的癌癥發(fā)病與缺乏水果蔬菜有關；七是缺乏膳食纖維；0.9%的癌癥發(fā)病與缺乏膳食纖維有關；八是缺鈣，0.4%的癌癥發(fā)病與缺鈣有關。

劉杰教授近幾年出門診時經(jīng)常接診由不良生活方式導致癌癥的20 多歲年輕患者。舉兩個例子，病例一：21 歲女性患者為胃竇低分化印戒細胞癌伴巨大潰瘍，問病史得知其家庭條件優(yōu)裕，從十幾歲開始，大量攝入方便面、各種膨化食品，每天不喝白開水，只喝飲料。病例二：男性，28 歲，某財富公司HR。4 天前出現(xiàn)全身乏力，胃納減少，易飽腹，無腹痛，排便異常。到院就診，實驗室檢查顯示，中度貧血，輕度肝酶異常，無黃疸。腫瘤標志物水平：血清中癌胚抗原（CEA）升高（＞1000μg/L），CA199 水平升高（706.3 U/mL）。結腸鏡檢查提示，橫結腸癌伴腸腔狹窄。病理提示，（橫結腸）粘液腺癌（判定標準：當CEA 水平＞5μg/L，CA199 水平＞37 U/mL，CA724 水平＞6.9 U/mL 時檢測視為陽性）。PET/CT 提示，橫結腸局部腸壁明顯增厚并FDG 攝取增高（SUVmax=10.5）。根據(jù)檢查結果考慮為惡性腫瘤伴周圍浸潤，結腸癌可能大。肝彌漫性轉(zhuǎn)移（SUVmax=6.7）、腹膜廣泛種植轉(zhuǎn)移（SUVmax=1.9）、全身多發(fā)骨轉(zhuǎn)移（SUVmax=6.7）可能大；腹盆腔積液。初步診斷為橫結腸粘液腺癌伴肝、腹壁、骨多發(fā)轉(zhuǎn)移。

在問病史時發(fā)現(xiàn)，這名年輕腫瘤患者工作強度高，從早上9 點到晚上9 點，每天工作時間長達12 小時以上，而且多數(shù)時間是在與客戶通話，工作生活習慣不利于健康。劉杰教授建議，保持健康應該經(jīng)常到戶外活動，多進行日光照射。日光照射比攝入維生素D 加鈣對健康更有益。人們長久地坐著使用電腦工作，缺乏陽光照射和維生素D、鈣、磷，將對免疫系統(tǒng)造成不良的影響。他總結了可提升免疫力的7 項腫瘤綜合防治策略：一是堅持適量運動，多站少坐，每天出點汗；二是保持身心放松，控制壞情緒，每天大笑10次以上；三是保持良好睡眠，必要時用藥物促進睡眠；四是少食高熱量油炸食物，少食腌制食品；五是常吃水果、豆?jié){、堅果、靈芝孢子粉、綠茶；六、常補充纖維素，以食物補充為主；七是補充維生素D 和鈣，以陽光照射為主。同時指出運動不能過量，如過量也會對機體造成損傷。

他提示說，癌癥發(fā)生的根本原因是免疫失衡，可以說，癌癥是基因突變與免疫的博弈。正常DNA 由于紫外線和各種輻射、化學誘變劑、病毒等因素導致基因突變（腫瘤驅(qū)動基因），免疫監(jiān)視（DNA 修復，抑癌基因誘導凋亡），這一過程失敗才會導致癌癥。每個人身上都有癌細胞，突變細胞是否形成癌，取決于是否處于免疫平衡，它一旦突破這個底線就會膨脹性生長。癌細胞生長非?？?，最后患者很快去世是免疫系統(tǒng)崩潰而導致的。還有一個普遍的疑問是，肺結節(jié)是否有必要切除，該怎么對肺結節(jié)進行觀察？劉杰教授認為除了早期切除病變組織的手段，也需要免疫系統(tǒng)與癌細胞的博弈來起作用。70%的肺結節(jié)由免疫系統(tǒng)清除癌細胞后避免了癌變，僅20%～30%的肺結節(jié)會癌變，所以免疫系統(tǒng)在其中起到相當關鍵的作用。

這名年輕患者一經(jīng)發(fā)現(xiàn)就已是癌癥晚期，而此前缺乏明顯癥狀，患者家屬表示不解。劉杰教授表示，其實這種疑問很有普遍性，如今不少人在國內(nèi)定期體檢，還專門到美國、歐洲、日本等國體檢，但常會出現(xiàn)發(fā)現(xiàn)癌癥時已是晚期的情況。癌癥的發(fā)展階段主要分為以下幾個階段：分子癌變階段（8 ～10 年）、細胞癌變階段（3 ～5 年）、早癌（1 ～3 年）、中晚期癌。目前癌癥檢查基本上是靠超聲、CT、MRI、PET-CT 等儀器，或是AFP、CEA、PSA 等腫瘤標志物。黃豆大的腫瘤組織里的癌細胞數(shù)量都以億個計，所以一旦影像學發(fā)現(xiàn)腫瘤，已經(jīng)很難說是早期癌癥。那么，怎樣才能早期發(fā)現(xiàn)癌癥？劉杰教授團隊近年開展的工作之一是基于生物大數(shù)據(jù)及人工智能的診斷和治療，同時開展一些其他研究工作，還有一個團隊開展基于人工智能大數(shù)據(jù)開展臨床轉(zhuǎn)化相關的工作。近幾年他們對癌癥的診斷方面主要圍繞著基因突變這一領域，治療以免疫治療為主，應用幾個最新的技術探索出了免疫治療的一些方法。具體而言，在癌癥診斷方面，基于生物大數(shù)據(jù)及人工智能作出決策主要圍繞兩個技術：一是疑難病智能診斷平臺，二是液體活檢早期診斷技術。

基于大數(shù)據(jù)的疑難病智能診斷平臺

劉杰教授首先介紹了基于大數(shù)據(jù)的疑難病智能診斷平臺的建立及應用。他說，上海復旦大學生命科學學院遺傳與發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心王毅博士創(chuàng)建的“小王醫(yī)生”（www.drwang.top）疑難病智能診斷平臺，就是一個基于大數(shù)據(jù)的診斷工具。王毅博士近幾年不斷研發(fā)出一些新的技術，其中“小王醫(yī)生”可幫助醫(yī)生進行疾病輔助診斷，而“小易醫(yī)生”則針對老百姓問診。

在“小易醫(yī)生”上，患者可以問診并獲得診斷，得到很有用的信息提示，比如，對應癥狀的是什么疾病，頭痛、發(fā)燒、咳嗽的診斷治療可全部列出。如果能提供全基因組數(shù)據(jù)，診斷率基本能達到95% ～ 100%，對疑難雜癥的診斷也很有參考價值。

“小王醫(yī)生”（www.drwang.top）是一個精準醫(yī)學支持系統(tǒng)，通過測評后發(fā)現(xiàn)，“小王醫(yī)生”在人類疾病的基因診斷方向上達到全球領先水平。它基于1200 萬篇PubMed 文獻摘要和文本挖掘算法，可以提供對疾病的輔助診斷。兩分鐘內(nèi)可以提取60 萬的文獻量，相當于醫(yī)生在會診疑難病時，旁邊有個智能大腦，將癥狀一輸入（如果結合二代基因組數(shù)據(jù)診斷更精準），就能尋找疾病相關的表型，根據(jù)臨床表型列出10 項可能疾病的列表，包括尋找疾病相關的基因和遺傳突變，尋找疾病相關的藥物，以及尋找疾病相關的專家名單等信息。

臨床上常會遇到不明原因的腫瘤找不到原發(fā)灶的困惑。比如，劉杰教授接診的一名北京患者全身查體，包括CT、胃腸鏡等都查不到原發(fā)灶；還有杭州患者腹股溝兩串淋巴結轉(zhuǎn)移，卻找不著原發(fā)灶。通過疑難病智能診斷平臺這項技術可以為診斷提供方向。目前利用“小王醫(yī)生”和全基因組測序技術已經(jīng)輔助診斷了30 例罕見病，找到了遺傳突變。

以一名患者的診斷為例：深圳男性患兒，10 歲。在北京體檢時發(fā)現(xiàn)肝纖維化伴有輕度脂肪肝，后經(jīng)華山醫(yī)院肝臟病理證實。無肝病病史，父母健康。肝功化驗等檢查無明顯異常。先天性肝纖維化（CHF）伴有多囊肝及多囊腎的PKHD1，考慮為突變的Caroli?。ㄏ忍煨愿蝺?nèi)膽管擴張癥）。把孩子的癥狀等代入這個系統(tǒng)，提示他是患上了希特林缺乏癥（Citrin Deficiency）。那么，什么是希特林缺乏癥？Citrin 是線粒體內(nèi)鈣結合天冬氨酸/谷氨酸載體蛋白，編碼基因為SLC25A13?；純簩μ谴x存在障礙，不能吃米飯饅頭，他父母不了解這個情況，給他吃了這些食物，孩子肝臟不能代謝導致肝纖維化。

液體活檢技術應用于腫瘤早期篩查

近年來，液體活檢早期診斷技術在全球引發(fā)較大關注，國際上最頂尖的學術期刊《自然》（Nature）、《科學》（Science）、新英格蘭醫(yī)學雜志（NEJM）、《美國國家科學院院刊》（PANS）相繼發(fā)表相關論文，《麻省理工大學科技評論》將該技術評選為“2015 年十大突破技術”，并入選美國臨床腫瘤學會（ASCO） 2015 年腫瘤年度進展報告10 年前瞻。

這項基于表觀遺傳學的液體活檢新技術研究的主要原理是，利用高效的全基因組5hmC（5-羥甲基胞嘧啶）檢測方法，檢測胃腸癌及癌旁組織、胃腸癌及健康個體血漿。通過分析血漿cfDNA 中全基因組腫瘤特異性5hmC，將之作為腫瘤早期特異性診斷指標，以此反映疾病的狀態(tài)，較傳統(tǒng)的ctDNA 檢測具有更高的特異性與敏感性。通過診斷可分別得出胃腸良性病、胃腸癌、非胃腸腫瘤與健康個體的結論?！爸虚g體”5hmC 不僅標志著主動去甲基化，也是一個具有表觀遺傳作用的相對穩(wěn)定的DNA 標記?；谘h(huán)游離cfDNA 5mC 和5hmC 的液體活檢可能更有價值，因為其能影響基因表達的變化。

基于表觀遺傳學在腫瘤早期篩查方面的特性，5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）高通量檢測技術的發(fā)明，為解決這一問題帶來了新的可能。目前，5hmC 已被認為是極具前景的表觀遺傳學腫瘤標志物。《自然綜述-遺傳學》（Nature Reviews Genetics ）雜志2011 年報道，5hmC 是基因轉(zhuǎn)錄激活的特征之一。在DNA 主動去甲基化過程中，5hmC 作為一個中間體，是由TET 酶介導的5mC 的氧化產(chǎn)物蛋白。5hmC 主要在全能性基因的外顯子內(nèi)部和靠近轉(zhuǎn)錄起始點附近富集，且該位點常伴有H3K4me3，因此5hmC 可看作轉(zhuǎn)錄激活的特征之一。《癌細胞》（Cancer Cell）、Trends Genet、Epigenomics 等雜志的多篇文獻報道，5hmC 表達水平與腫瘤具有相關性。羥甲基化與包括癌癥在內(nèi)的多種疾病有關，且羥甲基化被報道在腫瘤組織中低表達。

2011 年《自然-生物技術》雜志（Nature biotechnol）報道了5hmC 檢測技術——hmC-Seal。2016 年《細胞》雜志子刊《分子細胞》（Molecular Cell）報道了低輸入量DNA 的5hmC 測序技術——Nano-hmC-Seal。優(yōu)化技術Nano-hmC-Seal 可穩(wěn)定重現(xiàn)不同DNA 輸入量的結果，可適用DNA 總量范圍：1ng ～100μg，在不同樣本類型中均可實現(xiàn)檢測的可能，滿足液體活檢低量cfDNA的檢測要求。

人腫瘤血中存在循環(huán)游離cfDNA 5hmC 生物標志物，不同來源的腫瘤（如肺、結腸、胃、肝、卵巢、胰腺）會釋放不同的5hmC 修飾的cfDNA,而cfDNA 5hmC的檢測技術能實現(xiàn)低至1ng DNA 的檢測。低輸入量DNA 的5hmC 測 序 技 術——Nano-hmC-Seal，只 需1ng DNA 即可進行表觀測序，說明這一測序方法十分敏感，具有臨床推廣價值。劉杰團隊隨后用小鼠模型進行驗證也獲得了成功，當時提取的小鼠血量很少，卻能夠支持液體活檢技術（表觀測序技術），這就為臨床推廣這項技術帶來了很大的便利。這是因為，如果醫(yī)生要求患者進行表觀測序需要抽20 毫升血，患者必會有所抗拒，而只需抽1mL 血就能進行表觀測序，患者應該愿意配合。

研究共納入90 例健康人群，260 例腫瘤患者（包括80 例結直腸癌、71 例胃癌、25 例肝癌、34 例胰腺癌、46 例甲狀腺癌等），71 例胃腸良性病患者。研究者對5hmC 修飾在血漿cfDNA 和組織全基因組DNA 中均進行了檢測。由于cfDNA 不單單是腫瘤釋放的，更多是由免疫系統(tǒng)釋放的，因此，研究監(jiān)測目標是機體的整體免疫狀況，同時對肝癌、胃癌、乳腺癌、卵巢癌等腫瘤均制定了診斷標準。

劉杰教授發(fā)現(xiàn)，差異性的5hmC 位點是與腫瘤來源顯著相關的。循環(huán)游離cfDNA 5hmC 表達譜與腫瘤組織及血細胞中全基因組DNA 5hmC 表達譜不全相同，其與DNA 不同的組織細胞來源有很大關系。差異性5hmC 在cfDNA 上的分布廣泛且特異。腫瘤中基因表達的差異與5hmC 水平的差異密切相關，這就提示5hmC 對基因具有調(diào)控功能。他的研究團隊進一步開展來源的相似性度量分析后發(fā)現(xiàn)，健康人與腸癌患者游離cfDNA 的差異性5hmC 分布在組蛋白修飾區(qū)與基因體區(qū)。以癌基因SULF1（sulfatase1） Gene 為例，健康人群和結腸癌患者血漿中存在明顯差異5hmC 位點。

循環(huán)游離cfDNA 5hmC 可作為腸癌的有效診斷標志物（從discovery batch 中檢測出989 個差異性5hmC位點）。來源于血漿中的游離cfDNA 5hmC 能夠明顯區(qū)分結直腸癌癥患者和健康人群。在discovery batch 和validation batch 兩組中，cfDNA 基因體的5hmC 改變具有更大的相關性，提示基因體的5hmC 位點可作為更穩(wěn)定的腫瘤標志物。研究結果顯示，結直腸癌、胃癌診斷率達到90%以上，于是他們進一步擴大樣本進行驗證。其后的初步研究結果顯示，差異性cfDNA 5hmC 在結直腸癌診斷中的靈敏度、特異度可達80%～90%，能夠?qū)崿F(xiàn)結直腸癌的早期診斷；具有組織特異性，在胃癌、肝癌、胰腺癌、甲狀腺癌的預測概率均下降。

循環(huán)游離cfDNA 5hmC 也可作為胃癌的有效診斷標志物（從discovery batch 中檢測出1431 個差異性5hmC位點）。來源于血漿中的游離cfDNA 5hmC 能明顯區(qū)分胃癌患者和健康人群。其后的初步研究結果也顯示，差異性cfDNA 5hmC 在胃癌診斷中的靈敏度、特異度可達90%，能實現(xiàn)胃癌的早期診斷；具有組織特異性，在結直腸癌、肝癌、胰腺癌、甲狀腺癌的預測概率均下降。

為了驗證腫瘤患者血漿中cfDNA 的5hmC 腫瘤相關性，劉杰團隊利用PDX 模型驗證其來源。利用5hmC 技術捕獲PDX 模型血漿中人源的cfDNA 序列，胃癌、腸癌PDX 血漿中人源的cfDNA 序列比例明顯比對照小鼠多。PDX 血漿中cfDNA 與供體腫瘤基因組DNA 二者的5hmC 表達譜之間的相關性與PDX 模型傳代次數(shù)相關，傳代次數(shù)越多，移植瘤越穩(wěn)定。PDX模型中的血漿cfDNA 5hmC 與供體腫瘤DNA 5hmC 來源一致，患者血漿cfDNA 5hmC 表達水平與PDX 模型cfDNA 表達水平一致。

在未來，臨床醫(yī)生有望通過液體活檢對疾病進行診斷和治療，ctDNA 液體活檢將替代侵入組織活檢（比如肝穿刺、腎穿刺、肺穿刺），成為腫瘤診斷領域突破性的新技術。同時，液體活檢對治療也有幫助，比如肺癌EGFA 檢測就可以給藥，還可以進行靶向藥治療；但從另一方面來說，液體活檢對診斷的價值還需要進一步提高，因為腫瘤不是單基因疾病，而是多基因疾病。

由于缺乏用于早期診斷的靈敏特異的生物標志物，臨床上常會出現(xiàn)肝癌患者在癌癥早期無明顯癥狀，甚至患病后較長時間毫無知覺，從而導致常常錯過最佳治療期，一般就診時已到中晚期，甚至已向肺部等處轉(zhuǎn)移，臨床預后差。目前運用傳統(tǒng)檢測方法，如甲胎蛋白（AFP），在肝癌早期診斷中的價值十分有限，有40%的早期肝癌患者無法被檢測出，成為影響我國肝癌死亡率的重要因素。因此，尋找新型的、高效的肝癌早期篩查方式顯得尤為重要。

目前全球主流的DNA 測序都是分析特定DNA片段的堿基序列ATCG，也就是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤的（G）排列方式。劉杰教授團隊則進行了DNA 鏈上的開關功能測序，稱為DNA 胞嘧啶（cytosine）表觀遺傳修飾。他認為，人體衰老及很多疾病尤其是免疫疾病的發(fā)生與基因開關有關，即病根在于調(diào)控開關不能打開，因此表觀基因測序5hmC（5-羥甲基胞嘧啶）的測序技術非常關鍵。

“如果臨床醫(yī)生把自己研究領域與新的技術進行交叉，對臨床診療能帶來很大的提高?！眲⒔芙淌谡f。多年來他始終注重開展學科交叉研究，由此在國內(nèi)較早開展了全基因組5hmC 測序。他曾與一位知名化學家合作開展學科交叉研究，共同開展973 課題，還積極開展了與物理學、材料學、人工智能的學科交叉研究。

6 年前，劉杰教授就與芝加哥大學開發(fā)DNA 修飾堿基5hmC 的檢測和測序的化學家何川教授合作，研究如何進行5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）高通量檢測技術技術轉(zhuǎn)化。他們當時設計的項目是基于大數(shù)據(jù)的診斷結合人工智能技術。通過在臨床收集近4000 例樣本，經(jīng)機器學習和大數(shù)據(jù)分析，利用肝癌樣品和健康良性樣品的差異基因建立5hmC 肝癌診斷模型。近期得出的研究結論是：5hmC 高通量檢測技術最大的優(yōu)勢在于它能夠?qū)崟r監(jiān)控癌癥的狀態(tài)，及時反映受檢者是否罹患癌癥，是一個真正具有實際意義的癌癥早篩技術，可大幅提高肝細胞癌癥檢測的準確率（靈敏度達90%、特異性可達94%），相信應用于臨床不僅能提高肝癌的早期診斷率，還能及時監(jiān)測肝癌的復發(fā)和轉(zhuǎn)移。

劉杰教授指出，在腫瘤治療中，現(xiàn)在人們都盯著腫瘤這個“小偷”去開展研究，但小偷是各種各樣經(jīng)常變化的（腫瘤突變異質(zhì)性和突變動態(tài)演化），而且老盯著腫瘤去治療，比如化療，而忽視了對免疫系統(tǒng)的重要性是得不償失的。就像靶向治療，今天靶向治療了一個小偷，明天后天又出來其他的小偷，是抓不完的，所以不如把自身免疫防線建設得很強大。他們目前的研究工作集中在腫瘤診斷研究方面，怎么從患者的免疫系統(tǒng)的狀況來判定，免疫系統(tǒng)狀況到哪一步患者可能要發(fā)生腫瘤了。劉杰教授同時提示，應重視生活習慣對免疫系統(tǒng)的影響，他最近接診的3 名腫瘤患者都是62 歲，剛退休不久，這可能是人們改變生活習慣時會給免疫系統(tǒng)帶來非常大的影響。目前該項技術在芝加哥大學、北京大學合成與功能生物分子中心、華山醫(yī)院復旦大學消化疾病研究所、復旦大學附屬中山醫(yī)院、原第二軍醫(yī)大學第三附屬醫(yī)院東方肝膽外科醫(yī)院等多家醫(yī)院、研究機構正在進行多項研究合作。

人工智能精準治療方案給腫瘤“個體化打擊”

在腫瘤治療方面，劉杰教授主要從他們團隊三個方面的工作進行了介紹。一是精準方案選擇——協(xié)同抗癌藥物組合的高效篩選系統(tǒng)（RACS）；二是腫瘤免疫治療（第四代分泌型CAR-T）；三是腫瘤新抗原疫苗（Neoantigen）。

第一，如何選擇癌癥精準治療方案？可應用協(xié)同抗癌藥物組合的高效篩選系統(tǒng)（RACS）。

劉杰教授團隊和同濟大學生命科學與技術學院曹志偉教授合作開發(fā)基于藥靶網(wǎng)絡和組學數(shù)據(jù)的協(xié)同抗癌藥物組合的高效篩選系統(tǒng)（RACS）。這套人源性腫瘤移植動物模型（PDX）建立及方案篩選，將國際上的協(xié)同用藥預測準確率從 61%提升到了78% （隨機預測為 50%）。協(xié)同用藥預測排序與標準排序的吻合度達0.78，該研究已申請了專利。

胃癌、腸癌、肝癌等各種癌癥有差異，不同的肝癌患者也有差異，劉杰團隊為每個患者個性化建成一個調(diào)控網(wǎng)絡，根據(jù)調(diào)控網(wǎng)絡，設計一個非常精準合理的給藥方案，包括以哪些藥物是阻斷藥，哪些藥物起協(xié)同作用，這些藥物怎么去阻斷腫瘤又不影響免疫系統(tǒng)。任何藥物理論上都可以篩選，比如針對胃癌可以篩選100 種藥物。 通過研究現(xiàn)有的抗癌藥物組合的靶點和癌癥基因表達譜特征，采用機器學習算法，提取出具有協(xié)同作用的抗癌藥物組合的網(wǎng)絡靶向特征，并將其用于潛在協(xié)同藥物組合的排序篩選。RACS 系統(tǒng)先后在B-細胞淋巴癌、乳腺癌和肺癌細胞系上分別進行了實驗驗證，并利用斑馬魚腫瘤模型，驗證出一組具有強協(xié)同作用且低毒的抗乳腺癌協(xié)同藥物組合。

劉杰教授表示，RACS 是一個大規(guī)模的人工智能篩選系統(tǒng)，各種癌癥都可以通過RACS 系統(tǒng)上篩選出上市藥物。當輸入患者的資料 ，就能提供一個用藥指導方案，臨床驗證效果非常好，他們團隊正在進一步完善這一系統(tǒng)。

第二，腫瘤免疫治療——第四代分泌型CAR-T。

腫瘤治療領域突破性進展主要體現(xiàn)在免疫治療領域，腫瘤免疫治療被《科學》（Science）評為2013 年“年度突破”之首。這種觀點認為，機體免疫系統(tǒng)是抗腫瘤的前沿與核心，是當下腫瘤治療領域最具前景的發(fā)展方向之一。

2018 年，免疫檢查點抑制劑（PD-1/PDL1 抗體）摘得諾貝爾生理學或醫(yī)學獎的桂冠，而免疫治療的另一支主力——CAR-T 也迎來了多次重要發(fā)現(xiàn)與突破。CAR-T 抗擊腫瘤的原理是給患者自身的免疫細胞T細胞加入一段外源基因，通過基因改造使其表面表達CAR 受體，CAR 受體上可以裝上針對不同配體的“雷達”，從而使患者自身的免疫細胞能夠識別不同的腫瘤，并將其消滅。其原理是經(jīng)嵌合抗原受體修飾的T細胞能特異性識別靶抗原，并能脫離主要組織相容性復合體的限制，單獨執(zhí)行殺傷靶細胞的功能。

《新英格蘭醫(yī)學雜志》（NEJM）在2013 年以及Annual review 雜志在2014 年報道，針對CD19 抗原的CAR-T 細胞對急性淋巴細胞白血病的完全緩解率超過90%。實際上，目前CAR-T 免疫治療大多都是針對血液系統(tǒng)腫瘤，那么對實體瘤怎么治療呢？腫瘤細胞可通過PD-1 等免疫檢查點抑制T 細胞殺傷功能；阻斷該分子就能激活T 細胞。已有靶向PD-1 和CTLA-4的四種抗體藥物獲批上市，治療非小細胞肺癌、惡性黑色素瘤等。目前全球登記臨床試驗已達到237 項（Clinicaltrials.gov）。比 如，KEYNOTE-001 研 究 針 對PD-1 單抗，治療非小細胞肺癌495 例，PD-L1 ＜50%，ORR 19.4%，PFS 3.7 個 月。NCT01295827 研 究 針 對PD-1 單抗，治療晚期惡性黑色素瘤173 例，ORR 26%。

嵌合抗原受體修飾的T 細胞（CAR-T）根據(jù)不同的胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導結構域可分為：第一代CAR-T：僅包含CD3-zeta；第二代CAR-T：包括CD3-zeta 和一種共刺激分子結構域；第三代CAR-T：包含CD3-zeta和兩種共刺激分子結構域，因為T 細胞活化需要兩個信號。綜合2010 至2014 年Molecular therapy 雜志等文獻發(fā)現(xiàn)，CAR-T 治療實體瘤效果不佳的原因主要有：一是生物屏障，經(jīng)靜脈回輸?shù)腃AR-T 細胞要發(fā)揮治療作用，必須通過血液循環(huán)系統(tǒng)，趨向到腫瘤部位，只有少量CAR-T 細胞能最終靶向腫瘤部位并接觸到抗原豐富的腫瘤組織；二是免疫抑制微環(huán)境，調(diào)節(jié)性T細胞（Treg）等細胞及其分泌的細胞因子，如IL-10 可以通過直接或間接的方式抑制T 細胞的功能?；蛐揎椡緩揭阅孓D(zhuǎn)錄病毒介導易造成基因組突變，持續(xù)表達易造成嚴重副作用。

在過去的幾年里，CAR-T 細胞療法與雙特異性抗體療法使T 細胞能有效地靶向CD19 等抗原，使罹患B 細胞惡性癌癥的患者得到了極好的緩解，也為腫瘤免疫療法領域帶來了革新。2011 年至2013 年Expert Opin Biol Ther 等雜志發(fā)表的文獻顯示，雙特異性T 細胞連接子（BiTEs），利用單鏈雙特異性抗體技術將同一或不同細胞上兩種單克隆抗體（抗原表位）連接起來。局限性為半衰期短，內(nèi)源的效應T 細胞不足以及嚴重副作用。

第四代實體瘤CART 的研制由劉杰教授團隊和儲以微教授團隊開展。體內(nèi)實驗：裸鼠皮下荷瘤胃癌細胞，第8、14、20 天靜脈注射HER2-CART 細胞，HER2-CART 顯著抑制腫瘤生長，延長裸鼠生存期。第四代GPC3-CAR 結構以CD3 抗體代替?zhèn)鹘y(tǒng)CAR的胞內(nèi)段，并mRNA 電轉(zhuǎn)T 細胞表達。目前研究已完成并發(fā)表了相關論文。

第三，“腫瘤新抗原”疫苗比CAR-T 治療更安全。

劉杰教授團隊開展的另一項工作是國家基金委的重點項目——新抗原疫苗的研制工作。研發(fā)流程主要包括以下四個方面。一是新抗原人工智能預測?；谌斯ぶ悄芘c表位肽預測融合排序，構建腫瘤個體化抗原肽組合疫苗。二是新抗原免疫功能評估。體內(nèi)外實驗確定新抗原肽的免疫原性以及特異性。三是新抗原疫苗臨床試驗。設計新抗原肽組合疫苗Ⅰ期臨床試驗，驗證其安全性和有效性。四是新抗原肽組合疫苗注射前后T 細胞發(fā)生變化的機制研究。目前該項研究的結果已經(jīng)發(fā)布。

2017 年7 月13 日《自然》（Nature）雜志同一天發(fā)布兩項基于新抗原的個體化腫瘤疫苗研究，文章結論是腫瘤新抗原臨床應用安全、可行且療效明顯?！蹲匀弧罚∟ature，2017 年7 月）報道6 例晚期惡性黑色素瘤接受Neoantigen 對應的抗原肽制備的疫苗治療，其中4 例注射后25 個月維持無復發(fā)，2 例注射后出現(xiàn)復發(fā)者接受PD-1 抗體治療后完全緩解。Nature 雜志（2017 年）報道13 例晚期黑色素瘤注射neoantigen 對應RNA 制備的個體化疫苗后，無復發(fā)生存期明顯延長。

腫瘤新抗原（neoantigen）是由腫瘤細胞基因變異產(chǎn)生，是一種位于腫瘤細胞表面主要組織相容性復合物的抗原表位肽（8～12 肽），不存在于正常組織。具有強免疫原性，使免疫學會識別其為“非我”抗原。新抗原（neoantigen）可為提升腫瘤疫苗的療效提供幫助。那么，新抗原人工智能預測又是什么？它是基于人工智能與表位肽預測融合排序系統(tǒng)構建腫瘤個體化抗原肽組合。腫瘤特異性突變篩選，原代腫瘤細胞尋找非同義突變，外周血單個核細胞PBMC 進行HLA Ⅰ、Ⅱ分型，人工智能SEPPA，抗原表位與HLA 親和力預測。CE-BLAST 抗原表位識別TCR 相似度預測，再通過融合排序系統(tǒng)的突變嵌合親和力差異、基因表達水平、TCR 結合概率、腫瘤突變負荷、基因功能評估、陰性過濾等計算規(guī)則，獲得潛在新抗原肽組合。

為什么現(xiàn)在能研制腫瘤新抗原疫苗而以前不能？劉杰教授認為，這是因為人工智能和大數(shù)據(jù)出現(xiàn)之前，很多抗原都是正常細胞有而腫瘤表達高的相關抗原；而借助人工智能和大數(shù)據(jù)后，就能找到健康細胞沒有而腫瘤細胞有的抗原表位肽（8～12 肽），找到后進行大量的排序和人工智能評估，觀察是否有體外激活功能，再通過制備疫苗進行機體免疫治療，在切除腫瘤后立刻進行治療預防雙管齊下，注射特異性的新抗原疫苗。通過這項免疫技術治療非常安全，效果較為理想，而CAR-T 治療尚無法避免細胞因子風暴的產(chǎn)生。

專家小傳

劉杰教授，復旦大學附屬華山醫(yī)院消化科主任、博士生導師、教授、主任醫(yī)師。擅長癌前病變的早期預警及干預、消化腫瘤的綜合診治及康復，消化系統(tǒng)疑難雜癥。國家“長江學者”獎勵計劃特聘教授；國家“杰出青年基金”獲得者；國家人事部新世紀百千萬人才工程“國家級人選”；國家教育部“新世紀優(yōu)秀人才”資助計劃獲得者；上海市“優(yōu)秀學科帶頭人”及上海市“領軍人才”。復旦大學消化疾病研究所所長，復旦大學生物醫(yī)學研究院雙聘教授。留學美國Thomas Jefferson 大學6 年。主要從事臨床疑難病例研究及消化腫瘤的綜合診治，包括腫瘤的早期預警，腫瘤高危患者篩選及干預，腫瘤患者的個體化精準綜合治療及康復方案選擇?？寺〕鰢H上未見報道的肝硬化癌變早期預警新基因，具有重要的癌變預警價值；率先建立核酸適配體篩選平臺并鑒定出抗胃癌、肝癌和乙肝特異性核酸適配體，填補本領域國內(nèi)空白，提供了腫瘤早診及抗乙肝新藥創(chuàng)制全新策略；臨床研究中積極走轉(zhuǎn)化醫(yī)學之路，在Nature 子刊發(fā)表的臨床病例研究被美國醫(yī)師協(xié)會推舉為繼續(xù)醫(yī)學教育教材。利用模糊數(shù)學理論建立了胃癌前病變癌變概率的判別模式，對高危癌前病變的判定具有重要價值。先后獲得世界胃腸病學大會“青年醫(yī)師獎”、省級“十大杰出青年” 、賽克勒中國醫(yī)師“年度獎”、上海市“優(yōu)秀學科帶頭人” 、教育部“長江學者”特聘教授等榮譽。