精准医学的药物发现和开发方法是针对特定疾病靶标确定和开发高选择性的药物，从而达到精准治疗的目的。精准医学下的新药研发包括两点，一是针对具有基因融合定位改变、突变、甲基化和乙酰化、畸变和变异，或蛋白的过度表达的患者开发新药；另一个是基于基因测序、基因相互作用等设计药物。根据联合设计的原理，药物的疗效、毒性和药物组合的高度选择性与肿瘤的异质性息息相关，同时对肿瘤异质性的理解是确立最佳精准治疗方案的基础。
对肺癌而言，肺癌异质性导致了药物治疗的耐药性。近期，中山医院临床医学研究院执行院长王向东教授团队发表的一篇文章分析了肺癌的异质性，以及针对这些异质性的治疗策略。文章描述了基于异质性的治疗策略的分子证据和机制，并且从多角度考虑了治疗策略和基因突变以及异质性基因组的不稳定性，讨论了遗传和体细胞基因变化的作用。同时，介绍了一些新的创新性治疗策略。在此将内容整理分享给大家：
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遗传基因的变化与异质性
遗传异质性作为药物治疗的一个重要影响因素，高度依赖遗传基因的变化和组成，遗传基因的改变在肺癌的组织学亚型和组织学特异性生殖导致的肺癌风险的易感性中起着重要的作用。癌症的全面分子特征将有助于确定亚型特异性生物标志物并用于早期诊断和治疗。
生殖细胞的异质性可以由细胞后代扩增。生殖细胞突变被用来增强单一或联合治疗，发现新的早期诊断策略或是精准预防癌症。随着生物技术的发展，与遗传性倾向相关的肿瘤分子特征可以为新的疾病干预和发展进行全面的风险评估和归类。许多癌症的易感基因（如BRCA1和BRCA2，APC和TP53）对临床诊断和治疗来说是极其重要的，研究人员在肺癌患者的家庭中发现了胚系突变的情况。
完整的癌症分子特征，是探索癌症的遗传和体细胞基因的变化、“击穿”肺癌铠甲的关键。目前，缺乏对遗传异质性及其与突变关系的比较。当前一个十分大的挑战是找出癌症患者的遗传基因突变和异质性，因为大多数现实生活中的研究案例都无法接触到家庭成员和家系。大多数遗传基因也可能是体细胞，因为它们在患者身上并没有发生过传代。
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体细胞基因变异与异质性
体细胞基因的变化和异质性是影响药物治疗效果的重要因素。利用分子肿瘤学在分子水平上定义体细胞改变和确定疾病亚型之间特异性，筛选所有类型的体细胞基因突变，并将数据与临床表型、治疗反应和组织病理学结合起来是非常重要的。
虽然全面的分子特性有助于我们对遗传和体细胞在癌症的演变和发展的基因变化角色中进行一个全面的理解，但更重要的是它有助于探讨遗传异质性细胞的耐药性和药物治疗的反应，确定遗传和体细胞基因相应疾病的持续时间、阶段、程度、分子亚型和临床表型特异性的作用，对治疗和预后也有十分重要的作用。遗传和体细胞基因变化会帮助我们理解疾病的发病机制，为我们提供了疾病的新线索，发展治疗和提高预防的能力，提高我们对疾病耐药、复发及转移癌的认识。
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肺癌细胞基因组的不稳定性
遗传和体细胞异质性发生的重要机制之一是基因组的不稳定性，不稳定指的是高于正常的突变率，它对癌症的发展有灾难性的后果。许多途径导致基因组不稳定性，包括端粒损伤、中心体扩增、表观遗传修饰以及内源性和外源性的DNA损伤。De Bruin等人的一项研究确定了在肺癌的演变过程中，1884个非沉默基因和76129个沉默基因的突变。其中在非小细胞肺癌内存在26%的异质性突变，腺癌细胞内存在74%的异质性突变。
基于基因组不稳定性的新治疗策略包括预防DNA损伤、增强DNA修复、修复DNA缺失、中心体成簇受损或抑制端粒酶活性。靶基因可以控制基因组不稳定性的进展，并作为一种治疗途径。许多基因已被确定为驱动基因，临床前研究发现，驱动基因的缺失可能使癌细胞回到正常细胞或减少癌症细胞发展为恶性肿瘤的可能。然而，人们仍然不太清楚DNA修复突变基因的功能失调是如何导致癌症的发生发展、器官和组织特异性以及癌细胞在患者体内的转移。随着技术的进步，基因编辑可能具有基因校正和编辑修复的能力，并被提议作为未来癌症治疗的手段。
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关键基因的异质性
许多基因异质性参与并影响药物的疗效和耐药性。我们选取了靶向分子亚基的关键信号调节基因PIK3CD、抑癌基因TP53和致癌驱动基因KRAS三种不同类别的基因，来设计相关的治疗。
肺癌细胞的PIK3CA基因异质性与药物敏感性及耐药性有关。PIK3CA突变，连同其他基因如TP53、LKB1、和p63的突变，在非小细胞肺癌的各个阶段都能够观察到，并且其基因突变的数量与肿瘤的进展，生存率和预后相关。而且，TP53 加速了PIK3CA 和 H1047R 诱导的肺癌发展。肿瘤抑制基因（如TP53基因、BRCA1/BRCA2、PTEN、Rb1、APC）在DNA损伤修复、突变和癌变中起着重要的作用，其中的甲基化作用与肺癌患者的临床预后相关。肺癌的抑癌基因靶向药物的发展有很大的潜力，但其靶向性、稳定性、遗传毒性、生物标志物等方面仍面临许多挑战。
TP53基因突变被认为是癌症的一个独特的特征，具有高致病率和高灵敏度，虽然TP53极低的突变频率也在正常组织中被检测到。 TP53基因的变化可以通过增加癌症基因组的异质性来改变细胞的表型特征，并用于对脱敏药物的治疗。肺癌和TP53基因突变患者具有预后差，异质性水平高，病理类型不同和临床分期不同等特点。干预TP53可能代表了一种新的有效的药物治疗策略。
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特殊病人的体内评价
研究人员将正常的从组织器官分化的细胞移植到免疫缺陷小鼠体内，作为癌症动物模型，模拟人类癌细胞的病理特征。与标准化疗方案相比，联合治疗具有更好的疗效，它通过增加细胞凋亡和坏死减少肿瘤体积，更好地保持一个持久的应答状态，并随着肿瘤细胞的生长而增大应答。然而，模型开发存在一系列问题，例如开发所需的时间太长、不能满足临床决策的迫切需要、模型开发的稳定性还不太高、细胞间的基因异质性并不利于模型敏感性的变化等。
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精确的自我验证系统
肺癌的精准治疗仍然是一个新的机会和挑战，尽管肺癌靶向治疗已经开始并取得进展，化疗后失败（图2a），应该衡量患者的EGFR是否存在突变，如果突变存在，一线靶向治疗策略（如吉非替尼、厄洛替尼和阿法替尼等EGFR抑制剂）是十分有效的（图2b）。抗药性策略是在第一代靶向治疗中发展起来的新一代靶向药物治疗方案（图2C）。
肺癌的复杂性（例如空间和时间的肿瘤异质性和克隆选择或进化）使治疗策略比我们预期的更困难。癌细胞表观遗传学、进化、干细胞和上皮-间质转化在永久性基因突变和动态表观遗传改变之间的相互作用中起着至关重要的作用。
肺癌细胞在外科手术或活检中被分离出来，并作为活细胞进行培养。相比于其他方案，活体细胞可以恢复和培养为体外筛选和验证系统（图左）。临床医生可以根据对肿瘤切除或活检后立即检测到的基因变化和异质性的生物学信息进行分析，为特定的肺癌患者提供多种治疗策略。
我们最近展示了基于蛋白质结构的药物发现和选择用来指导我们发现不同类型癌症之间的功能突变，以确定空间簇和具有的预期功能，选择精确的药物来治疗肿瘤。要理解突变对蛋白质结构的影响，并在蛋白质簇内确定相应变异，对突变药物簇进行分类，并优先考虑从患者样本中选择突变的簇群是至关重要的。从变异和药物相互作用的模拟中选出的药物簇的功能和功效在突变和非突变细胞中得到了进一步的验证。这一方法适用于通过精准自我验证系统和化学高通量筛选突变的变种，通过工具计算和选择最佳化学结构，在筛选病人的活细胞前选择最合适的靶向药物（图2h）。
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监测的异质性
由于缺乏疾病特异性生物标志物，个体化的临床医学和有针对性的治疗方法使监测肿瘤异质性的发生变得非常具有挑战性，具体相关的试验工作比如：在临床试验中的疗效和靶向药物的毒性，但还是存在药物组合策略失败的情况。
肿瘤微环境中的多种炎症因子可能是影响或反映肺癌基因变化和异质性的潜在生物标记物。肺癌亚型免疫微环境的变化有助于免疫细胞、细胞因子和癌细胞进化过程中异质性和耐药性的发展。慢性肺部疾病进展过程中的上皮细胞基因的异质性使得慢性肺部疾病转变为肺癌。上皮细胞骨桥蛋白和粘蛋白可作为肺癌演进和异质性的重要动力和生物标志物，虽然他们可能缺乏疾病和基因变化等特异性的生物学联系。单细胞测序是检测瘤内异质性的有效方法，可以通过单细胞成像，生物学和系统生物学的方法筛选突变和异质性的特异性生物标志物。肿瘤干细胞在瘤内的异质性，表观遗传修饰在与肿瘤微环境的相互作用中起决定性因素。基于液滴的单细胞转录组测序方法可以定义异质性和准确性。单细胞拷贝数变化反映了染色体构象的基因组改变，可以作为功能异质性和组合细胞指标的重要参考依据。
总结：
肺癌的异质性在肿瘤耐药中起着重要的作用。遗传异质性很大程度上依赖于遗传基因的变化和临床家庭特征的组成，从而导致肺癌对药物治疗的易感性。我们可以从异质性的特异性、表征、PIK3CD发挥的作用、TP53和KRAS基因等发现相关的机制和新的治疗方法。精准自我验证系统是由本文最先提出的，可用于优化临床试验中的靶向疗法和策略，以克服基因异质性导致的大量不确定性的发生。我们对异质性机制的了解越多，对治疗策略的验证也就越好，药物的治疗也就越精确，从而使得病人的预后最佳。
展望
制定完整的肺癌基因突变和异质性改变的列表，明确它们的功能和敏感性是十分重要的。除了病理分类外，还应开发一种新的肺癌分类方法，并应用于临床治疗，同时，肺癌的综合分子特征应根据其严重程度、分期、持续时间、治疗、癌变和预后等进行进一步探讨。精确的自我验证系统应当得到进一步的评估、验证和推广，以提高我们对基因变化、突变和异质性的理解。我们认为精确的自我验证系统应具备学习和自动化功能，并在临床应用中成为决策的智能助手。
关于王向东教授：
复旦大学特聘教授，中山医院临床医学研究院执行院长，上海临床生物信息学研究所所长，复旦大学临床生物信息学中心主任，上海呼吸疾病研究所副所长，复旦大学中山医院研究中心主任。中国医师协会精准医疗专业委员会副主任委员兼总干事。伦敦大学国王学院兼职教授。
主要研究临床生物信息学，疾病特异性生物标志物，慢性肺疾病，肿瘤免疫学，分子和细胞疗法。正在开展精准医疗应用，融组学、生物信息学、临床信息学为一体对疾病特异性标志物识别和验证，研发慢性肺疾病和肺癌的治疗靶标。
2017年12月9日，王向东教授将参加《2017现代临床分子诊断研讨会》，并围绕临床生物信息学在生物标记物的研发作出精彩报告，赶快来报名参加吧！（点击下图查看会议详情）
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