結核病學科建設:從臨床資源型向醫(yī)學科研型轉化

王瑾 盧水華

結核病一直是全球關注的重大公共衛(wèi)生問題,也是全球疾病十大死因之一。我國現(xiàn)階段仍是結核病高負擔國家,結核病的防控難點主要是早期發(fā)現(xiàn)及早期診斷、結核病治療療程過長、耐藥結核病診斷延遲和治療困難、結核病共患病的管理缺乏共識,以及缺乏具有良好保護力的疫苗。

世界衛(wèi)生組織(World Health Organization,WHO)發(fā)布的《2022年全球結核病報告》顯示,2021年全球約有1060萬例結核病患者,估算新發(fā)耐多藥/利福平耐藥結核病(MDR-TB/RR-TB)約45萬例,相當一部分結核病患者未被發(fā)現(xiàn)和診斷,特別是耐藥結核病患者,其耐藥檢測率較低,治療覆蓋率不足(僅43%),治療成功率低(僅為60%,死亡率高達12%),這與WHO終止結核病的目標相距甚遠[1]。隨著抗結核新藥的不斷研發(fā)上市,治療方案正向短程化、全口服、安全有效的趨勢發(fā)展,但結核分枝桿菌獲得性耐藥能力較強,新藥引入后耐藥性迅速出現(xiàn),開發(fā)標準化藥物敏感性試驗及早期鑒定治療失敗的高風險人群是臨床亟待解決的問題。另外,合并一種或多種基礎疾病的結核病患者日益增多而且處理難度大,甚至成為攻克結核病疫情的一個壁壘,給結核病的控制帶來了極大的挑戰(zhàn)[2]。有效的結核病疫苗對于保護結核病易感人群、阻斷結核病傳播及降低結核分枝桿菌潛伏感染人群發(fā)病至關重要。目前使用的卡介苗已有近百年,雖然接種卡介苗可預防兒童結核性腦膜炎和粟粒性結核病[3],但其免疫保護力會隨著年齡的增大而下降,在25歲以上人群免疫保護力降至僅20%～40%左右[4-5],目前全世界尚缺乏具有良好保護力的新型疫苗。

隨著全球結核病控制工作的不斷開展,全球結核病的診斷、治療和預防已經(jīng)有了很大進步,但依然任重道遠。2011年,美國國家科學研究委員會提出精準醫(yī)療的概念,試圖探索一種新的理解個體體內(nèi)疾病的發(fā)生和發(fā)展過程的方法。傳統(tǒng)的疾病分類主要基于臨床癥狀和體征等,而精準醫(yī)學的疾病分類注重導致疾病的潛在的分子誘因和其他因素,從而實施與患者分子生物病理學特征相匹配的個體化診斷和治療策略[6]。近年來,通過大規(guī)模人群隊列和生物樣本庫資源廣泛搭建,促使疾病研究和科研轉化持續(xù)突破,診斷技術和藥物開發(fā)思路與審批標準也開始發(fā)生轉變,相關產(chǎn)品陸續(xù)進入臨床應用,提高了疾病精準預防、診斷和治療水平。結核病學科建設正在從臨床資源型向醫(yī)學科研型轉化。

結核病防治的精準之路

一、精準醫(yī)學概念與國際趨勢

隨著基因組測序技術、生物信息學科和大數(shù)據(jù)科學的快速發(fā)展,新型醫(yī)學概念與醫(yī)療模式應運而生,依據(jù)患者內(nèi)在生物學信息,對患者量身定制醫(yī)療和臨床決策,這種理念被稱為精準醫(yī)學。通過基因組、蛋白質組、轉錄組、代謝組、免疫組等組學和其他醫(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(chǎn)生的原因、致病機制和治療的靶點,涵蓋個體化健康評估、疾病診斷、臨床決策和干預處理等醫(yī)療實踐全過程。2015年,美國率先實施精準醫(yī)學計劃,引起全球多個國家高度關注,掀起了全球精準醫(yī)學的熱潮。我國在2016年正式啟動“精準醫(yī)學研究”專項,依托于生命組學技術的快速發(fā)展、大規(guī)模人群隊列研究及醫(yī)學大數(shù)據(jù)整合,大力推進精準醫(yī)療等新興前沿領域創(chuàng)新和科技產(chǎn)業(yè)化。早期精準醫(yī)療的起步主要在惡性腫瘤、慢性系統(tǒng)性疾病如糖尿病和心腦血管疾病,以及相對高頻的罕見疾病。但針對我國的具體情況,精準醫(yī)療迫切需要推行到那些危害程度大、疾病負擔重的慢性傳染性疾病,以結核病為代表。

二、大型人群隊列和生物樣本庫建設為精準醫(yī)學的實現(xiàn)奠定關鍵基礎

大型人群隊列與資源平臺在世界范圍內(nèi)廣泛搭建、持續(xù)迭代,是精準醫(yī)學的核心領域和生物醫(yī)藥創(chuàng)新轉化的關鍵基石。全球多個國家已將構建具有生物樣本庫的超大規(guī)模人群隊列作為戰(zhàn)略布局。2012年12月,英國政府宣布啟動針對癌癥和罕見病患者的國家級隊列“十萬人基因組計劃(The 100 000 Genomes Project)”,于2018年完成并取得了顯著的成果[7];其后,英國又規(guī)劃了500萬人規(guī)模的大型隊列“我們未來的健康(Our Future Health)”,已于2022年進入全面招募階段。美國精準醫(yī)學計劃“百萬人群隊列”項目(All of Us Research Program)持續(xù)推進,截至2022年,已投入22億美元,招募規(guī)模已達58萬人[8];其部分數(shù)據(jù)也已開始開放共享,例如美國國立衛(wèi)生研究院依托該隊列開展 “精準營養(yǎng)健康計劃” 研究[9]。多個國家級大型隊列平臺建設已在全球相繼建設、持續(xù)推進。同時,伴隨大規(guī)模人群隊列搭建的共享生物樣本庫平臺在精準醫(yī)學中發(fā)揮著不可替代的作用。目前,英國生物樣本庫(UK Biobank)是全球啟動最早、規(guī)模最大、樣本最全、開放程度最高的樣本和信息資源庫,共有約1500萬份生物樣本,基于此共享平臺的研究碩果累累。2021年3月,美國國立衛(wèi)生研究院Francis S. Collins教授在Cell雜志上描述未來精準醫(yī)學發(fā)展路徑,提出未來十年加速實現(xiàn)全面精準醫(yī)療的七大機遇,其中包括大型人群隊列、臨床常規(guī)化使用基因組學技術等[10]。

標準化的結核病資源庫是結核病防控中極其重要的樣本和信息資源,不僅用于傳染病溯源,同時是探索結核病的發(fā)生發(fā)展機制、挖掘特異性生物標識、研究與開發(fā)新藥所必需的基礎平臺。目前已有數(shù)個研究機構開始著手建立結核病相關的生物樣本庫,例如英國的結核病免疫研究組,采集樣本不限于患者的血液、尿液、鼻咽拭子、痰液、胸腔積液、肺泡灌洗液、腦脊液、淋巴組織等。然而,我國一直沒有開展國家級別的大規(guī)模、前瞻性的結核病臨床隊列研究,在結核病相關的生物學樣本和臨床、流行病學數(shù)據(jù)收集的長期性、系統(tǒng)性、科學性和共享性方面很難得到保證。建立高質量、大型結核病人群隊列已不僅僅是流行病學研究的主要方法,更可覆蓋多樣化結核病人群、全生命周期所有信息,匯集海量人群數(shù)據(jù)和生物樣本資源,是助推結核病精準醫(yī)學目標實現(xiàn)的關鍵(圖1)。

三、組學等技術發(fā)展驅動疾病精準分型研究不斷突破

全基因組測序技術已經(jīng)廣泛應用于結核分枝桿菌的研究中,包括臨床菌株鑒定、耐藥預測,以及混合感染診斷等多方面,及時為臨床用藥及個體化治療提供指導。2018年,結核病綜合耐藥性預測國際聯(lián)合會(The CRyPTIC Consortium)和十萬人基因組計劃(The 100 000 Genomes Project)項目組聯(lián)合發(fā)表論文,公布了使用基因組測序手段進行一線抗結核藥物耐藥性預測的結果。該項目收集了全球有史以來最大的結核分枝桿菌臨床樣本數(shù)據(jù)集,包括來自6大洲16個國家的10 290份樣本[11]。2022年,該項目組再次闡釋了13種最常見的抗結核藥物治療產(chǎn)生耐藥性的基因組變異,創(chuàng)造出迄今為止最全面的結核病耐藥基因變化圖譜[12]。通過全基因組測序,研究者分析了結核分枝桿菌潛伏感染者的19 044 個T細胞受體序列,經(jīng)過實驗驗證鑒定多個結核分枝桿菌特異性T細胞表位[13],為開發(fā)新型結核病疫苗提供思路。此外,全基因組測序技術還可以應用于結核分枝桿菌譜系鑒定和進化分析、分子流行病學研究,為結核病精準防控策略提供重要依據(jù)。

結核分枝桿菌侵入宿主機體后,無論是生長繁殖或崩解釋放毒性物質,還是機體免疫系統(tǒng)的防御過程,都產(chǎn)生一系列生物學代謝物;且結核分枝桿菌分泌的蛋白和人體組織細胞表達的蛋白在種類和水平上(包括轉錄水平)均發(fā)生改變,部分蛋白可能釋放至局部組織、體液或者流進血液,這些蛋白或代謝產(chǎn)物可作為結核病診斷的標記物。通過建立生物標記物庫,對這些產(chǎn)物進行甄別,有可能發(fā)現(xiàn)可作為結核分枝桿菌潛伏感染或活動性結核病早期具有高度特異性的診斷指標、疾病嚴重程度和預后預測指標,或是產(chǎn)生耐藥、藥物療效的評價指標[14-21];后者亦是縮短療程或個體化用藥的重要標準,促進精準診療的實現(xiàn)。近年來,以蛋白質空間定位為研究方向的空間蛋白質組已經(jīng)用于揭示人類蛋白質組的復雜結構,包括單細胞變異(在蛋白質水平和定位上)、動態(tài)蛋白質易位、相互作用網(wǎng)絡和多個區(qū)室的蛋白質定位。研究者們通過空間代謝組學、蛋白組學等研究方法,發(fā)現(xiàn)了人結核病肉芽腫組織中炎癥信號的空間分布特征,探究了結核病發(fā)生機制[22]。

結核病的醫(yī)學科研型轉化

一、強調(diào)醫(yī)學科研型轉化在結核病精準診治中的作用

在全球共同努力下,結核病防治在新型診斷試劑、疫苗和藥物研發(fā)等方面不斷推陳出新,取得了顯著的成果,而轉化醫(yī)學促進其臨床應用的實現(xiàn)。

(一)診斷技術方面

目前處于研發(fā)管線中的檢測試驗、產(chǎn)品或方法顯著增加。《2022年全球結核病報告》中,WHO詳細列出了新的診斷技術清單,包括23項已經(jīng)得到WHO認可的診斷技術、8項正在接受WHO評估的診斷技術、24項未經(jīng)WHO評估但已在市場應用的技術及35項處在研發(fā)階段的技術。其中,包括超敏結核分枝桿菌和利福平耐藥基因檢測技術(GeneXpert MTB/RIF Ultra)、用于檢測結核感染的γ-干擾素釋放試驗、基于生物標記物的結核病診斷技術、基于培養(yǎng)試驗耐藥檢測或靶向測序耐藥檢測、用于結核病篩查的數(shù)字胸片計算機輔助檢測技術、新型氣溶膠捕獲技術等。我國自主研發(fā)的基于結核分枝桿菌抗原的新型皮膚試驗(C-TST)被WHO推薦用于結核感染診斷,其性能優(yōu)于傳統(tǒng)結核菌素皮膚試驗。此外,基于高通量下一代測序(next generation sequencing,NGS)的基因檢測、液體活檢如細胞游離DNA(cell-free DNA,cfDNA)、尿液結核分枝桿菌環(huán)介導等溫擴增法(LAMP-TB)、分子影像等診斷技術的精準度逐步提高[23],目前多款產(chǎn)品已走向臨床應用,將結核病發(fā)現(xiàn)與診斷向前推進一大步。

(二)治療方面

目前已有26種用于治療結核病的藥物處在Ⅰ、Ⅱ或Ⅲ期臨床試驗階段,包括17種新的化合物、2種已經(jīng)進入監(jiān)管機構快速審批通道藥物、1種有限人群途徑批準的藥物,以及6種重新用途的藥物;另外,至少有22項臨床試驗在開展預防結核分枝桿菌潛伏感染的藥物和方法的療效評估。新治療方案的臨床試驗也在如火如荼的開展,含貝達喹啉的9個月全口服方案治療耐多藥結核病臨床研究(STREAM第二階段臨床試驗)展示出良好的治療轉歸結果。我國研發(fā)的進入臨床研究階段的抗結核新藥主要有利奈唑胺衍生物(OTB-658)、舒達吡啶(WX-081)、氯法齊明衍生物(TBI-166)等。新藥和新治療方案的研究進一步推進短療程、安全、全程口服抗結核治療。此外,宿主導向治療(host directed therapy,HDT)、免疫治療、基因治療等新型療法用于輔助傳統(tǒng)的化學治療,促進肺功能恢復,助推個性化精準治療的實現(xiàn)[24]。

(三)新型疫苗研發(fā)方面

截止到2022年9月,有16種候選疫苗進入臨床試驗階段,其中,4種處于Ⅰ期、8種處于Ⅱ期、4種處于Ⅲ期臨床試驗,主要用于預防結核感染和發(fā)病及幫助改善結核病治療結局。我國目前至少有4款進入臨床研究階段的結核病疫苗,包括無細胞恥垢分枝桿菌疫苗(Ⅰ期)、凍干重組結核病疫苗(AEC/BC02佐劑亞單位疫苗,Ⅱa期)、皮內(nèi)注射用卡介苗(Ⅰ期)、注射用母牛分枝桿菌(微卡,Ⅲ期);后者已批準為預防結核分枝桿菌潛伏感染的治療性生物制品。

基于精準醫(yī)學理念的醫(yī)學科研型轉化不僅為結核病的診治提供了嶄新的思路和途徑,有助于醫(yī)學科技創(chuàng)新體系建設,全面提升醫(yī)學科技創(chuàng)新能力;同時,大力促進生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展,形成新的經(jīng)濟增長點。

二、兼顧臨床醫(yī)學和公共衛(wèi)生雙軸醫(yī)學轉化路徑

2015年,WHO提出“終止結核病流行策略”的目標,將系統(tǒng)篩查和預防性治療結核分枝桿菌潛伏感染作為終止結核病策略的重要內(nèi)容。新時代下結核病的篩查策略逐漸從“被動發(fā)現(xiàn)”轉變?yōu)椤爸鲃雍Y查”,促使結核病診治關口前移,在結核病早期發(fā)現(xiàn)和切斷傳染源,降低結核病發(fā)病率[25]。通過結核病主動篩查工具,在社區(qū)層面篩查出結核分枝桿菌潛伏感染人群,建立和推廣預防性干預體系,尤其是近期感染和高危人群[26]。同時,結核分枝桿菌潛伏感染者的社會經(jīng)濟狀況、治療或藥物依從性、藥物不良反應等也應考慮在內(nèi),結合健康教育等方式,給予精準的干預措施。在結核病的預防性治療方面,預防性治療方案不斷優(yōu)化,獲益更多、風險更小的方案例如3HP(H:異煙肼;P:利福噴丁)、1HP不斷涌現(xiàn),其中1HP的方案使結核病預防方案縮短至1個月。結核病疫苗的研發(fā)也逐步看到了曙光,H4/IC31、M72/AS01E、MVaccae等新型疫苗的臨床研究傳來了令人期待的初步結果。隨著全基因組測序、全基因組關聯(lián)分析、全外顯子測序和全轉錄組測序等技術的發(fā)展,研究個體對結核分枝桿菌易感性或“抗性”的差異與宿主的某些基因的關聯(lián),在未來針對結核分枝桿菌易感和“抗性”人群,有可能在感染早期給予個體化干預措施。

“精準公共衛(wèi)生”同樣包括整合結核病的發(fā)現(xiàn)、轉診、全程智慧化管理和督導、醫(yī)療防控結合體系化覆蓋等工作。直接面試下的督導化療(DOT)是WHO推薦的患者管理方式,能夠提高患者治療依從性等優(yōu)點。然而,這種管理方式在某種情況下實施存在一定困難,如何充分利用高科技方式實現(xiàn)患者的“精準管理”是提升結核病防治的重要內(nèi)容。目前,比較成熟的患者管理系統(tǒng)主要包括電子藥盒、移動醫(yī)療APP和大數(shù)據(jù)信息化技術,尤其是后者;同時,在實現(xiàn)患者自我管理的同時,方便患者與醫(yī)生的隨時有效溝通,促進結核病患者有效管理。目前,針對結核病管理等方向的轉化應用還較少。結合中國國情,陳竺等提出了臨床醫(yī)學和公共衛(wèi)生雙軸醫(yī)學轉化路徑,強調(diào)臨床與公共衛(wèi)生相結合、強調(diào)醫(yī)學科技向公共政策轉化。鼓勵以公共衛(wèi)生需求為導向,將更多高水平科研成果轉化為相關的社區(qū)服務、健康產(chǎn)品、公共衛(wèi)生政策、標準與指南,實質性提升結核病患者的管理和健康需求。

總結與展望

精準醫(yī)療正滲透在結核病防治領域的每個環(huán)節(jié),用“精準醫(yī)學”理念建立并完善新型結核病防治措施,要求結核病學科建設從臨床資源型向醫(yī)學科研型轉化。然而,在這一過程中尚存在待解決的方面。

首先,精準醫(yī)學是一門新型交叉性學科,廣泛涉及臨床醫(yī)學、生物信息學、遺傳學、分子影像學、生物大數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能技術等諸多領域,尤其是近年來隨著組學技術的持續(xù)快速發(fā)展,積累了海量的測序數(shù)據(jù)。但如何充分利用這些數(shù)據(jù)使其解決臨床問題,成為亟待解決的難題。促進精準醫(yī)學的發(fā)展要求多學科專家的有效溝通和合作及培養(yǎng)綜合型、創(chuàng)新型、高層次復合型醫(yī)學人才。

此外,精準醫(yī)學尚處于發(fā)展的早期階段,在引發(fā)社會關注的同時也存在監(jiān)管體系滯后于技術發(fā)展等諸多社會挑戰(zhàn),其中包括生物醫(yī)學數(shù)據(jù)的采集、整合、存儲與共享,由此引發(fā)一系列倫理學問題和挑戰(zhàn),例如個體信息隱私、人類遺傳信息、數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)權屬和利益分配等。因此,持續(xù)完善相關政策保障制度尤為重要,以引導精準醫(yī)學和醫(yī)學科研轉化相關領域及產(chǎn)業(yè)的全面有序發(fā)展。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突

作者貢獻王瑾:醞釀和設計實驗、實施研究、起草文章;盧水華:對文章的知識性內(nèi)容作批評性審閱、獲取研究經(jīng)費、行政/技術/材料支持、指導