分子生物学8个体化医学

1、1个体化医学Personalized Medicine申志发E-mail：shenzhifa Tel： / 662693 （短号）温州医科大学检验医学院/生命科学院教育部检验医学重点实验室Preventive 预防Participatory 参与Personalized 个体化P1P2P4P3Predictive 预测DNA 序列定期体检生活方式疫 苗疗 养提前干预 遗传变异 合适药物合适剂量， 病人了解疾病参与治疗现代医学模式 (4 Letters P Medicine)医学治疗模式经验性处方药物理想药D药A药C药B明确诊断传统药A药B药C药D个性化处方药物尝试、更换确定、治疗千人一个标准：

2、医师的经验， 治疗差异，费时、金钱、疗效不能确定每人一个标准：分子检测结果，针对性治疗，节时、金钱，达到最好疗效安全、有效药物临床研究和应用的相悖用药对象个体临床试验对象群体基因and /or 环境？有效性（敏感性）安全性（毒副作用）56同一个药给不同的人为什么结果不一？药物作用存在个体差异为什么会有差异？基因决定的吗？7SNPs存在差异测序结果表明：确实存在SNPs 药物遗传学： 药物基因组学： PharmacogeneticsPharmacogenomics单核苷酸多态 single nucleotide polymorphism, SNPSNP：人类基因组中，SNP大多为二等位多态。SN

3、Ps：形成DNA分子多态性。SNP：决定个体差异的最主要的遗传基础。疾病发生（易感、患病风险）与SNPs相关药物作用（敏感、耐药）与SNPs相关9拷贝数变异/拷贝数多态性 Copy number variations, CNVsCopy number polymophisms, CNPs 基因组中大于1 kb 的DNA 片段插入、 缺失和/ 或扩增，及其不同组合而导致的复杂变异 DNA结构变化（单一片段的插入、缺失、扩增，等）； 染色体结构变化（插入、缺失、重复、易位，等）； CNVs 是一种新的可以作为疾病易感标志的基因组DNA多态性 临床遗传学家发现，至少有97%的疾病是散发的，而且不涉及

4、任何基因的突变，仅仅源于CNVs10环境也存在差异基因不同个体DNA序列 99.9% 相同疾病相关药物反应差异相关0.1%300万变异11在健康个体中，大量的CNVs是遗传的，新生的 99% 1% 人群Human vs HumanSNPsCNVs碱基对2.5 Mb4 Mb 1/1,200 bp1/800% 基因组0.08%0.12%在基因组中存在丰富的CNVs12SNPsCNPsCNVs 全基因组核基因组线粒体基因组基因组的多态性（多样性）疾病复杂性13检测SNPs测序：deep sequencing基因芯片：特异、灵敏、智能、高通量MicrosatelliteFISH检测CNVsKaryot

5、ypingQ-PCRSNP array15检测CNVsGenotype known common CNVs using whole-genome arrays（GWAS）Affy 6.0Illumina 1M36,000 CNV non-polymorphic probescovering 4,000 CNV regions in DGV940,000 CNV non-polymorphic probesHigh-density in 5,600 CNV regions in DGV + extended to whole-genomeNimblegenarray-CGH, CNV only,

6、 test vs reference custom or whole-genome (up to 2,1M probes)162022/7/817个体化医学核心基于个体基因组的诊断与治疗个体基因组全基因组序列：测序技术（通量，成本）全基因组关联性分析（GWA Study，GWAS）SNPs（单核苷酸多态性）CNVs（拷贝数变异，Copy Number Variations ）个体化医疗个体化诊断（基础）个体化治疗（个体化用药）18个体基因组人类基因组计划引发生命科学研究数据的海量增长生命科学计划“从基因组到生命”（GTL，2003-2010）测序的费用（每个碱基 / 美元）测定的碱基序列总数

7、（十亿）人类基因组计划（1990-2003）3.16109 bp中国人基因组炎黄一号基于基因组的个体化医学罕见疾病风险 查出孟德尔疾病致病基因 早期疾病预测 孕前/胚胎植入前筛查常见疾病风险 风险预测 风险分层 查出早期的行为异常风险显现药物基因组学 风险分层 药物效应和剂量 不良反应预测20基于基因组的个体化医学Roses, A. Nature, 405, 857-865遗传分析疾病：遗传疾病预测/诊断遗传药理学：药物反应表现罕见孟德尔氏疾病: 因果基因常见复杂疾病： 易感基因对疾病的新的认识和未来医学干预最适药物反应药物代谢和作用基因药物安全性和有效性的SNP谱信息的确定性和伦理、法律、社

8、会问题的潜在风险应用查出受益风险GWASPGx基因组个体化医学检测的应用预防预测：遗传缺陷(致病基因)、风险评估(易感基因)疾病易感性乳腺癌 - BRCA1/2心肌梗死 - MEF 2A, ALOX5AP心律失常- Familion检测DNA (LQTS1, LQTS2, LQTS3, LQTS4)疾病诊断：病原体诊断、肿瘤诊断、耐药性检测(基因型)个体化治疗：靶向治疗(分子靶标)、药物敏感性(基因多态性)靶向治疗赫赛汀(Herceptin) - Her2 阳性的乳腺癌格列卫(Gleevec) 费城染色体阳性的慢性髓细胞样白血病特罗凯(Tarceva) -EGFR阳性的肺癌靶向剂量华法林(Wa

9、farin) - CYP2C9, VKORC16-巯基嘌呤(6-Mercaptopurine) -巯嘌呤甲基转移酶预后判断：药物反应、疾病复发(基因表达差异)乳腺癌 -乳腺癌基因表达分析 (Oncotype霉素，MammaPrint等)个体化医学和个体化药物治疗发病易感遗传缺陷早期查出针对性预防疾病发展预测对药物的可能反应监测药物反应和发病反复健康状态无症状疾病状态慢病治疗病人分层 / 治疗有症状疾病状态 当今医疗保健重点未来医疗保健重点 个体化医学 个体化药物治疗疾病基因组学药物基因组学基因检测疾病相关基因 疾病预测与诊断药物作用相关基因个体化药物治疗罕见孟德尔遗传病致病基因常见复杂疾病易感

10、基因药物代谢/作用基因药物代谢/作用SNPs疾病预测： 对疾病的新认识和控制个体化用药： 最佳药物反应分子诊断是个体化医学的基础24基因mRNA蛋白每个蛋白功能改变基因突变mRNA序列改变mRNA数量改变蛋白数量改变总体蛋白功能改变可遗传突变体细胞突变BiomarkerBiomarkerBiomarkerBiomarker组织检测，往往与疗效相关可由血细胞分型反应，往往与药物代谢相关个体化诊断的生物标志物特异、灵敏、早期分子诊断是个体化医学的基础代谢产物生物标记假说 开发原型检测方法候选生物标记 确证发现候选生物标记 临床确证体外诊断试剂 分析方法优化 和开发管理部门批准确证各实验室采用审核实

11、验室结果的室间差应用临床和实验室培训生物标记和分子诊断方法的发现、确证和应用26Genome-wide association study（GWAS）全基因组关联性分析Patient DNANon-Patient DNACompare differences to discover SNPs associated with diseaseDisease-specific SNPs Non-Disease-specific SNPsPatientsNon-Patients非假说驱动的寻找疾病相关突变的方法：扫描整个基因组、证明哪些基因与疾病相关与疾病相关的变异：在有这种疾病的人群中常见的遗传变异

12、27PCR技术 测序技术 芯片技术 DHPLC技术 质谱技术 生物信息学2022/7/828五、临床分子生物学及细胞遗传学检验（145项）1. 感染性疾病分子生物学检验 （89项）2. 疾病相关分子生物学及细胞遗传学检验 （25项）3. 肿瘤分子生物学检验 （17项）4. 用药指导的分子生物学检验 （10项）5. 其它（个体识别等） （4项）医疗机构临床检验项目目录（2013年版） 2、疾病相关分子生物学及细胞遗传学检验染色体核型分析脆性X染色体核型分析高分辨染色体核型分析姐妹染色体互换分析21三体和性染色体多倍体检测遗传性肌营养不良基因分析肝豆状核变性基因分析血友病基因分析脆性X综合症基因分

13、析Y染色体性别基因分析脱氧核糖核酸倍体分析血细胞荧光原位杂交分析未经处理的羊水细胞荧光原位杂交分析2、疾病相关分子生物学及细胞遗传学检验染色体荧光原位杂交分析羊水细胞染色体分析绒毛组织染色体分析染色体分析单基因遗传病基因突变检测地中海贫血基因突变检测地中海贫血基因突变检测苯丙酮尿症的基因突变检测遗传性耳聋基因检测HLA低分辨基因分型检测HLA中分辨基因分型检测HLA高分辨基因分型检测医疗机构临床检验项目目录（2013年版）3、肿瘤分子生物学检验血液病相关基因定性检测血液病相关基因定量检测白血病融合基因检测人类EML4-ALK融合基因检测基因表达水平对肿瘤预后的判断基因表达水平对肿瘤药物敏感性的

14、判断人类PIK3CA基因突变检测人类EGFR基因突变检测HER-2基因扩增检测人类K-ras基因突变检测人类B-raf基因V600E突变检测人类P53基因突变检测视网膜母细胞瘤RB1基因突变检测家族性乳腺癌基因突变检测多发性内分泌腺瘤RET基因突变检测遗传性非息肉性大肠癌基因突变检测遗传性大肠癌微卫星不稳定性检测4、用药指导的分子生物学检验化学药物用药指导的基因检测CYP2C19基因多态性检测CYP2C9和VKORC1基因多态性检测MTHFR（C677T）基因检测CYP2D6*10、CYP2C9*3、ADRB1(1165GC)、AGTR1(1166AC)、 ACE(I/D)检测乙型肝炎耐药基因

15、检测结核分枝杆菌耐药基因检测万古霉素耐药基因检测耐甲氧西林葡萄球耐药基因检测病原体用药指导的基因检测5、其它载脂蛋白E基因分型亲子鉴定的基因分型检查人类SRY基因检测ABO血型核酸扩增定性检测关于开展个体化医学检测规范化管理工作函卫办医政函【2013】195号多学科专家组成检验医学药理学病理学肿瘤学分子医学遗传学妇产科学医学伦理学法学组建卫计委个体化医学检测技术专家委员会(2013.03)职责：负责个体化医学检测技术咨询和指导负责起草个体化医学检测管理办法及管理相关工作起草个体化医学检测相关规范、指南组织开展培训和试点工作个体化医学检测管理办法及相关指南和导则的制订分工指南名称负责人个体化医学

16、检测实验室管理办法李金明教授尚 红教授药物代谢与效应基因多态性检测相关技术指南 周宏灏院士肿瘤相关的个体化医学检测技术指南詹启敏院士曾益新院士遗传病相关个体化医学检测技术指南曾溢滔院士病原微生物相关的个体化医学检测技术指南尚 红教授芯片技术的个体化医学检测应用技术指南程 京院士测序技术的个体化医学检测应用技术指南于 军教授原位杂交技术的个体化医学检测应用技术指南陈 杰教授个体化医学检测LDT的相关技术指南程 京院士卫计委对专家委员会工作计划的批复（2013.07）计划如下：起草“个体化医学检测的相关管理办法”（2013年8月底完成初稿）。起草“个体化医学检测相关的技术指南”（2013年8月底完

17、成初稿）。在中南大学设立首家“卫计委个体化医学检测培训基地”。在三个试点单位对管理办法 和相关的技术指南”进行验证、总结、修订，并尽快出台相关SOP。卫计委同意设立个体化医学检测培训基地（2013.07）国家卫生计生委医政医管局于2013年9月17日指定中国医科大学附属第一医院、中南大学湘雅医学检验所、北京博奥医学检验所三家医疗机构为我国个体化医学检测试点单位。首个培训基地：中南大学培训内容：个体化医学检测技术；质量控制管理；生物安全；医学伦理；相关法律法规、实验室管理办法。培训教材：由管理办法、各检测技术指南编写单位负责。培训师资：各检测技术指南编写单位参与培训。培训发证总体工作进度安排专家

18、委员会进行指导、审核2013.082014.022014.032014.05编写管理办法、各检测技术指南试点单位进行验证及时反馈信息编写培训教材人员培训初稿完成试点验证教材编写人员培训上报卫计委医政司发布技术指南2015.07技术指南2014年6月16日，中南大学国家卫生计生委个体化医学检测培训基地开班仪式暨“国家卫生计生委个体化医学检测培训基地”、“国家卫生计生委个体化医学检测试点单位”揭牌仪式。 国家卫生计生委医政医管局周军副局长3839个体化医学：基因检测与应用分析检测与疾病相关联的基因异常、基因多态性突变、重复、插入、缺失染色体非整倍体SNPs、CNVs涉及疾病诊疗的全过程预测：疾病危

19、险因素、风险评价、高危人群预防：诊断：早期诊断（疾病标志物：特异性、方法：灵敏度）治疗：药物有效性（显效、有效、无效），安全性评价预后：40致病因素和易感基因突变对发病的综合影响致病因素侵袭易感基因突变 疾病发生风险低风险低风险中风险高风险基因检测与应用41基因检测：疾病风险预测与评价SNPs检测方法PCR扩增 测序PCR扩增 DHPLCPCR扩增 RFLP芯片载脂蛋白E基因多态性与AD风险预测评价42载脂蛋白E基因突变基因型- 三个等位基因E2 - 低 AD 风险E3 - 中等 AD 风险E4 - 高 AD 风险APOE基因型测定AD风险预测与评价不是常规检查项目，但许多病人需要（美国收费2

20、99美元） Ashford JW. J Mol Neurosc 2005;23:157-65 基因检测：疾病风险预测与评价43基因检测：疾病风险预测与评价44胰腺癌发病的遗传因素研究人群 病例数量 对照数量 基因 基因功能高加索及美国人 309 964 GSTT1 香烟致癌物代谢 高加索及德国人 52 235 UGT1A7 香烟致癌物代谢 高加索、西班牙、 365 379 NAT1 香烟致癌物代谢 非洲及北美人群 高加索及美国人 309 964 XRCC1 碱基切除修复 多人群GWAS 3851 3934 ABO 血型抗原中国人 163 337 MTHFR/TS 叶酸代谢中国人 397 907

21、 FasL/CASP8 死亡受体通路 中国人 393 786 COX2 前列腺素合成基因检测：疾病风险预测与评价45染色体6q13拷贝数变异与胰腺癌发病风险的关系组别胰腺癌 (n = 420)对照 (n = 817)P * No. (%) No. (%)性别0.659 男性 265 (63.10) 505 (61.81) 女性 155 (36.90) 312 (38.19)年龄 (y)0.503 40 22 (5.24) 40 (4.90) 41-60 174 (41.43) 367 (44.92) 60 224 (53.33) 410 (50.18) * Two-sided 2 test.基

22、因检测：疾病风险预测与评价胰腺癌病例和对照的基本资料46染色体6q13拷贝数变异与胰腺癌发病风险的关系拷贝数 胰腺癌 (n=420)对照 (n=817)OR* (95% CI)PNo. (%)No. (%)2 拷贝 144 (34.28) 364 (44.55)1.00 (reference)1 拷贝 233 (55.48) 362 (44.31)1.75 (1.332.31)7.5610-5 0 拷贝 43 (10.24) 91 (11.14)1.07 (0.681.69)0.780 或 1 拷贝 276 (65.72) 453 (55.45) 1.61 (1.242.11) 4.4110-

23、4*Data were calculated by logistic regression, adjusted for sex, age and smoking status.基因检测：疾病风险预测与评价结论：染色体6q13拷贝数变异与胰腺癌发病相关 拷贝数多态定位：chr6: 74,648,791-74,659,169Jian Shen, J, et al, Cancer Cytopathol, 2009;117:21727.包括3个检测项目：k-ras基因突变15个抑癌基因杂合性丢失 (LOH) 分析 胰腺囊肿液中DNA 质量检定 符合下述标准者定为“异常” k-ras 基因突变 LOH

24、有两个位点突变高质量 DNA如无上述异常，则定为良性非黏蛋白胰腺囊肿胰腺癌分子诊断：PathFinderTGPathFinderTG 分子诊断标准分子诊断（MDx）标准良性非黏蛋白囊肿1. DNA质量低到中等，和：2. 未见k-ras基因点突变，和：3. LOH75%), 或：2. LOH2个位点，高幅度(75%)分子诊断改善胰腺癌的治疗可疑胰腺癌观察与等待胰切除术风险增高胰岛素不足可疑胰腺癌 良性，不处理胰腺癌积极治疗两种坏结果正确选择理想结果70%30%分子诊断PathFinderTG基因检测：临床检验诊断Leighs syndrome （mitochondrial disease）wit

25、h c.418 CT, c.595 CT; in NDUFS3（complex 1） 502022/7/851HER-2 基因表达赫赛汀治疗乳腺癌有效HER-2/neu（仅25-30%乳腺癌有表达）Trastuzumab（Herceptin，赫赛汀）杀死肿瘤细胞、减低复发风险的特异的药靶是Her2Lapatinib (Tykerb, 拉帕替尼)针对Her2阳性、但对赫赛汀不敏感的乳腺癌细胞，通过另一种新的EGFR药靶基因检测：临床用药指导（安全、有效用药）BRCA1和BRCA2突变（乳腺癌和卵巢癌）EGFR因子（结直肠癌）AFP蛋白（肝癌）Src因子（非小细胞肺癌）PSA抗原（前列腺特异性抗原

26、）52基因检测：临床用药指导拉米夫定（Lamivudine）拉米夫定使用小于3个月，YMDD变异株很少出现当连续使用1年以上，YMDD变异发生率超过30%当停药后34个月，YMDD变异株下降，野生株又恢复优势。此时，病毒又对拉米夫定重新敏感因此通过检测突变就可以判断HBV对拉米夫定的敏感情况，为临床用药提供有力的证据有条件的医院可进行HBV DNA定量和YMDD变异株检测53 YMDD编码DNA多聚酶（CODON552） 野生株：Tyrosine - Methionine - Aspartate - Aspartate（YMDD）（ 酪氨酸 ） - （蛋氨酸 ） - （天门氡氨酸）-（天门氡氨

27、酸 ） 变异株1：Tyrosine - Valine -Aspartate - Aspartate （YVDD） （ 酪氨酸 ） - （缬氨酸 ）- （天门氡氨酸）-（天门氡氨酸 ） 变异株2：Tyrosine - Isole-Aspartate - Aspartate （YIDD） （ 酪氨酸 ） - （异亮氨酸 ）- （天门氡氨酸）-（天门氡氨酸 ）基因检测：临床用药指导拉米夫定（Lamivudine）54YMDD突变检测常见方法1. 基因测序法（最好）2. 荧光定量PCR方法基本原理确定探针特定的TM值来区分是否突变常用方法覆盖突变位点荧光双探针杂交 YIDD YMDD YVDD46.9

28、1 54.64 50.74检验医学专家小组肿瘤病人病人筛选和同意血液，肿瘤活检以及肿瘤样本收藏DNA 提取遗传突变的检测突变位点的确定 DNA测序突变位点的验证Molecular Profile 报告生成肿瘤医生治疗方案 的确定记录Molecular Profile对治疗的影响记录相应配对的治疗方法的效益和毒性随访随访肿瘤个体化治疗风险分析预测个体化治疗肿瘤发生的遗传缺陷(BRCA1,2)预测对药物的可能反应用不同的特异性药物预后预测病情可能的发展趋势无肿瘤健康状态接受治疗状态有肿瘤状态肿瘤个体化治疗基因分析，检验诊断克服抗药性制定病人个体特异的靶向治疗1）全世界肺癌发病例超过百万人。肺癌死亡

29、率是所有癌症中最高的。85%左右的肺癌是非小细胞肺癌（NSCLC)。2）EGFR 因为在绝大多数的NSCLC表达较高，以此被作治疗靶标。3）Iressa/Gefitinib 是EGFR的小分子抑制剂（抑制EGFR自身磷酸化而阻滞传导，抑制肿瘤细胞的增殖）。可对绝大多数的NSCLC没有治疗效果。4）Iressa/Gefitinib 只对有特定EGFR突变体的NSCLC （20%）有效。非小细胞肺癌（NSCLC）的治疗Pao W et al; Nature Cancer Review, 2010, 10:760-敏感性突变体抗药性突变体Lynch TJ et al; N Engl J Med 20

30、04; 350:2129-蛋白酪氨酸激酶抑制剂 （TKI）敏感和抗药性的EGFR点突变EGFR Mutations and its Association to Responses to EGFR Targeted Therapy Cheng et al, 2012, Modern Pathology, 25:347-Pao W et al; Nature Cancer Review, 2010, 10:760-无筛选病人群有EGFR点突变的病人群Pao W et al; Nature Cancer Review, 2010, 10:760-CGHCheng et al, 2012, Mode

31、rn Pathology, 25:347-The Discovery of EML4 and ALK Fusion in NSCLC ALK: Receptor Tyrosine KinaseCrizotinib: a smallmolecule specific inhibitor for ALK (PF)Whole genome wide sequencing and RNA sequencing（棘皮动物微管相关蛋白-间变性淋巴瘤激酶）Treating EML4-ALK+ Advanced NSCLC with Crizotinib 1) 6个月疗程, 57% 的病人对治疗有反应。2)

32、6个月progression-free survival 有 72%。E. L. Kwak et al ., N. Engl. J. Med . 363, 16931703 (2010).Sci. Transl. Med. 2012, 4:120-Allelic-PCR based diagnosis/sequencing 引起Crizotinib抗药性的多种ALK的点突变Cheng et al, 2012, Modern Pathology, 25:347-主要Driver Mutations在肺癌里的出现频率基因检测技术个体化治疗的伦理、法律、社会问题1.保护个人基因信息隐私权 未经本人同

33、意，均不能获知相关的个人基因信息。 尊重被检者本人因种种原因而不愿知道自己某些基因信息的选择。 基因检测单位应制定合理获得、转移、保留个人遗传信息的程序和规定。2.尊重个人基因知情权检测前，必须告知被检者检测的目的、意义、程序、结果及风险。 经被检者本人同意，而得出的检测结果，应当真实地告知被检者。 科学地、全面地、正面地向其解释在疾病发生中的风险评估以及在药物治疗当中的积极意义，使其能正确地、积极地对待个体的基因信息。3.反对基因歧视原则 个人的基因信息可能带来基因歧视。要保护个体不受基因歧视，在当今首要的是要保护个人基因信息的隐私，其次就是要建立完善的法律体系和社会道德体系。 在个体化治疗的基因检测中，虽然不是以遗传性疾病检测和疾病预测为目的，但因其仍需检测基因突变且存在潜在的疾病易感性和预后预测的可能，会带