肿瘤生物标志物在癌症诊断、预后和靶向治疗中应用

2024年5月《Signal Transduction and Targeted Therapy》发表一篇关于肿瘤生物标志物在癌症诊断、预后和靶向治疗中应用的综述文章《肿瘤生物标志物在癌症诊断、预后和靶向治疗中应用（Tumor biomarkers for diagnosis, prognosis and targeted therapy）》。文章详细介绍了肿瘤生物标志物的历史、发现、发展以及它们在临床癌症管理中的应用。往期文章阐述了不同诊断技术在肿瘤诊断中的应用“诊断检测技术在肿瘤诊断、预后和治疗中应用”。

今天侧重探讨不同生物标志物的在肿瘤诊断和治疗中的意义和价值。

肿瘤生物标志物的分类

在血液中进行检测的肿瘤生物标志物

1. AFP (甲胎蛋白)：

• AFP位于4q25上AFP基因编码，是白蛋白基因超家族的成员。

• AFP目前是最广泛使用的肝癌肿瘤生物标志物。约80%的肝癌患者AFP升高。因此，AFP目前应用于肝癌筛查。AFP也用于肿瘤预后和治疗监测。

• AFP水平并非肝癌的完美诊断标准。约40%的早期肝癌患者表达正常或可接受的AFP水平。AFP水平升高也见于慢性肝病患者，包括约20%的肝炎患者和40%的肝硬化患者。

  
  

• CEA属于细胞表面的糖蛋白家族，其基因位于染色体19q。
• 作为广谱肿瘤生物标志物，CEA在70%的结直肠癌、55%的胰腺癌、50%的胃癌、45%的肺癌、40%的乳腺癌、40%的尿道癌和25%的卵巢癌患者中升高。
• CEA被应用于帮助癌症患者的诊断、确定预后、监测复发和评估治疗效果。在乳腺癌患者中，CEA是最常用的生物标志物之一，用于不同乳腺癌分子亚型的诊断、预后和生存预测。在结直肠癌患者中，CEA水平是有意义的预后和诊断生物标志物。

  
  

• 鳞状细胞癌抗原（SCCA）是一种肿瘤特异性抗原，最初，SCCA被用作宫颈癌的肿瘤生物标志物，并且在宫颈癌的独立诊断中具有很高的价值。
• 后续研究发现，除了宫颈癌外，SCCA也存在于口腔、咽部、食道、肺和其他组织的肿瘤中。特别是，在肺癌、食道癌和泌尿系统癌症等多种鳞癌中发现了高水平的SCCA，这表明了它在上述癌症的诊断和预后中的重要作用。
• 尽管SCCA在日常测试中的敏感性有限，但它仍然是癌症诊断和预后中有价值的生物标志物。
  
  

• 组织多肽特异性抗原（TPS）是CK18片段上的M3抗原决定簇。TPS在细胞周期的S和G2期合成，血清中的TPS水平特别表明细胞的增殖活性。
• 与其他肿瘤生物标志物不同，TPS的水平大多取决于增殖期细胞的数量而非肿瘤细胞的总数。
• TPS的血清水平在多种肿瘤中显著增加，因此，TPS被用作血清肿瘤生物标志物。
• 由于其缺乏敏感性和器官特异性，TPS的主要应用是监测治疗效果、预测肿瘤进展和复发，而不是诊断用途。
• 值得注意的是，TPS水平可以随着一些病理和生理条件的改变而改变，如慢性胰腺炎、肝硬化、排卵和绝经状态。
• 因此，TPS与其他预后因素结合使用是必要的，以提高血清TPS水平在预测患者预后和促进癌症患者治疗个体化中的临床使用。
  
  

• 前列腺特异性抗原（PSA），是一种由前列腺上皮细胞特异性分泌的丝氨酸蛋白激酶释放酶，由组织激肽释放酶家族成员3编码，是前列腺特异性基因。
• 血清PSA水平的升高代表了包括前列腺炎、良性前列腺增生和前列腺癌在内的前列腺病变。1986年，PSA被FDA批准作为50岁以上男性前列腺癌检测的辅助测试。随后，在1994年，PSA被FDA批准为诊断生物标志物。
  
  

• 神经元特异性烯醇化酶（NSE），是糖酵解过程中烯醇化酶基因超家族的成员。
• NSE在源自神经和神经内分泌的癌症的诊断、预后和治疗效果评估中发挥关键作用。此外，NSE的升高也见于具有神经内分泌特性的小细胞肺癌（SCLC）。
• 目前认为血清NSE是SCLC分期、治疗监测和预测复发的临床潜在生物标志物。
• 血清NSE水平是癌症治疗反应的预测生物标志物和独立的预后因素。
  
  

7. α-L-岩藻糖苷酶（AFU）

• AFU参与糖蛋白、糖脂和寡糖的代谢，在人体组织和血液中广泛分布。在正常情况下，血清AFU水平保持较低。然而，一旦肿瘤侵袭身体，血清AFU水平就会迅速增加，其水平与肿瘤阶段和大小密切相关。

• AFU是HCC检测中最有价值的生物标志物之一，具有85%的敏感性和91%的特异性。血清AFU对于判断HCC的治疗效果、预后和复发具有重要意义。

• 目前，AFU和AFP生物标志物的结合用于HCC的诊断，提高了诊断特异性，使肝癌高危人群如肝炎和肝硬化的诊断更加稳定和可靠。

  
  

• 是一种催化丙酮酸与乳酸以及NADH与NAD+之间可逆转移的酶，由两种不同的同工酶乳酸脱氢酶A（LDHA）和LDHB组成。
• 高水平的血清LDH与癌症起始细胞的增殖、增强的侵袭性和转移、癌症的不良预后以及放射和化疗抗性相关。
• 血清LDH水平被认为是黑色素瘤、肾细胞癌（RCC）和结直肠癌（CRC）患者预后不良和远处转移的主要预测指标。
• LDH是癌症诊断、疗效评估、复发和转移的有价值的指标。
  
  

• 血清CA72-4升高水平是对胃癌、胰腺癌、结直肠癌、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、宫颈癌和子宫内膜癌在内的癌症诊断的有效指标。特别是，CA72-4在消化系统肿瘤患者，尤其是胃癌患者中具有诊断价值，具有更高的敏感性和特异性。
• 血清CA72-4是胃癌筛查、诊断、转移和复发预测以及治疗效果评估的独特生物标志物。
  
  

• CA125是监测上皮性卵巢癌的最重要生物标志物之一，其在上皮性卵巢癌诊断中的敏感性约为70%。CA125在卵巢癌患者预后中的关键作用也得到了认可。
• 此外，CA125也是宫颈癌、子宫内膜癌和胃癌等非卵巢肿瘤的诊断和预后生物标志物。
  
  

• CA242的主要应用是作为结直肠癌和胰腺癌的生物标志物。
• CA242也用作胰腺癌化疗期间进展或复发的临床指标。
  
  

• 糖类抗原15-3（CA15-3，也称为粘液蛋白1）在大多数人类癌症中过度表达，被认为是癌症的关键生物标志物，尤其是表示癌症转移。
• CA15-3与CEA结合使用是乳腺癌诊断最流行的方法，CA15-3也是评估乳腺癌术后恢复、复发和转移的关键指标。
  
  

• 与CA15-3类似，糖类抗原27-29（CA27-29）是MUC1蛋白的一个关键表位。
• CA27-29在乳腺癌检测中的敏感性为84%，主要用于乳腺癌患者的诊断和疗效评估。此外，它也与其他标记物结合使用，以提高乳腺癌诊断的特异性。

• 糖类抗原50（CA50）它通常在正常组织中不存在，但在多种癌症中升高。患有胰腺癌、肺癌和结直肠癌的患者表现出最高的血清CA50水平。血清CA50在胰腺癌诊断中相当有效，敏感性超过84%。
• 血清CA50也在患有非肿瘤性疾病的患者中增加，如慢性胰腺炎、结肠炎、胆囊炎和肺炎。
  
  

• CA19-9是目前最常用和金标准的胰腺癌生物标志物，对胰腺癌诊断的中位敏感性为79%。
• CA19-9也被用作其他癌症的生物标志物，特别是消化道癌症。其他疾病，如肝损伤、胆管梗阻和炎症、胰腺炎、急性腹泻、胃溃疡和肺纤维化也与CA19-9水平升高有关。

• 人类附睾蛋白4（HE4），在气管、唾液腺、肺组织等中广泛表达，并且在卵巢癌、子宫内膜癌和肺癌中高度表达。
• 血清HE4主要用于卵巢癌的诊断和复发监测，敏感性为67%。
• HE4在其他非妇科恶性肿瘤中也过度表达，包括非小细胞肺癌、胰腺癌和移行细胞癌。
  
  

• Ferritin是铁储存和解毒的首要蛋白质。在评估癌症患者的进展和预后中很有价值。
• 然而，许多因素影响铁蛋白水平，铁蛋白对肿瘤检测的特异性有限，意味着它不是癌症的理想诊断标志物。
  
  

• 前列腺特异性抗原前体（p2PSA）是一种相对稳定的前PSA，并在早期前列腺癌的诊断中具有一定临床价值。

• 在滋养细胞肿瘤、卵巢癌、睾丸癌、乳腺癌、肺癌、肝细胞癌、结直肠癌和肾癌中观察到血清HCG水平升高。
• 尽管HCG水平可以用于监测疾病进展，但其水平过低，不能被视为诊断标志物。
  
  

• CAM17.1是一种对消化系统（胰腺、结肠、小肠和胆道）具有高特异性的粘液蛋白，如。CAM17.1是胰腺癌诊断的潜在生物标志物，但需要进一步的研究来证实。
  
  

• 维生素K缺乏或拮抗剂-II诱导蛋白（PIVKA-II）是主要用于早期肝癌的检测，其敏感性和特异性分别为97.5%和90%。
• 在其他肿瘤，如胃癌和胰腺癌中，PIVKA-II也在不同程度上升高。
• 除了能够区分其他非恶性状况，如肝硬化或慢性肝炎，血清PIVKA-II在早期肝癌的诊断中比AFP更准确。

• 胃泌素释放肽（GRP）在多种癌症中过度表达，包括62%的结直肠癌患者、59%的胰腺癌患者、60%的前列腺癌患者、39%的乳腺癌患者和74%的小细胞肺癌患者。
• 由于GRP半衰期短且不稳定，更适合检测其前体，前GRP。血清前GRP检测的敏感性为47%至86%，主要用于小细胞肺癌的诊断、疗效和预后分析，优于NSE。
• GRP和NSE的联合应用增加了小细胞肺癌检测的敏感性。

肿瘤组织来源的肿瘤生物标志物

• RAS蛋白属于GTP酶超家族，三个RAS基因（HRAS、NRAS和KRAS）编码四种高度同源的RAS蛋白：HRAS、NRAS、KRAS4A和KRAS4B，后两种KRAS亚型来自选择性剪接。
• RAS的激活与多种肿瘤表型相关，包括细胞周期进展、增殖、转移、抗凋亡，还参与肿瘤细胞中的多种代谢过程，如有氧运动酵解、谷氨酰胺代谢、氧化还原稳态和脂质代谢，以支持肿瘤生长。此外，RAS激活重塑了TME，包括启动和维持促血管生成、产生促炎因子和免疫逃逸。
• RAS突变是肿瘤发生和进展中一个重要因素。大约21%的所有恶性肿瘤存在RAS突变，包括结直肠癌、胰腺导管腺癌（PDAC）、肺腺癌和黑色素瘤。
• KRAS是三个RAS基因中迄今为止最常被放大和突变的RAS亚型，占所有RAS突变的85%。KRAS突变存在于88%的胰腺癌、50%的结直肠癌和32%的肺癌中。
• 从机制上讲，KRAS通过各种信号通路推动肿瘤的发展和进展。KRAS突变是肿瘤发生的最普遍驱动因素之一，其激活与肿瘤进展和不良预后相关。
  
  

• PI3K-AKT-mTOR途径在各种细胞过程中发挥重要作用，如细胞增殖、血管生成、蛋白质翻译和代谢重编程。
• 在癌细胞中，PI3K-AKT-mTOR信号通路通过酪氨酸激酶生长因子受体的刺激、PTEN功能的丧失和PIK3CA的突变而被异常激活，从而促进了各种人类癌症的肿瘤发生。
• TCGA数据库显示PIK3CA基因突变发生在各种癌症中，包括53%的子宫内膜癌、35%的乳腺癌、23%的宫颈癌、21%的胃癌、20%的头颈癌、20%的结直肠癌、15%的肺癌和10%的胶质母细胞瘤。

• PIK3CA突变、PTEN缺失和pAKT激活是肿瘤治疗效果的预测生物标志物。

• RAS-RAF-MEK-ERK途径参与调节关键过程，如细胞增殖、分化、迁移和凋亡，可被生长因子、细胞因子、整合素和趋化因子受体激活。活性RAS与RAF激酶结合，导致RAF二聚体化和激活。
• RAF蛋白具有三种亚型，包括BRAF、CRAF和ARAF，它们在调节域和激酶域有保守区域，其中ARAF表现出最低的激酶活性。
• RAF-MEK-ERK信号通路的异常，特别是突变，导致细胞增殖的异常。RAF-MEK-ERK信号级联在肿瘤进展中作为重要的生物标志物发挥作用。
  
  

• PTEN在1997年被发现为一种肿瘤抑制因子，并且是第一个被证明具有肿瘤抑制效应的磷酸酶。
• PTEN在细胞的上皮-间质转化（EMT）、迁移和侵袭、葡萄糖和脂质代谢、细胞周期、DNA修复、基因组稳定性和基因转录中发挥酶性和非酶性效应。
• PTEN的功能和表达在多种癌症中经常发生改变。PTEN缺失与癌症患者的OS和DFS较短强烈相关。

二、逃避生长抑制因子：除了诱导和维持生长刺激信号外，肿瘤细胞还避免强大的程序来逃避生长限制和阻断，这主要依赖于肿瘤抑制基因的作用。

1. Rb

• Rb基因的改变或Rb蛋白的失活是癌症中最常见的事件之一。

• Rb的失活导致细胞分裂异常、细胞周期退出缺陷、细胞衰老诱导受损和细胞周期检查点控制受损。

• Rb在肿瘤细胞中的功能受到多种方式的破坏，包括Rb基因突变、Rb蛋白水解、Rb-E2F相互作用消除和CDK的过度激活。因此，Rb调节失常作为癌症中的预后生物标志物。

2. TP53

• TP53通常被称为“基因组的守护者”，是一种编码p53肿瘤抑制蛋白的基因。在人类肿瘤中，TP53是最常见的突变基因，约有50%的肿瘤携带TP53的突变或缺失。除了突变或缺失外，肿瘤可能由于其他机制而失去p53的功能。
• TP53的表达和功能丧失或获得功能与预后不良、免疫逃逸和抗癌药物抗性相关。因此，TP53可以作为有效的预测生物标志物，用于评估各种癌症的预后和监测治疗反应。
• 国际癌症研究机构数据库的超过29,000例分析显示，TP53突变是潜在的预后生物标志物，并可用于提高癌症患者OS和DFS的预测准确性。

三、实现永久的复制：正常细胞由于其反复的分裂周期而经历衰老，而肿瘤细胞能够无限复制，这种现象被称为不朽化。

1.端粒酶：

• 端粒是位于染色体末端的重复DNA-蛋白质复合体。正常细胞中的端粒随着持续的细胞分裂逐渐缩短，最终无法保护染色体DNA的末端，从而引发DNA损伤、细胞衰老和凋亡。因此，端粒的长度与细胞寿命密切相关。

• 端粒酶是一种DNA聚合酶，通过向端粒DNA末端添加端粒重复片段来维持端粒长度，从而补偿持续细胞分裂中染色体末端的磨损。在临床实践中，端粒酶水平高的癌症患者的预后比端粒酶水平低的患者更差。端粒酶水平高的癌症患者有更高的疾病复发和死亡风险。

• 端粒酶是癌症患者OS的独立预后生物标志物。此外，端粒的非酶功能促进癌细胞增殖和抗凋亡能力，调节染色质结构，损害DNA损伤修复，并增加抗氧化蛋白表达，尽管详细机制尚待阐明。

• 1989年，Ferrara分离出VEGF并将其重命名为血管内皮生长因子。VEGF是肝素结合的同源二聚体糖蛋白，其家族包括VEGF-A（通常称为VEGF）、VEGF-B、VEGF-C、VEGF-D、VEGF-E、VEGF-F和胎盘生长因子（PlGF）。
• VEGF水平与肿瘤的侵袭性相关。各种癌症患者的血浆VEGF水平升高，并与肿瘤预后负相关。此外，VEGF水平用于预测癌症患者口服酪氨酸激酶抑制剂（TKIs）的疗效。
• 循环VEGF和VEGFR-2被用作预测预后和抗血管生成药物疗效的关键生物标志物。
  
  

2. FGF

• 成纤维细胞生长因子（FGF）是一种分泌型糖蛋白，参与器官发生、血管生成和伤口修复的调节。

• FGF与其靶细胞表面的跨膜FGF受体（FGFR）高度亲和结合。FGFR在广泛的细胞中广泛表达，特别是内皮细胞。异常的FGF信号通过促进肿瘤血管生成加速肿瘤增殖。

• 血小板衍生生长因子（PDGFs）是血小板激活时以自分泌方式分泌的α-颗粒组分，是肿瘤血管生成的关键促血管生成因子。
• PDGFs及其受体在多种癌症中广泛表达。
• PDGF-A水平的高表达与癌症患者的转移复发风险独立且呈负相关。PDGF-D的水平与晚期肿瘤和骨转移的发展相关。PDGFR-β的高表达与前列腺癌复发独立相关。
  
  

• 内在途径由B细胞白血病或淋巴瘤基因2（BCL-2）家族控制。
• 外在凋亡途径是通过促凋亡死亡受体启动的，包括Fas、肿瘤坏死因子受体（TNFR）家族如TNFR1、TNFR2和TRAIL受体DR4和DR5。
• 癌症治疗的潜在策略是针对促凋亡和抗凋亡蛋白以诱导凋亡。

• BCL-2家族蛋白具有四个保守的BCL-2同源（BH）结构域（BH1、2、3和4），可以根据蛋白的同源性和功能分为三个亚家族：抗凋亡BCL-2家族成员（如BCL-2和BCL-XL）、多BH结构域促凋亡成员，如BCL-2相关X蛋白（BAX）和BCL-2拮抗剂/杀手（BAK），以及促凋亡“BH3-only”蛋白，如BCL-2相互作用的细胞死亡介质（BIM）和PUMA。
• BCL-2是第一个被确认的凋亡调节因子，它在人类滤泡性淋巴瘤癌蛋白中的染色体易位中被激活。
• BCL-XL蛋白定位于线粒体，是BCL-2蛋白家族中第一个三维结构被确认的蛋白。

• "BH3-only"蛋白可以分为激活剂和敏化剂。BH3蛋白的激活剂，如BIM、BID，通过直接诱导BAX和BAK寡聚化和细胞色素c释放来启动凋亡。然而，敏化剂BH3蛋白，如BAD和BIK，通过结合抗凋亡BCL-2家族成员，而不是直接激活BAX或BAK，发挥促凋亡功能。

• BCL-2可以驱动肿瘤转化，阻碍凋亡，并增加肿瘤细胞存活。BCL-XL的高表达通过诱导凋亡抵抗参与肿瘤细胞侵袭、维持肿瘤干细胞表型、血管生成和转移。

• BCL-2和/或BCL-XL的过度表达可能有助于各种肿瘤的肿瘤进展和化疗药物的抗性。

  
  

  
  

• BAX是一种细胞质膜蛋白，作为凋亡过程的关键调节因子，通过抑制BCL-2和BCL-XL或直接触发凋亡途径来刺激凋亡。

• BAX的下调和突变对于凋亡抵抗至关重要，BAX作为包括胃癌、食管癌和结直肠癌在内的多种癌症的潜在预后和预测生物标志物。BAK是预测晚期胃癌患者对多西他赛疗效的治疗效应的预测和预后生物标志物。
• BAX-BAK异二聚体也被用作MCL1抑制剂的靶向药物作用的药效生物标志物。
  
  

• Beclin 1被鉴定为在1988年的酵母双杂交筛选中的BCL-2相互作用因子。Beclin 1包含一个对其自噬和肿瘤抑制功能至关重要的富含亮氨酸的核出口信号。
• 尽管需要进一步研究以确定其在不同癌症中的具体机制，但Beclin 1可能作为癌症的有效预后指标和治疗靶点。

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• 微管相关蛋白1轻链3B（LC3B或MAP1LC3B）是一个经典的自噬标记，通过蛋白酶在C末端裂解形成游离的LC3B-I，LC3B-I与PE结合形成膜结合的LC3B-II在自噬发生时。
• LC3B表达水平的升高与多种肿瘤的侵袭性进展和不良预后密切相关，是癌症管理中有意义的预后生物标志物。

• ULK1，一种保守的Ser/Thr激酶，在自噬诱导中发挥关键作用。ULK-1的高表达与多种肿瘤的不良预后相关，
  
  

• p62（也称为sequestosome-1，SQSTM 1）最初被鉴定为非典型蛋白激酶C（aPKC）相互作用蛋白。作为自噬流检测的标记，p62的积累通常代表自噬的抑制。
• p62的上调或降解减少与肿瘤进展和抗癌药物抗性相关。p62表达水平的升高与癌症的侵袭性和不良预后相关。
  
  

三）坏死：坏死是一种程序性坏死细胞死亡类型，坏死细胞的共同形态特征包括适度的染色质凝聚、细胞质器官肿胀和细胞膜破裂。发现识别坏死和坏死分子机制的生物标志物使得基于坏死的抗肿瘤治疗的发展成为可能。

• 丝氨酸/苏氨酸激酶RIPK1是坏死的关键调节因子，RIPK3是RIPK1的下游调节因子。RIPK1-RIPK3-MLKL复合体，也称为“坏死体”，介导上游细胞死亡受体和下游信号。
• RIPK3在各种癌细胞中的表达被发现降低，包括乳腺癌、黑色素瘤、肺癌和结直肠癌。RIPK3是肿瘤的潜在预后生物标志物，尽管其作用需要逐案分析。
  
  

• MLKL是坏死执行的关键因素，是癌症患者治疗反应和不良预后的重要决定因素。
• MLKL表达水平的降低与胃癌、卵巢癌、宫颈鳞状细胞癌、结直肠癌和胰腺癌患者的OS降低显著相关。此外，在接受辅助化疗的切除胰腺癌患者中，MLKL表达水平的降低与RFS降低有关。因此，MLKL已成为早期切除胰腺癌患者的预后生物标志物。然而，MLKL水平的升高与结直肠癌和食管癌患者的不良预后相关。

六、侵袭和转移的激活：肿瘤转移是从原发肿瘤到远处组织和器官的级联过程。

肿瘤转移分为多个步骤：

1）肿瘤细胞侵入细胞外基质（ECM）和周围基质；

2）肿瘤细胞直接进入血液或淋巴系统；

3）肿瘤细胞在循环中存活；

4）肿瘤细胞在循环中停滞并到达远处器官部位；

5）肿瘤细胞渗出并侵入远处组织的实质；

6）在微环境中存活并生长形成转移性定植。

激活的侵袭和转移被公认为肿瘤标志之一，识别转移生物标志物有助于在临床实践中检测最初的肿瘤转移或复发，从而改善癌症患者的潜在治疗和管理策略。

• 钙粘蛋白是至少80种特定类型的粘附分子的超家族，其特征是能够形成钙依赖性的细胞间同源结合，参与调节肿瘤细胞识别、肿瘤抑制和组织形态发生。常见的家族成员包括上皮 E-cadherin、神经N-cadherin 和 胎盘P-cadherin。
• E-cadherin是一种同源细胞-细胞粘附分子，是一种在上皮细胞中表达的I型钙粘蛋白。
• E-cadherin与肿瘤患者的病理和临床特征密切相关，如分化程度、侵袭性、静脉渗透、腹膜播种、浸润性生长、肝脏和骨转移、淋巴结转移、肿瘤分期和不良预后。E-cadherin的缺失或下调促进肿瘤侵袭、浸润性生长和去分化。
  
  

• EMT是将极化的非运动上皮细胞转化为运动和侵袭性间充质细胞的基本胚胎发育的过程。在肿瘤细胞中，EMT促进肿瘤细胞侵袭和转移，诱导癌症干细胞（CSC）干性、化疗抗性、免疫逃逸和细胞代谢重编程，并抑制衰老。
• EMT转录因子还调节肿瘤细胞的促生存表型，如参与肿瘤细胞DNA修复、逃避衰老和凋亡、免疫逃逸，为肿瘤细胞在各种应激条件下提供生存优势。总之，EMT转录因子被认为是临床实践中肿瘤侵袭性和转移的预后生物标志物。
  
  

• Twist1/2是高度保守的基本螺旋-环-螺旋转录因子，是胚胎形态发生的关键调节因子。
• Twist1过表达已被证实与癌症患者的侵袭性和转移相关，Twist是肿瘤预后和转移的有意义的生物标志物。
  
  

4. Snail

• Snail对细胞中胚层形成至关重要。在癌细胞中，Snail通过其C末端结构域结合到Snail相关基因的E盒基序（CAGGTG），作为转录抑制因子，从而抑制目标基因的转录。

• Snail过表达与乳腺癌、结直肠癌和肝癌患者的不良预后相关。Snail表达在上尿路尿路上皮癌患者中显著更高，这些患者处于高阶段、高分级和显著的淋巴血管侵犯。

• Slug，作为蜗牛家族的成员，对上皮-间质转化（EMT）也有显著的影响。Slug的表达是结直肠癌（CRC）661和食管鳞癌（SCC）患者生存不良的独立预后生物标志物。

5. ZEB1/2

• ZEB1和ZEB2，是ZEB转录因子家族的成员，由ZFHX1a和ZFHX1b基因编码。

• ZEB1的过度表达与胰腺癌、乳腺肿瘤显著相关；ZEB1的异常表达与多种肿瘤的进展和转移有关，包括子宫癌、骨肉瘤、肺癌、肝癌和胃癌，这揭示了ZEB1在EMT诱导和肿瘤发展中的重要性。

• ZEB2的过度表达阻断了E-钙粘蛋白蛋白介导的细胞间粘附，并促进了肿瘤细胞的转移。

6. HGF/c-MET

• c-MET，也被称为RTK Met；肝细胞生长因子（HGF）是已知唯一的c-MET配体，HGF诱导c-MET二聚体形成，并磷酸化c-MET残基Y1349/1356，随后激活包括ERK1/2、p38/MAPK和PI3K-AKT在内的多种下游信号通路，最终促进细胞增殖和存活。

• 肿瘤细胞中HGF/c-MET的异常表达，包括MET扩增和突变、c-MET转录调控异常、降解不足和异常HGF产生，与肿瘤进展密切相关。

• c-MET激活增强了肿瘤形成性、侵袭性和转移性。680,681 HGF/c-MET的高表达在多种癌症中被发现，并与癌症患者的不良预后密切相关。c-MET/HGF过度表达是各种血液和实体肿瘤患者不良预后和药物抗性的独立生物标志物。

  
  

7. N-cadherin

• N-cadherin，也称为Cadherin 2或CDH2

• N-cadherin在各种肿瘤中高度表达，包括黑色素瘤、神经母细胞瘤、乳腺癌、尿路上皮癌、卵巢癌和多发性骨髓瘤。

8. MMPs

• 基质蛋白酶，是高度保守的锌依赖性内肽酶，属于metzincin超家族。

• 在不同的肿瘤中观察到MMPs的上调，如乳腺癌、结直肠癌、胃癌、食管癌、膀胱癌和肺癌，这增加了肿瘤转移并促进了细胞侵袭。

七、基因组不稳定和突变：DNA是一种相对稳定的有机分子，基因组维持系统监控并解决受损的DNA，从而确保细胞内低突变频率。在肿瘤发展过程中，癌细胞通过损害基因组完整性或强迫基因受损的细胞衰老或凋亡，诱导突变加速积累。DNA损伤反应（DDR）通过调节细胞周期检查点和其他全局细胞反应来协调DNA修复。由DDR缺陷引起的基因组不稳定性和突变是癌症的重要特征。

1. PARP

• DNA单链断裂（SSB）或单链缺口主要由PARP1或PARP2识别，它们催化聚（ADP-核糖）（PAR）链的形成，这些链在它们自己和邻近的靶蛋白上形成。

• 特别是，PARP抑制剂已被证明可以阻断SSB修复途径，并在具有同源重组（HR）缺陷的癌症中触发合成致死性，这导致DNA双链断裂（DSB）修复受损。

  
  

2. BRCA1/2

• BRCA1/2通过防止核酸酶降解新生DNA和促进HR修复断裂的复制叉来调节DNA复制。

• BRCA1/2功能的丧失导致DNA损伤和基因组变化的积累，包括插入、删除和染色体重排，最终损害基因组完整性并促进肿瘤形成。

• BRCA1/2缺陷细胞对PARP抑制高度敏感，这是由于抑制PARP依赖的SSB修复导致在复制期间DNA损伤（SSBs和DSBs）的积累。

• 总之，BRCA1/2作为癌症预后和治疗反应的生物标志物。

  
  

3. ATR-CHK1/ATM-CHK2

• 共济失调毛细血管扩张突变（ATM）是一种激酶，负责协调细胞对DSB和复制压力的反应，包括DNA修复、检查点激活、凋亡、衰老、染色质结构变化和转录。

• 共济失调毛细血管扩张和Rad3相关蛋白（ATR），是细胞复制压力反应的重要调节器，参与细胞周期停滞、抑制复制起点的开始、调节全局叉速度和促进叉稳定。

• ATM经常在多种肿瘤中发生突变或失活；ATM缺乏也使癌细胞对拓扑异构酶I抑制剂或PARP抑制剂敏感。

八、肿瘤促炎症作用：肿瘤细胞通过操纵炎症机制促进自身的生长和存活。在天然和适应性免疫的正常炎症反应过程中，免疫细胞执行其吞噬和/或摧毁外来入侵者的指定任务。在复杂的肿瘤微环境中，相同的抗感染免疫细胞可被肿瘤细胞破坏。炎症相关调节因子是潜在的肿瘤预后生物标志物。

• TNF-α是多功能TNF超家族的重要成员，作为关键分子介导肿瘤促进炎症过程。
• TNF-α通过促进炎症基因表达直接驱动炎症，或通过触发炎症免疫反应和调节细胞死亡间接驱动炎症。
• TNF-α水平在各种癌前病变中异常升高，也在多种恶性肿瘤的肿瘤和基质中过度表达。TNF-α是连接炎症和肿瘤发生的的关键调节因子，它可能作为肿瘤炎症的有前途的预后和治疗生物标志物。

• 作为炎症的关键调节因子，NF-κB在各种血液和实体肿瘤中被激活，并与肿瘤发展密切相关。
• NF-κB在TME中也发挥重要作用。激活的NF-κB通过上调趋化因子来招募免疫反应细胞、炎症细胞和癌症相关成纤维细胞的前体，从而启动和维持TME。NF-κB通过诱导EMT转录因子调节EMT转变。
• NF-κB是癌症中肿瘤炎症的预后生物标志物。

• NLRP3属于NLR蛋白家族，是最有特征的炎症体之一。
• NLRP3炎症体的失调与不同癌症的发展密切相关。高NLRP3水平与癌症的晚期、远处转移和血管侵犯相关。发现NLRP3炎症体通过调节细胞周期蛋白促进癌细胞分化，并诱导IL-1β的产生，通过与其受体结合激活NF-κB，最终导致胃癌的增殖和侵袭。

• NLRP3炎症体激活导致炎症反应，促进癌症的发展和进展，NLRP3可作为肿瘤的预后和治疗生物标志物。

九、细胞代谢失调：肿瘤细胞通过将能量代谢主要限制在糖酵解上来重新编程葡萄糖代谢，即使在有氧条件下也是如此，从而重新编程能量产生。癌细胞中能量代谢的广泛变化被认为是癌症的重要标志。

1. GLUT1

• 跨膜葡萄糖转运蛋白1（GLUT1，也称为SLC2A1）是主要的葡萄糖转运蛋白；

• GLUT1在肿瘤细胞中的表达显著上调。GLUT1的过度表达是多种癌症预后不良的重要生物标志物，GLUT1是肿瘤葡萄糖代谢的重要靶标，它可以作为肿瘤的诊断生物标志物。

  
  

2. IDH1/2

• 异柠檬酸脱氢酶1（IDH1）定位于过氧化物酶体和细胞质溶酶体，而异柠檬酸脱氢酶2（IDH2）定位于线粒体。

• IDH1/2突变是肿瘤代谢的有意义的诊断生物标志物。

  
  

3. HK2

• HK2是己糖激酶家族中最活跃的同工酶。

• 除了在肌肉和心脏中表达外，HK2已在各种癌症中得到评估，并且是由HIF-1和MYC单独或协同诱导的。HK2下调抑制肿瘤发生。HK2是有意义的肿瘤预后生物标志物和潜在的肿瘤治疗靶标。

十、逃避免疫清除：癌细胞通过破坏免疫系统产生免疫逃逸，最终促进肿瘤进展、播散和转移。

• PD-1和PD-L1（PD-1的配体）参与癌细胞逃避免疫系统。活化的PD-1/PD-L1信号负向调节外围组织的T细胞介导的免疫反应，从而限制效应T细胞反应并保护组织免受损伤。
• PD-1在TME中的信号促进肿瘤进展和存活，通过逃避肿瘤免疫监视。PD-1在许多类型的癌症中的肿瘤浸润淋巴细胞中高度表达。
• PD-L1在不同类型的肿瘤细胞上表达，阻断PD-1/PD-L1相互作用的免疫检查点抑制剂有效地延长了各种癌症患者的生存期，是很有前途的癌症治疗。
• PD-1/PD-L1表达可以用作癌症的预测和预后生物标志物。

• 细胞毒性T淋巴细胞抗原4（CTLA-4，也称为群簇分化152，CD152）是激活的T细胞表面的受体。CTLA-4是激活的T细胞中常见的抑制性检查点，已被发现是治疗癌症的最可靠靶标。
• 然而，CTLA-4表达与不同癌症患者预后之间的相关性是有争议的，其正面或负面效应取决于特定的癌症条件。

十一、解锁表型可塑性：细胞发展和器官形成伴随着终端分化，大多数情况下会产生抗增殖结果并抑制肿瘤形成。

1. 肿瘤细胞分化受多种因素调节

• 肝脏富集转录因子是肝细胞分化的关键调节器，对于维持肝细胞表型和功能至关重要；

• 非编码单链RNA microRNAs参与基因表达的转录后调节，与肿瘤去分化密切相关。

• miRNAs的表达与HCC的分化程度呈负相关。

• 已确定与分化相关的基因，如HMGCS2、BDH1、ALDH2、PIPOX、HAO1、AQP9和PAH，可以预测多种癌症的生存和不良预后。

• 与分化相关的因素可以作为癌症的诊断和预后生物标志物。

十二、非突变表观遗传重编程：通过纯粹的表观遗传调控发生的基因表达变化过程称为“非突变表观遗传重编程”，这与基因组DNA不稳定和突变机制不同。包括DNA甲基化、组蛋白修饰、染色质重塑和非编码RNA在内的表观遗传改变有助于肿瘤进展过程中的签名能力。

1.DNA甲基化

• DNA甲基化是一种化学修饰，对基于染色质的转录调控、表观遗传基因表达、基因组稳定性、DNA修复和复制起关键作用。

• DNA甲基化主要由三种DNA甲基转移酶（DNMTs）催化，DNMT1、DNMT3A和DNMT3B。DNA甲基化可能导致肿瘤抑制基因沉默、细胞周期失调、DNA修复以及染色体稳定性基因的失调，导致肿瘤细胞基因组不稳定。

• 主要在中心粒、端粒、非活性X染色体和重复甲基化区域发生的DNA甲基化，在70%的哺乳动物启动子CpG岛中发生改变，这些对基因转录调控和肿瘤恶性转化至关重要。发现5-10%的CpG启动子岛在各种癌症基因组中异常甲基化。

• 作为肿瘤诊断、预后和预测的有前途的生物标志物，DNA甲基化具有许多优点：在癌症早期频繁发生DNA甲基化，成熟的检测技术，固定样本中DNA甲基化的稳定性好，存在于各种体液和细胞类型特异性中。

• 总之，癌症中的DNA甲基化是肿瘤管理的临床有价值的生物标志物。

• 组蛋白在氨基末端尾部的修饰，如乙酰化、甲基化、磷酸化和泛素化，可以改变染色质凝聚状态和DNA可及性，随后干扰基因表达。
• 组蛋白修饰是一个动态过程，由写入者控制，如组蛋白乙酰转移酶（HATs）、组蛋白甲基转移酶（HMTs）、开放阅读框如含有溴结构域的蛋白质，以及擦除如组蛋白去乙酰化酶（HDACs）和赖氨酸去甲基化酶。
• HATs：赖氨酸残基的Nε-乙酰化是一种主要的组蛋白修饰，涉及基因转录、染色质结构和DNA修复的调节。HATs参与了许多实体瘤和血液系统恶性肿瘤的发生，它们的表达水平在肿瘤进展过程中发生了变化。
• HMTs：组蛋白在精氨酸、赖氨酸和组氨酸残基的侧链上发生甲基化，它们的甲基化不会改变分子的总电荷。组蛋白甲基化最典型的位点是赖氨酸残基的单甲基化、二甲基化或三甲基化，包括H3K4、H3K9、H3K27、H3K36、H3K79和H4K20。其中，H3K4、H3K36和H3K79与真染色质中的活性基因相关，而H3K9、H3K27和H4K2与基因组的异染色质区域相关。
• KMTs：是针对特定赖氨酸残基的特异性酶，包括EZH2家族的成员。EZH2过度表达与前列腺癌和乳腺癌的不良预后强烈相关。在髓系恶性肿瘤和T细胞急性淋巴细胞性白血病（T-ALL）中，EZH2基因的功能丧失突变也导致不良预后。
• HDACs：HDACs的抑制诱导肿瘤细胞的生长停滞、分化和凋亡。研究表明HDACs通常与肿瘤的不良预后相关。

• HDMTs：HDMTs参与了乳腺癌、PDAC和其他肿瘤发生过程的发展。

• 幽门螺杆菌已被世界卫生组织确定为一类致癌物，它与胃癌和粘膜相关淋巴组织相关。
• 结直肠癌是肠道微生物群失调促进癌症发展的典型案例，例如具核梭杆菌 （F. nucleatum）、厌氧消化链球菌（Peptostreptococcus Anaerobius）等。
• 口腔常见病原细菌包括链球菌（Streptococcus anginosus）、韦荣球菌(Veillonella）、具核梭杆菌和普氏菌（P. gingivalis），它们参与了几种消化系统癌症。
• 某些微生物群可以通过刺激慢性炎症反应来致癌，也可以通过利用各种毒力因子改变关键的细胞内信号通路并攻击胃粘膜。
• 微生物群对癌症的发展至关重要，微生物群可以作为肿瘤的潜在生物标志物。

  
  

• SASP通过促炎转录因子NF-kB或依赖于表观遗传变化的转录过程介导。
• SASP在肿瘤发生中发挥双刃剑效应，可能对肿瘤发生有益或有害。一方面，SASP通过维持衰老程序、永久阻止正常细胞的肿瘤转化，并招募免疫细胞从生物体中清除受损或表达癌基因的细胞，表现出抑制肿瘤的效应。另一方面，一些SASP因子是致癌的。

• Lamins是中间丝蛋白，位于核膜的内表面，有助于核的大小、形状和稳定性。
• 大多数癌症类型的肿瘤组织中广泛观察到lamin B1的上调表达。高水平的lamin B1表达预示着癌症患者的OS和DFS不良。
• 总之，lamin B1的缺失是与衰老相关的生物标志物。

  
  

  液体活检肿瘤生物标志物

液体活检已成为通过最小侵入性检测生物流体（如血液、唾液、尿液、胸腔积液和腹水）进行癌症诊断、实时监测和预后的关键策略。液体活检肿瘤诊断生物标志物，包括循环肿瘤DNA、循环肿瘤细胞和外泌体，都是有效的监测工具，用于肿瘤诊断和治疗。

1. ctDNA：

• 细胞释放到循环中的裸DNA分子被称为ctDNA，已成为预测对靶向治疗和免疫治疗的反应、指导临床抗癌治疗的重要生物标志物。

• 血浆ctDNA指的是肿瘤衍生的DNA片段，包括血浆cfDNA、来自造血细胞死亡的循环DNA。由于血浆ctDNA含量不到0.01%884，其半衰期非常短，血浆ctDNA水平允许通过连续采样进行肿瘤演变的实时动态评估，并代表患者内和患者间变异性，以指导临床药物使用。此外，血浆ctDNA捕获肿瘤异质性，并有效反映来自多个转移部位的DNA脱落。
• ctDNA分析用于临床实时监测各种肿瘤的治疗反应。
  
  

• 这是一种从原发性或转移性肿瘤部位脱落进入血液循环的细胞。
• CTC特征定义为大于4 μm的有核循环细胞，表达上皮细胞蛋白（EpCAM）和CK8、18和19，而不表达白细胞特异性抗原（CD45）。
• CTCs作为临床管理转移性癌症患者和实施精准医疗的生物标志物具有重要意义。

• CTC分析是监测癌症进展和预后的临床相关非侵入性工具，深入探索转移性癌症的生物学，并有潜力促进癌症的个性化精准治疗。当然，未来无疑需要解决的困难，包括CTC靶向方法的效率因癌症类型而异，需要大型患者队列来阐述CTC应用中的论点。

  
  

• 外泌体已被证明参与癌症的发展、血管生成、转移和治疗抗性，并且可以作为肿瘤患者诊断和预后生物标志物。
• 作为癌细胞和TME基质细胞之间的外泌体货物交换，多种癌细胞的外泌体可以有效地调节TME血管生成和转移部位的细胞外基质重塑，从而增强肿瘤生长和转移。
• 癌细胞分泌的外泌体可以通过与药物直接相互作用并降低其抗肿瘤效果，或通过调节TEM细胞来源的外泌体中的癌细胞基因表达，使细胞受益于生存。
• 外泌体作为癌症的液体活检诊断生物标志具有许多优点。
  1）收集样本容易且方便：外泌体可以由所有类型的细胞分泌，并存在于各种生物流体中，如血液、尿液、精液、唾液、羊水、脑脊液、腹水、眼泪和母乳。
  2）靶向性：外泌体可以揭示来自亲代细胞的特定蛋白质，并针对细胞，这隔离了起源特异性外泌体并预测器官特异性转移。

  3）样本需求量低：外泌体的浓度高于其他液体活检生物标志物，如CTCs，从而减少了样本收集量。

  4）稳定：与其他液体活检生物标志物（如ctDNA）相比，外泌体高度稳定，后者在血液中迅速降解。

• 外泌体是早期诊断、预后预测和癌症治疗评估的有价值的生物标志物。

参考文献：

1. Tumor biomarkers for diagnosis, prognosis and targeted therapy，Signal Transduction and Targeted Therapy (2024)9:132 ;https://doi.org/10.1038/s41392-024-01823-2

   
   

   
   

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