银河：2016新前沿论坛之九会议纪要

一、什么是精准医学？精准医学不是新概念，随着技术的进展，一直被赋予不同的概念。从早起的石器时代，到后续的达芬奇手术时代，精准医学一直在演进。现今，随着基因组测序技术的落地应用和测序成本降低，精准医学与基因组学紧紧地挂靠在一起，更多地围绕基因测序讨论精准医学。医学的发展得益于技术的进步。以白血病的分型历史举例，100年前白血病被定义为血液的疾病，但不知道出现的是什么问题；80年前发现白血病是因为血液中的细胞有问题，主要来源于白细胞或淋巴；60年前对白血病的研究延伸到了细胞层面，按照组织病理学可将白血病分为慢性白血病、急性白血病、白血病前期、惰性淋巴瘤和侵袭性淋巴瘤；如今通过分子生物学，白血病有了更多精细的分类，后续的治疗和干预也有了相应的管理手段。精准医学并没有离开生物和医学的本质，其实是美国总统的造词运动。2012年从海量数据分析提出大数据的概念，2014年从神经生物学衍生出脑科学的概念，再到2015年由个体化医学衍生成精准医学的概念，造词运动不断地将传统的概念赋予新的名词。从美国提出精准医学概念后，2015年8月1日中国也提出精准医学计划。综合来看，精准医学既不是单独的基因组学、也不是某一层面的技术手段，而是全部生命数据在不同层面的集合。生命的本质从DNA到RNA到蛋白，从小分子到代谢。很多疾病是由先天因素和后天环境共同影响的。如新生儿出生后，其遗传信息会受来自外界的正向或者负向影响，到四五十岁后，随着细胞凋亡和整个机体组织老化，所以很多疾病会高发，比如肿瘤。因此说讨论精准医学要从生命的整体进行。二、基因测序的主要应用疾病领域概览：主要应用领域可概括为出生缺陷、肿瘤防控、病原分析、移植配型和复杂性疾病5个方面：1.出生缺陷：包括无创产前诊断（NIPT）、单基因病筛查、新生儿筛查和耳聋基因检测等，该领域目前相对较为成熟。如NIPT在临床的应用已经相当成熟。2.肿瘤防控：肿瘤按特征可分为先天遗传性和后天获得性两大类。先天遗传性的肿瘤是由生命个体本身携带的遗传突变基因导致的，具有肿瘤的高发、早发和家族性多发等特征；对于后天获得性的肿瘤，因为基因组中有原癌基因和抑癌基因，这两套基因时刻都在工作，原癌基因发生突变，抑癌基因修复突变。随着年龄增长和细胞凋亡，以及环境中如空气、食物和生化等因素，原癌基因与抑癌基因间的平衡被打破，体内肿瘤突变基因积累到一定程度后，细胞发生突变，所以40岁以后后天获得性肿瘤呈现高发趋势。3.病原分析：包括病原精准诊断、用药指导、耐药性分析和肠道微生物宏基因组学分析。目前该领域产品不多，但具有有很大的想象力：每年因为抗生素滥用导致耐药的致死率远高于肿瘤，急需引入新型医疗技术解决上述问题。4.移植配型：包括造血干细胞配型、器官/组织移植评价等。目前几乎全部的大型器官都可以移植，如肾移植、骨髓移植、肺移植、肝移植、甚至脑移植等。器官移植后面临的问题是排斥反应，然而并未发现早期的特异性marker可用来检测排斥反应。二代测序（NGS）技术异军突起，可解决很多大器官移植的早 期排异反应检测问题。5.复杂性疾病：包括复杂疾病研发和大数据挖掘，如糖尿病、心脑血管和一些老年病等，遗传背景相对复杂，也会是NGS的重点突破方向。三、NGS与肿瘤——液体活检肿瘤患者，无论从原位到转移位，还是不同患者的同一类型肿瘤，其基因组情况都千差万别，因此核心是寻找突变基因。目前研究最多的是肺癌，从早期EGFR基因开始，到后面的ROS1基因等，均有其基因组学突变的规律。从FDA批准的药物来看，围绕EGFR突变的药物有很多，如吉非替尼、厄洛替尼。然而目前仍有很多处于临床实验中的且没有靶向药物的突变。所以按传统技术，即通过探针测一个基因位点，是不靠谱的，因为肿瘤基因突变是一个非常复杂的系统。从NGS出发，可以呈现肿瘤全基因组，从而能够从全局把握肿瘤基因的突变情况。目前NGS在肿瘤领域的切入点在患者层面，中国现有1000多万的肿瘤康复患者，对这部分患者人群的健康管理和检测，除影像学外，有无更有效的监测指标？在医院，70%以上确诊的癌症都在III期或IV期后，而中晚期癌症患者在各种治疗手段都无效的情况下，NGS能做什么？在癌症的I期和II期，相关的突变累积耗时超过20年，并且无任何症状，而人们也不会在毫无症状的前提下在医院做深度体检检测肿瘤。如何实现肿瘤的早期诊断，并提升治愈率？液体活检技术可实现肿瘤的早期诊断。经研究发现，只要肿瘤形成，就会有细胞和游离DNA释放到外周血液中，称之为循环肿瘤细胞（CTC）和循环肿瘤DNA（ctDNA）。在近两年，有大量的文献证实大部分的实体瘤患者其血液中都可以检测到ctDNA,但技术的规范和完善仍需时间。而液体活检技术则是指通过捕获外周血液中的ctDNA、CTC和外泌体等，或对唾液、尿液及其他体液检测代替活检，从基因水平帮助肿瘤治疗。液体活检的应用方向包括早期筛查、分子分型、病情监测和伴随诊断。早期筛查的市场容量大，然而因为数据量大和测序成本高等因素，患者付费意愿较低；分子分型技术相对成熟，但需要海量数据的累积及建立人群突变谱；病情检测领域市场容量大，且液体活检技术优势大；伴随诊断技术最为成熟，主要用于用药监测，而现阶段已组织活检为主，创伤性大。四个方向NGS技术都能切入进来。液体活检行业现状：近两年海外液体活检公司融资总额约21.7亿美元，2016年市场容量约20亿美元。国内市场通过两年多的发展，融资接近15亿人民币，整个情况跟市场容量基本持平。在形成整个完整产品之前，依靠测序服务做肿瘤基因检测仅仅是一个小众市场，且行业不规范。希望未来从技术到临床应用标准制定，保守预估需要大概3年的时间。液体活检有三个技术瓶颈：1.早期患者外周血中ctDNA含量非常低，目前可以做到的技术极限是‰1~‰5，但并不代表技术的稳定性和产品化。2.ctDNA片段非常短，约为170bp，对检测技术要求高，需深度测序和优化技术体系；3.ctDNA半衰期非常短，不超过2个小时就会裂解。因此需肿瘤在转移过程中持续处于活跃期才可检测出ctDNA。上述因素是影响液体活检在临床快速应用的主要技术层面问题。 以肺癌为例，目前国内液体活检研究现状如下：目前临床现状早期诊断率低，复发率高，晚期生存期短。早期诊断低是因为缺乏精确的早诊模式，肺部的病理穿刺与其他大器官相比难度和风险大，尤其是老年患者由于多种并发症存在很难实施病理穿刺，因此需发展基于低剂量CT联合ctDNA/CTC开展早期诊断研究；复发率低是因为缺乏精准的复发监测模式，患者术后复发情况复杂，需通过影像学联合ctDNA进行监测；晚期生存期低是因为靶向治疗不完善，精准治疗不准确。针对上述问题已有很多公司开展大型的临床试验，目的是提高早期诊断率，希望在I期甚至II期实现肺癌诊断；降低复发率，及时筛出ctDNA并给予相应靶向药物治疗，可降低复发风险；延长晚期的生存期，肺癌的晚期转移情况非常复杂，找靶向药或指导免疫治疗。目前国内已启动了很多项目，动辄数千万，花费较高。ctDNA的应用举例：2014年发布在nature上的文章，通过检测组织和外周血中ctDNA对7-8种实体瘤检测进行比较，发现ctDNA检测结果与临床疾病状态具有高度一致性。右图是ctDNA与影像学对照的结果，相对于影像学结果能更迅速地反应疾病的发展。华大围绕肿瘤的重大事件：2008年第一个亚洲黄种人基因组数据，建立了健康人群标准；2009年在丹麦的千人基因组计划，通过大人群制定正常人群的基准，2013年推出第一款遗传性肿瘤基因检测产品，2014年~15年获得首批肿瘤基因测序临床试点单位，并陆续推出肺癌、结直肠癌等个体化诊疗基因检测产品，并逐渐推广到临床层面。华大的ctDNA检测于2014年底在国内首个产品化，并在临床上积极推广，目前涉及基因500个，有50万个位点，涉及有100多种已上市和尚处于临床试验中的药物和十数条信号通路。华大站在全景上设计产品，用药指导比较成熟。以案例讲解应用，该图展示的是结直肠癌患者，术后两个月以内均未监测到ctDNA。12个月后随后逐渐又重新出现各种突变，19个月后大部分的突变重新出现。而且这些基因突变都是在影像学数据之前即可发现。提示目前常规的治疗方案，无论是手术还是放化疗，ctDNA可以作为早期的特异指标，对肿瘤复发进行预测。目前临床已有超过1万例临床试验。华大目前已积累了4000多例ctDNA检测样本。通过ctDNA检测，为其中48.9%的肿瘤患者找到了可用的药物相关突变基因。这些案例基本都是临床中末期，无任何办法，最后试图通过全基因组测序寻找靶向药物，在4000多例种有相当一部分治疗效果非常好。遗传性肿瘤检测：大的实体瘤均有遗传倾向，主要以妇科肿瘤、包括结直肠肿瘤和消化道肿瘤遗传性相对较高。我们以前用的数据大部分是欧美人的，可能不适用于中国人群的情况。通过最近3-4年，对近2万人的筛查发现，黄种人和欧美人的遗传倾向上差别非常大。四、NGS与病原微生物2016年5月21日，WHO明确提出“Noantibioticswithouttest”（如无检测病原，则不能使用抗生素）。因为预计到2050年，全球有1000万人因为细菌耐药导致死亡，GDP累积损失100万亿美元（2015年全球GDP为77万亿美元）。细菌耐药性带来的危害远超过肿瘤。因为肿瘤相对来说可控可防，而细菌耐药则是人为情况。中国的滥用药情况是全球最严重之一，15年中国医用抗生素销 售2100亿，其中40-50%为过度使用。继脑计划、精准医学、抗癌“登月”计划后，2016年5月13日白宫宣布启动美国国家微生物组计划，同一天FDA对NGS感染病诊断设备发布指南，内容包括微生物鉴定，抗菌药物耐药性，毒力标志物。NGS在微生物的切入点：1.非特异性感染。呼吸道感染是位列全球第三的死亡原因，结核病和血液感染也在前列，同时多种病原会导致同一疾病，以导致危重感染的脓毒血症为主，NGS在现阶段可关注未知病原的鉴定；2.特异性感染。全球每年新发结核病人800万-1000万，死亡约130万。中国约50%人口携带结核菌，每年新发结核病人150万，死亡13万。目前的结核感染80%以上为耐药菌株，死亡率远超肿瘤。同时，中国乙肝患者9000万人，丙肝患者4000万人。NGS可以PCR和WG-PCR为方向，实现对病原微生物的快速鉴定；3.感染治疗：中国是全球抗生素滥用最严重的国家之一，人均用量是美国的5倍。NGS可在政府控制药物支出比例的大环境下，推动抗生素药费的10%转化为精准感染诊断费用，引爆200亿的潜在市场。通过移动医疗数据平台，整合基因测序，HIS系统、细菌耐药谱数据，为医生提供决策支持服务。五、NGS与肠道微生物肠道、生殖道、呼吸道中都有大量的菌群，细菌种类成千上万，菌株基因组间也千奇百怪。这些共生微生物与人体关系密切，近几年通过组学技术对肠道微生物进行了深入分析。2008年，欧盟宣布启动人体宏基因组计划，华大基因参与其中，负责测序和生物信息学分析工作。投入了海量的资金和人员。目前的应用方向主要包括：抗生素用药情况、判断疾病风险和预后干预。六、NGS与器官移植目前几乎全部的大型器官都可以移植，如肾移植、骨髓移植、肺移植、肝移植、甚至脑移植等。器官移植早期的排斥反应是导致器官移植失败的重要原因，然而并未发现早期的特异性marker可用来检测排斥反应。二代测序（NGS）技术异军突起，可解决很多大器官移植的早期排异反应检测问题。在受者外周血液中查供者的游离DNA可直接反应移植结果。截至16年，器官移植数量非常多。七、NGS与大数据如何在海量数据中找出规律信息，以及如何变成应用，即从data（数据）->Information（信息）->Knowledge（知识）->Utility（应用）？目前对大数据的研究进展大部分都停留在信息整理阶段，数据分析对于所有的临床应用是一个重要的节点，有钱可以买设备，但是如何转化成应用产品还有一段艰难的道路。华大在大数据应用中做过的事情：1.存储数据2.数据规范3.生成临床可用的报告。公司在2015年与亚马逊合作，在欧美地区上线大数