基于新一代高通量技術(shù)的個(gè)性化醫(yī)療研究進(jìn)展

王慧麗 綜述，郭安源 審校

（華中科技大學(xué)文華學(xué)院環(huán)境工程系，武漢430074）

個(gè)性化醫(yī)療是指根據(jù)不同患者獨(dú)特的臨床、遺傳、基因組和環(huán)境信息設(shè)計(jì)有針對(duì)性的個(gè)性化治療方案和用藥。個(gè)性化醫(yī)療的首要目標(biāo)是要針對(duì)特定群體或個(gè)體使用能對(duì)其產(chǎn)生最佳療效的藥物和劑量，以提高療效同時(shí)最大限度地降低藥物的不良反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療方面的量體裁衣。個(gè)性化醫(yī)療的提出是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)發(fā)展史上的一場(chǎng)重大革命，是與千人用一藥的傳統(tǒng)治療方案截然不同的新思路，其提出已經(jīng)逐漸引起各國學(xué)者、醫(yī)療衛(wèi)生人員和普通民眾的關(guān)注。早在2003年，人類基因組計(jì)劃剛完成，就有專家提出個(gè)性化的基因時(shí)代必將來臨。近年來，隨著全基因組關(guān)聯(lián)分析和第2代高通量測(cè)序技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)研究領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，個(gè)性化醫(yī)療也取得了一定進(jìn)展。本文主要就個(gè)性化醫(yī)療在近年來高通量生物學(xué)研究中的取得的進(jìn)展做一綜述。

1 個(gè)性化醫(yī)療與人類基因多態(tài)性

個(gè)性化醫(yī)療方案的提出，主要由于兩方面的原因：一方面，人們發(fā)現(xiàn)同一種疾病的不同患者對(duì)同一種藥物的反應(yīng)是不同的。使用該藥，部分患者有很好的療效，部分患者可能沒有療效，也沒有不良反應(yīng)，而有的患者可能不但沒有療效，還會(huì)有不良反應(yīng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年死亡的病例中，約有1／3是因藥物不良反應(yīng)引起的，中國每年有近20萬人死于用藥不當(dāng)[1]；另一方面，人們也發(fā)現(xiàn)同一種疾病可以由不同的原因?qū)е?，尤其是一些?fù)雜性疾病。這種疾病受多種遺傳和環(huán)境因素影響，不同的患者有不同的病因，需要采用不同的治療方案[2]。

以上兩方面的差異，是由于人的遺傳多態(tài)性差異造成。隨著人類個(gè)體基因組序列的測(cè)定，發(fā)現(xiàn)不同個(gè)體的DNA序列并不完全相同，不同的DNA序列變異稱為多態(tài)性。目前，國際千人基因組計(jì)劃研究結(jié)果已經(jīng)發(fā)現(xiàn)人類基因組中存在近1 500萬個(gè)單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）位點(diǎn)，這些已發(fā)現(xiàn)的位點(diǎn)基本達(dá)到了人類基因組中可能出現(xiàn)的多態(tài)性位點(diǎn)的95%[3]。同時(shí)，每個(gè)個(gè)體平均攜帶有250～300個(gè)位于基因內(nèi)的可能造成功能改變的變異位點(diǎn)，其中部分與已知的遺傳疾病有關(guān)聯(lián)[3]。

目前，NCBI的人類孟德爾遺傳數(shù)據(jù)庫（online mendelian inheritance in man，OMIM）已經(jīng)收錄了人類的1萬3 000個(gè)基因與7 000多種疾病有關(guān)聯(lián)[4]。單個(gè)DNA堿基突變就會(huì)導(dǎo)致個(gè)體表型或性狀發(fā)生較大的改變，如可能導(dǎo)致鐮刀形紅細(xì)胞貧血病和血友病等孟德爾遺傳病，即單基因疾病。單基因疾病由于致病原因單一，功能改變也較容易闡明。部分單基因疾病的研究成果，已經(jīng)應(yīng)用于臨床的遺傳篩查和產(chǎn)前診斷等。這些研究為預(yù)防、治療遺傳病給予了極大的幫助，為單基因遺傳病患者的個(gè)性化醫(yī)療提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和應(yīng)用指導(dǎo)。如果人類的所有疾病或性狀都像上述孟德爾遺傳病一樣，由單個(gè)或少數(shù)幾個(gè)基因控制；或者如果不同人DNA序列間的差異，主要是上述能導(dǎo)致明顯表型變化的DNA突變，那么個(gè)性化醫(yī)療也許很快就能實(shí)現(xiàn)。

然而，一方面，不同人DNA序列間的差異，并非DNA突變，而主要是一些沒有明顯表型的遺傳多態(tài)，大多數(shù)是僅有一個(gè)堿基不同的單核苷酸多態(tài)位點(diǎn)。它們是在長(zhǎng)期進(jìn)化過程中隨著不斷改變的生存選擇壓力而形成的，表現(xiàn)為對(duì)不同物質(zhì)的代謝反應(yīng)速率或反應(yīng)結(jié)果有差異。這些不同的多態(tài)位點(diǎn)，可以有不同的組合方式，例如3個(gè)多態(tài)位點(diǎn)便能形成9種不同的組合，人類的所有基因多態(tài)位點(diǎn)之間的組合方式是天文數(shù)字。闡明每個(gè)多態(tài)位點(diǎn)的功能以及它們之間的不同組合方式的功能，將是闡明人與人之間各種不同復(fù)雜性狀的根本途徑，包括對(duì)各種藥物的反應(yīng)等。

另一方面，隨著傳染病得到控制、人類生活和醫(yī)療水平的提高，如今威脅人類生命健康的疾病，主要是一些復(fù)雜性疾病。它們并不是由單一的致病基因引起的，而是受到包括基因多態(tài)性、基因－基因相互作用等遺傳因素與多種環(huán)境因素以及它們之間的相互作用共同影響的。因此，只有充分掌握了這兩方面的知識(shí)，才能最終實(shí)施個(gè)性化醫(yī)療。

2 全基因組關(guān)聯(lián)分析技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療研究中的應(yīng)用

目前，已經(jīng)獲得了95%左右的人類多態(tài)性位點(diǎn)，然而對(duì)這些位點(diǎn)或相關(guān)基因與疾病關(guān)聯(lián)方面的研究還非常有限，但這些疾病關(guān)聯(lián)信息卻是個(gè)性化醫(yī)療最終得以實(shí)現(xiàn)的重要基礎(chǔ)。全基因組關(guān)聯(lián)分析（genome wide association study，GWAS）正是獲得這種知識(shí)的重要手段之一，也是國際上近幾年來發(fā)展的新方法。它是一種通過在人類全基因組范圍內(nèi)尋找某些基因位點(diǎn)差異與某種表型之間聯(lián)系的方法，這種表型可以是各種人們所關(guān)心的冠心病、糖尿病等質(zhì)量性狀，也可以是血壓、血脂、身高、對(duì)藥物的反應(yīng)速率等數(shù)量性狀。根據(jù)研究側(cè)重點(diǎn)的不同，GWAS既可以用于研究人類復(fù)雜疾病的遺傳背景，即復(fù)雜疾病遺傳學(xué)，也可以用于研究藥物療效的遺傳背景，即藥物基因組學(xué)。

自2005年《Science》雜志報(bào)道了第1項(xiàng)關(guān)于年齡依賴性視網(wǎng)膜黃斑變性的GWAS研究成果以來[5]，GWAS研究技術(shù)在全球迅速開展。根據(jù)美國國家基因組研究所截止到2011年6月的統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)有932篇GWAS的文獻(xiàn)發(fā)表，這些研究發(fā)現(xiàn)了4 000多個(gè)SNP與200多種疾病和性狀相關(guān)聯(lián)[6]。這些研究大多數(shù)都是有關(guān)復(fù)雜疾病以及與疾病密切相關(guān)的生化指標(biāo)的遺傳背景研究，如有關(guān)肥胖、糖尿病、冠心病、癌癥、精神分裂癥、多發(fā)性肝硬化、近視、食管癌、鼻咽癌、心房顫動(dòng)、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎等[6]。隨著GWAS研究的開展，國內(nèi)安徽醫(yī)科大學(xué)張學(xué)軍等研究團(tuán)隊(duì)也積極利用這項(xiàng)新的技術(shù)開展研究[7－8]。目前，國內(nèi)已經(jīng)發(fā)表的GWAS研究有銀屑病、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、身高、食管癌、2型糖尿病、骨質(zhì)疏松、鼻咽癌、結(jié)腸癌、冠心病、肺癌、特應(yīng)性皮炎等。這些研究中很多發(fā)現(xiàn)了與疾病有顯著相關(guān)的位點(diǎn)或中國漢族人群特定的位點(diǎn)，表明中國在復(fù)雜疾病GWAS研究上部分已經(jīng)達(dá)到國際水平[9]。這些疾病易感基因的發(fā)現(xiàn)為該疾病的研究奠定了基礎(chǔ)，也為疾病的基因診斷、個(gè)性化治療帶來希望。

此外，科學(xué)家們還將GWAS技術(shù)應(yīng)用到疾病治療的研究中，相比較研究人類復(fù)雜疾病和性狀的GWAS而言，對(duì)藥物反應(yīng)和疾病治療的GWAS研究相對(duì)較少。這些已有的藥物基因組方面的GWAS研究近70%是關(guān)于藥物反應(yīng)，其他關(guān)于是藥物不良反應(yīng)的研究。藥物反應(yīng)的GWAS研究有干擾素和抑制血小板藥物氯吡格雷的反應(yīng)，抗凝劑劑量的使用要求等；藥物不良反應(yīng)的GWAS研究有他汀類藥物誘導(dǎo)的肌病和氟氯西林誘導(dǎo)的肝損傷研究等[10]。最近的GWAS研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基因VKORCl、CYP2C9和CYP4F2的基因型是華法林劑量的遺傳決定因素[11]；Gamma氨基丁酸（GABA）受體與遲發(fā)性運(yùn)動(dòng)障礙治療中的抗精神病藥物的不良反應(yīng)密切相關(guān)[12]。SLCO1B1基因的一個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)是他汀類藥物的主要不良反應(yīng)（橫紋肌溶解）的獨(dú)立決定因子，這對(duì)他汀類肌毒性的預(yù)測(cè)和預(yù)防具有重要意義?；騃TPA／DDRGK1附近的一個(gè)位點(diǎn)與干擾素治療丙型肝炎引起的血小板減少有顯著關(guān)聯(lián)。這些研究對(duì)藥物基因組學(xué)和個(gè)體化用藥的發(fā)展積累了經(jīng)驗(yàn)，奠定了理論基礎(chǔ)。

3 高通量測(cè)序技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療研究中的應(yīng)用

近年來，隨著測(cè)序技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是2005年以來以Roche公司的454技術(shù)，Illumina公司的Solexa技術(shù)和ABI公司的SOLiD技術(shù)為標(biāo)志的第2代測(cè)序技術(shù)相繼問世，使得測(cè)序通量得以顯著提升，時(shí)間大大縮短，同時(shí)測(cè)序成本顯著下降，使得疾病的研究發(fā)生了重大轉(zhuǎn)變，個(gè)人基因組的研究逐漸開展，個(gè)性化醫(yī)療的相關(guān)研究再次提上日程。

目前，利用第2代測(cè)序研究疾病在DNA水平的技術(shù)策略主要有外顯子組測(cè)序、全基因組重測(cè)序和目標(biāo)基因組區(qū)域測(cè)序。借助高通量基因組測(cè)序技術(shù)，研究者可以更加快速準(zhǔn)確地找到與疾病相關(guān)的基因組序列與結(jié)構(gòu)的異常變化，從而確定致病基因或易感位點(diǎn)。2009年8月，Ng等[13]發(fā)表了12個(gè)人類外顯子組測(cè)序的研究論文，該研究通過對(duì)4位弗里曼謝爾登綜合征患者進(jìn)行外顯子組測(cè)序及分析，找出了患者DNA中致病的MYH3基因突變，開創(chuàng)了外顯子組測(cè)序方法確定罕見致病變異基因的先河。隨后，外顯子組測(cè)序作為快速定位單基因病致病基因的有力工具被快速應(yīng)用于不同單基因病的研究者，并且也逐步應(yīng)用于研究多基因變異引起的常見疾病，如糖尿病、高血壓和腫瘤等[14]。

隨著測(cè)序技術(shù)的發(fā)展和費(fèi)用的降低，可以想象在全面實(shí)現(xiàn)個(gè)體化醫(yī)療的時(shí)代，每個(gè)人都會(huì)擁有自己的基因組圖譜。醫(yī)生可以根據(jù)患者的基因組圖譜制定個(gè)體化的治療方案，從而在保證藥效的同時(shí)將不良反應(yīng)降到最低。個(gè)人基因組圖譜的意義不僅在于疾病治療，還在于通過基因組圖譜中變異信息的解讀，實(shí)現(xiàn)在發(fā)病前對(duì)疾病風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)和評(píng)估，從而盡早地采取有效的預(yù)防措施。因此，利用全基因組重測(cè)序進(jìn)行變異檢測(cè)具有極大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的市場(chǎng)前景，也是個(gè)性化醫(yī)療得以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要步驟和必經(jīng)之路。

4 基因組信息在個(gè)性化醫(yī)療的應(yīng)用

基因組信息在個(gè)性化醫(yī)療方面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）疾病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。這一點(diǎn)主要是指通過基因組和遺傳學(xué)研究，獲得單基因病和多基因病的潛在遺傳變異位點(diǎn)以及它們與疾病發(fā)生的關(guān)聯(lián)性，然后根據(jù)這些位點(diǎn)和疾病相關(guān)性進(jìn)行疾病風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，分析不同個(gè)體將來患該疾病的可能性和風(fēng)險(xiǎn)。（2）疾病早期診斷和分型。很多疾病在其發(fā)病的早期不容易確診和分型，絕大多數(shù)癌癥如果能在早期進(jìn)行確診和分型的話，將有很大的概率被治愈。因此疾病的早期診斷在個(gè)性化醫(yī)療中占很重要地位。不同個(gè)體的基因組信息對(duì)疾病的早期診斷有重要意義。（3）疾病的治療和藥物敏感性檢測(cè)。針對(duì)不同患者的藥物靶基因上的不同突變，分析該藥物對(duì)患者的作用，從而適當(dāng)?shù)倪x擇不同的用藥和藥物劑量，使之達(dá)到最佳治療效果，這是個(gè)性化醫(yī)療的重要表現(xiàn)。（4）疾病預(yù)后的監(jiān)測(cè)。在預(yù)后的監(jiān)測(cè)中主要對(duì)部分基因或特定分子的表達(dá)檢測(cè)來判斷疾病的預(yù)后情況。2007年美國FDA批準(zhǔn)了第一個(gè)用于監(jiān)測(cè)癌癥患者5年內(nèi)腫瘤轉(zhuǎn)移和復(fù)發(fā)的方法Mamma Print。該試劑盒就是根據(jù)70個(gè)基因的表達(dá)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)腫瘤的預(yù)后[15]。

5 展 望

迄今為止，GWAS和第2代高通量測(cè)序技術(shù)已經(jīng)成為研究人類復(fù)雜疾病和藥物反應(yīng)的遺傳背景的重要方法，在今后一段時(shí)間內(nèi)將依然是研究的熱點(diǎn)所在。相信隨著越來越多的高通量生物醫(yī)學(xué)研究技術(shù)的應(yīng)用和研究的深入開展，復(fù)雜疾病和藥物反應(yīng)的遺傳背景知識(shí)會(huì)越來越豐富，將為疾病預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)、臨床診斷、藥物開發(fā)和個(gè)性化醫(yī)療奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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