深度解析肺癌中肿瘤异质性及药物治疗策略
肺癌
肺癌是癌症相关死亡的主要原因，5年生存率不足17%。肺癌中小细胞肺癌（SCLCs）占20%，非小细胞肺癌（NSCLCs）占80%，包括腺癌（AD），鳞状细胞癌（SCC），以及大细胞癌。
肿瘤异质性是导致肺癌药物治疗耐药性的重要原因，也是肿瘤精准医疗所需面对的难题。
全面分子表征发现肺癌的遗传性和体细胞基因突变和杂合性。
一方面针对基因融合、变异、甲基化和乙酰化、畸形、或蛋白过表达等不同选择靶向治疗药物，比如ALK发生融合突变使用克唑替尼（crizotinib），BRAF V600E突变使用威罗菲尼（vemurafenib），HER2蛋白阳性使用曲妥珠单抗（trastuzumab）等。
另一方面是基于基因测序、基因相互作用、基因网络及其功能性机制进行药物联合应用。药物联用的有效率、毒性和方案选择往往高度依赖于肿瘤异质性。
图1 肺癌遗传异与体细胞变异异质性的分子分型
遗传基因变异和遗传异质性
对肺癌易感性基因筛查发现，具有相似临床症状的病人往往异质性降低。临床试验通过对超过30,000例肺癌患者研究发现，遗传基因的改变在肺癌的组织分型和组织特异性肺癌易感性起到重要作用。
慢性阻塞性肺病具有高肺癌风险，研究者通过全面的分子表征在慢性阻塞性肺病患者群体身上发现许多遗传基因突变，这些基因被认为是慢性肺病向肺癌转变的生物标志物。
种系突变被用于开发单一或联合疗法，开发新的治疗策略，或用于早期诊断和癌症预防。一些肿瘤易感基因，诸如BRCA1、BRCA2、APC和TP53，对于临床诊断和治疗非常有价值。这些易感基因也存在于家族性肺癌的种系突变中。另外，基因突变也可以是由肿瘤引发的基因变化，并且可以发展为体细胞突变。
全面分子表征对于探索肿瘤的遗传和体细胞基因变化至关重要。例如，嗜铬细胞瘤和副神经节瘤的全面分子表征显示8个易感基因的致病性种系突变，包括：
CSDE1作为体细胞突变的驱动基因；
HRAS，RET，EPAS1和NF1作为四个已知的互补驱动因素;
MAML3，BRAF，NGFR和NF1作为疾病融合基因。
遗传性乳腺癌的全面分子表征显示21个基因发生了42处有害的种系突变，其中BRCA1或BRCA2占18％，TP53占3％，DNA错配修复占5％，CDH1占1％，范可尼贫血肿瘤相关通路（一种表现为基因组不稳定性的遗传性综合征）占6％，其他占9％。
TP53的种系错义改变越多，早发大肠癌和李法美尼综合征风险就越高。肺癌患者也有类似遗传性基因突变情况，其中组织病理分型有明显差异。
体细胞基因改变和异质性
关于肿瘤体细胞基因突变的全面分子表征的临床研究近年来有所增加，为肺癌发病机制提供了新的见解。研究发现，在SCLC患者中TP53和RB1的双等位基因失活超过90％和65％的，而没有发生染色体改变的SCLC患者中占100％和93％。
这项里程碑的研究，使用分子肿瘤学来确定分子水平的体细胞改变，用以分疾病亚型。比如，MET基因突变，被认为是乳头状肾细胞癌的特异性改变，生殖突变约占18％。但MET及配体在多种肿瘤发生发展转移过程中都起着重要作用。
但是MET的异质性往往导致MET高表达的患者对MET抑制剂疗法耐药的重要原因。如果MET扩增在转移灶和原发灶之间的异质性，比如转移灶具有MET扩增，然而原发灶不具备，也往往造成MET抑制的失败。
随着遗传基因和体细胞突变的研究加深，也加深了我们对耐药性发生发展，肿瘤复发和转移的认识。
基因组的不稳定性和异质性
基因组不稳定性导致基因突变频率增加是造成遗传和体细胞异质性发生的重要机制之一。肿瘤增殖过程中产生的内源性突变会导致基因组的不稳定性，而机体中存在着保护机制来维持基因组的稳定性和完整性，俩者之间的平衡在癌症的发生与发展过程中至关重要。
癌症的基因组不稳定性具有空间和时间多样性，比如非沉默突变的肿瘤异质性，基因组多样性，潜在驱动突变的区域异质性等等。随着时间的推移，肿瘤中的酶相关性突变也会持续增加，比如瘤内基因拷贝数、异位和突变累积导致瘤内异质性。
基于基因组不稳定性的新治疗策略可以包括DNA损伤预防，DNA修复增强， DNA缺陷修复，阻断中心体聚集或抑制端粒酶活性。如果发现某个基因能够主导基因组不稳定性，那么可以作为一个治疗靶点。
举例来说，KrasLA2在某些遗传条件下能改变DNA拷贝复制数，在癌症发展中起到关键作用。基因组的不稳定性与肿瘤的大小有关。然而，对于DNA修复突变基因的功能障碍如何促成癌症发生和进展及转移，仍然知之甚少。
随着技术的进步，基因编辑有可能用于基因校正和程序性修复，并被认为是癌症的未来疗法，是转化医学的希望之一。
关键基因的异质性
许多基因异质性影响了药物的疗效甚至决定了耐药性。比如大家经常听说的PIK3CD，TP53和KRAS三个基因。
PIK3CD是肺癌干细胞特性相关的信号通路之一，在肺癌亚型和不同癌症之间的异质性对新的治疗策略的开发具有重要意义。肺癌的致癌过程可能由PIK3CD，PIK3R1或其他PIK3亚基发生突变，PIK3磷酸化的信号传导失控引发。
PIK3CA在肺癌中的异质性与癌细胞对药物的敏感性和耐药性息息相关。肺癌中的鳞状细胞癌起源于基底细胞，而腺癌则来源于肺泡上皮细胞。PIK3CA在鳞状细胞癌的突变率（~9%）高于腺癌（~3%），与腺癌相比鳞状细胞癌的存活率更差。
PIK3CA、LKB1和p63等基因突变在NSCLC的各个阶段均有观察到，其突变数目与肺癌的发展阶段、程度和预后等因素相关。
此外，这些基因突变的相互作用将导致肺癌发病加快。但由于低选择性、溶解性、稳定性，以及自身药理学特性等原因，PIK3抑制剂离临床应用还有距离。要实现PIK3抑制剂的高度特异性，不仅针对靶分子，还针对不同类型器官的特异性癌症是具有挑战性的。
抑癌基因（如TP53，BRAC1 / BRAC2，PTEN，RB1和APC）在DNA损伤和修复，突变和致癌中起重要作用，其甲基化谱与肺癌患者的临床预后相关。肺癌抑癌基因靶向药物的开发面临着准确性和稳定性，遗传毒性等多个方面存在挑战。
TP53突变被认为是癌症的特征，在肿瘤中具有高频性和敏感性。TP53基因的改变可以使细胞表型转向癌症特征，增加基因组异质性，并使药物治疗脱敏。肺癌患者的TP53基因突变后异质性变高，预后变差，病理类型和临床分期特点也存在不同。尽管至今TP53靶向药物由于毒性问题饱受争议，但仍然不失为一种有效的药物治疗策略。
临床前实验表明MDM2-p53结合相互作用的小分子抑制剂与顺铂等化疗药联用，可以有效抑制癌细胞的生长。对联合治疗敏感的癌细胞95％以上有TP53突变，并且联合治疗比单药治疗更有效。与单用顺铂相比，p53依赖性的药物联合治疗更为有效。
许多TP53调节剂已经作为候选药物进入临床试验，如APR-246，MK-1775，ALT-801，Kevetrin，SGT-53，Alisertib，AT9283，ENMD-2076和AMG900等。
KRAS是癌症中最常见的突变致癌基因和主要致癌驱动因子之一，并且KRAS异质性在癌细胞对靶向药物的耐药性中起着重要作用。约30％的肺腺癌患者存在KRAS突变。
肿瘤抑制因子（例如p53或LKB1）的突变基因和致癌驱动因子（例如KRAS）之间的相互作用，可以调节靶向药物和肺癌免疫检查点抑制剂的药物应答。
KRAS与其他驱动因子的相互作用，使得适应性ATP结合蛋白质组和激酶对治疗的反应呈现多样性和多变性。或许针对致癌基因突变的治疗策略应该包括靶向抑癌基因作为共同靶向策略。
精准自我验证系统
尽管肺癌靶向治疗已经取得进展，如EGFR抑制剂的发现与开发，但实现肺癌的精准药物治疗仍是一个挑战。
在化疗失败后，一线靶向治疗策略应该视肺癌患者的EGFR突变情况而定，如果突变存在，则用EGFR抑制剂（如吉非替尼、厄洛替尼和阿法替尼）进行治疗。
在第一代靶向药产生耐药性后，应使用新的靶向药物。如第三代EGFR抑制剂奥斯替尼（osimertinib）对T790M二级突变有更好的效果。
临床试验已经证明，联合治疗对除T790M突变以外的几种耐药机制均具有优势。这些策略是基于通过二代测序获得的目的基因突变来设计和提出的，但是它们的可行性并没有进一步验证。这样的策略高度依赖于临床经验和对目标疗法，个体化医疗和精密医学的个人理解。
图2 肺癌药物传统治疗决策以及基于精准自我验证系统的治疗决策和药物开发
肺癌的复杂性，包括癌细胞的表观遗传学，基因突变，肿瘤干细胞和EMT-MET转化等，使得治疗策略比预期的更困难。此外，肿瘤微环境和代谢产物在进展过程中影响基因突变和异质性，并对肺癌细胞对治疗的反应性有影响。
为解决上述困局，或许可以考虑基于临床实践和分子基础实现精准自我验证系统。
临床表型（如患者的症状，体征，生化指标，影像学检查和治疗反应）可作为临床生物信息学的第一优先级数据。
在手术或活检时从肺癌患者的肺肿瘤中分离和收集癌细胞，并作为活细胞回收并培养，作为体外筛选和验证系统。
临床医生可以根据肿瘤切除或活检后立即测量所得的基因变化和异质性的生物信息学结果，为该特定肺癌患者制定具体的治疗策略。然后在患者自身的活细胞中验证基于靶标的单一疗法或联合疗法的可行性。
这个系统可以根据患者自身的基因测序和细胞对治疗方案进行验证，而不是根据猜测和经验来制定策略。但是来自患者分离所得的癌细胞的有限数量，难以满足对所有不同方案的验证，大大限制了这个系统的效率。
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参考文献：
Diane C. Wang, W. W., Bijun Zhu, Xiangdong Wang. (2018). Lung Cancer Heterogeneity and New Strategies for Drug Therapy. Annual Review of Pharmacology and Toxicology，58： 531-546.
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