癌症研究是医学研究领域的皇冠明珠，同时也是生物材料研究的母题。Nature Genetics 和 Nature Medicine 曾联合发表了“Nature Milestones in Cancer”一文，总结了近20年来癌症研究旅程中的14个重要的里程碑事件，以展示在理解癌症和开发新疗法方面取得的重大进展。
在下面的内容里，我们也一一汇总了这些里程碑事件，希望这些突破性事件能激发人们对癌症研究的乐观情绪，并积极开发新的方法来攻克癌症。
到千年之交，已经开发出选择性靶向驱动基因的药物。例如，酪氨酸激酶抑制剂，如伊马替尼，已被证明可以通过靶向BCR-ABL（一种具有组成型酪氨酸激酶活性的融合基因），使晚期慢性粒细胞白血病（CML）患者持续缓解。不幸的是，后来的研究发现了EGFR突变在肺癌中对吉非替尼产生耐药性，这同时也阐明了癌症的几个重要方面。一方面，这些数据表明癌症是一个进化过程：在强大的选择性压力下，具有适应能力的细胞将占据主导地位，从而克服不利的环境。这些细胞实际上可能已经存在于最初的肿瘤中，即使是看似同质的癌症也可能包含基因异质的群体，这些群体在与治疗的“军备竞赛”中具有优势。此外，阻力可以通过明显不同但功能趋同的方法来实现。另一方面，这些研究也揭示了癌症的一个关键特征：某些基因和突变仍然是肿瘤生长和存活的重要驱动因素。因此，了解和靶向这些核心驱动因素仍然是一项重要的临床策略。
肿瘤学家早就意识到癌症细胞通过血液传播，并在2000年代初就致力于开发可靠和敏感检测癌症细胞及其体液成分的技术。研究发现，在开始全身治疗之前，患有转移性乳腺癌症的女性血液中循环上皮细胞的数量明显高于未患癌症或患有良性乳腺疾病的女性。这项研究首次证明了循环肿瘤细胞计数对癌症患者分层的临床相关性。随后的研究探索了更具体的方法来鉴定血液中是否存在肿瘤衍生物质，例如检测循环肿瘤细胞（CTC）中的肿瘤相关突变。
为了克服与从CTC中纯化DNA相关的技术挑战，人们已经专注于改进从人类血液无细胞部分提取的DNA中体细胞突变的检测。通过对癌症患者队列中肿瘤突变的敏感检测，人们发现接受完全手术切除或化疗的患者血液样本中循环肿瘤DNA（ctDNA）水平的突然下降。此外，ctDNA水平无法检测到而非可检测到的患者的疾病复发率明显较低，从而为使用ctDNA分析作为肿瘤生物标志物的潜在价值提供了第一个证据。来自循环肿瘤物质分析的各种临床应用最终创造了“液体活检”一词。后来的观察结果证实，癌症细胞和癌症衍生的DNA可以在疾病进展的任何阶段进入血液，从而引起人们对液体活检在早期癌症检测中的作用的新关注。该领域的下一个挑战之一是将液体活检纳入癌症常规筛查方案，以促进癌症的早期诊断。
癌症预防策略理论上很有吸引力，但由于大多数癌症的多因素发病机制，通常很难实施。2002年发表了针对HPV-16的VLP衍生疫苗的首次HPV疫苗临床试验结果。2004年11月发表的另一项试验首次证明了HPV疫苗接种可能降低宫颈癌症风险：发现16和18型HPV的二价疫苗Cervarix可将相关宫颈异常的风险从4.9%降低到0.4%。而越来越多的研究表示，男性也可接种HPV疫苗：接种疫苗的男性有可能防止将HPV传播给任何性伴侣，此外，接种疫苗可能会对其他HPV阳性癌症提供一些保护，包括阴茎、口咽、口腔/喉部和肛门的癌症。尽管取得了这些明显的成功，但HPV疫苗接种的潜力才刚刚开始实现。许多经济发达国家仍然缺乏普遍的HPV疫苗接种计划，疫苗的可用性往往仅限于卫生中心，而不是学校和其他社区环境。公众对疫苗的不信任加剧可能会对疫苗的实施带来进一步的挑战。
当两个基因的共同突变杀死细胞时，就会产生合成致死性。当合成致死性的概念被应用于癌症研究，最终导致新疗法的诞生。已知快速分裂的细胞容易受到药物诱导的DNA损伤，这表明DNA-repair抑制剂可能选择性地杀死癌症细胞。也就是说，DNA对聚（ADP）-核糖聚合酶（PARP）酶抑制剂已被证明与DNA损伤剂联合使用比单独使用更有效地杀死癌症细胞。具有里程碑意义的研究表明，DNA对肿瘤抑制基因BRCA1和BRCA2突变的人类癌症细胞对PARP抑制剂选择性敏感。碱基切除修复酶PARP1的缺失会增加DNA损伤，如折叠的复制叉，这些损伤通常可以通过同源重组（HR）修复。因此，参与HR的BRCA1或BRCA2缺陷可能会因PARP1或PARP抑制的丧失而导致合成致命性。由此，PARP抑制剂奥拉帕尼成为欧洲药品管理局（EMA）和美国食品药品监督管理局（FDA）批准的第一种靶向治疗具有种系BRCA1/2突变的癌症患者的药物。
细胞衰老可以作为过度增殖的突破口，提供初始屏障，最终保护细胞免受肿瘤发生。细胞衰老是由内在的有丝分裂计数器（复制性衰老）或外在因素引起的，如细胞复制史上任何时候的氧化应激或DNA损伤（早衰）。后者也可以由活化的癌基因驱动，如RAS家族中的癌基因，更为人所知的是癌基因诱导的衰老（OIS）。研究表明，当肿瘤抑制因子PTEN丢失时，p53在体外和体内对癌前前列腺组织中的OIS至关重要。p53和PTEN的缺失抑制了对前列腺癌症发展的任何保护，但这种类型的诱导衰老通过p53调节因子的缺失而逆转。
此外，衰老触发因素是否相互作用？2006年的两项后续研究提供了强有力的证据，表明OIS（通过癌蛋白HRAS-V12、MOS、CDC6或细胞周期蛋白E诱导）与DNA复制应激的迹象有关，从而确定OIS是DNA过度复制和双链断裂形成后强烈的DNA损伤检查点反应的直接结果。此外，炎症介质似乎是屏障网络中的一个关键方面。经历OIS的细胞表现出衰老相关的分泌表型（SASP）。2008年，发现多种趋化因子和白细胞介素（包括IL-6和IL-8）的分泌可以维持生长停滞，从而稳定系统，而SASP因子在其他环境中可能起到生长促进剂的作用。尽管治疗诱导的衰老可以改善长期结果，但也发现它会导致癌症治疗的复发、自我更新增强和不良反应。因此，消除衰老细胞最近已成为一种明智的治疗策略。
细胞呼吸——它们消耗氧气和葡萄糖以ATP的形式产生能量。当氧气不可用时，分化组织中的细胞将葡萄糖分解为乳酸（通过糖酵解）以产生能量。“沃伯格效应”描述了Otto Warburg在20世纪20年代的观察结果，即恶性肿瘤细胞即使在有氧的情况下也主要进行糖酵解（有氧糖酵解），从而导致高乳酸分泌。根据Warburg的说法，癌症的起源完全基于代谢变化。我们今天知道Warburg并不完全正确：致癌信号从根本上促进了恶性转化，部分是通过调节代谢。
肿瘤抑制剂的水平证实了癌症驱动基因突变与Warburg效应的联系。细胞呼吸依赖于三羧酸（TCA）循环以及与线粒体中的氧化磷酸化（OXPHOS）偶联的电子传递链（ETC）。事实上，发现肿瘤抑制蛋白p53参与控制糖酵解和OXPHOS之间的平衡。现有的研究进一步推翻了Warburg关于癌症中线粒体不可逆损伤的假说，表明癌蛋白KRAS在体外和体内诱导癌症细胞生长需要线粒体代谢和ETC功能。此外，发现戊糖磷酸途径（PPP）中的葡萄糖代谢通过产生核苷酸前体和NADPH对致癌KRAS诱导的生长至关重要。PPP衍生的抗氧化剂也与促进癌症细胞存活有关，从而突出了抗氧化剂防御在癌症生长中的重要性。
下一代测序（NGS）在二十一世纪第一个十年的出现预示着癌症研究的重大变化。单核苷酸变异（SNV）分析表明了包括匹配的正常样本的重要性：在肿瘤样本中鉴定出380万个SNV，其中260万个也发生在皮肤中，因此被归类为种系变异。经过进一步筛选，共有8个SNV被验证为对基因功能有预测影响的新型体细胞变体。这八个基因在功能相关的途径中发挥作用——细胞信号传导（PTPRT、KNDC1、ADGRA1、GPR183和GCOM2）、细胞粘附（CDH24和CDHR2）和跨膜转运（SLC15A1）——因此表明基因组测序可以在关键的、潜在的治疗靶向性肿瘤发生途径中识别新的候选癌症基因。
目前的研究表明，癌症在单个肿瘤实体内部和之间都存在实质性的遗传异质性。最重要的是，这些发现为未来的研究提供了一条明确的道路：需要大规模应用全基因组测序以及描述转录组和表观基因组的相关技术，以更好地了解癌症复杂的遗传基础，并深入了解这些基因发现如何在临床上应用。癌症基因组图谱（TCGA）和全基因组泛癌分析（PCAWG）等大规模研究目前已对多种肿瘤类型的数万个癌症基因组进行了测序。从这些大型队列中获得的见解包括识别出更多与先前意想不到的细胞过程相关的癌症基因，如代谢（IDH1和IDH2）和表观遗传调控（EZH2和PBRM1），以及确认肿瘤中的大多数体细胞突变并非高度复发（突变频率的“长尾”）。他们点燃了癌症进化的研究，这些研究基于通过测序推断的体细胞突变的系统发育，揭示了肿瘤发生的复杂动力学。最后，突变特征的分析确定了许多以前已知和新的诱变过程，以及以前暴露的基因组特征。
利用免疫系统进行癌症治疗的努力可以追溯到100多年前；然而，癌症是在持续的免疫监视下发展的，因此发展出多种免疫抑制机制，这些机制已被证明难以克服。1996年，James Allison及其同事证明，靶向CTLA-4（一种已知抑制T细胞激活的受体）的拮抗抗体可以诱导小鼠的肿瘤排斥反应，这一突破最终导致免疫疗法成为癌症治疗的新支柱。这一发现揭示了“免疫检查点”在自我耐受癌症免疫逃避中的生理作用，同时也阐明了免疫检查点抑制剂（ICIs）的治疗潜力。2003年，Allison和合作者在一项针对黑色素瘤或癌症患者的CTLA-4抗体易普利单抗的首次人体研究中提供了这一治疗概念的临床证据。大约在同一时间，陈列平（Lieping Chen）、Tasuku Honjo、Gordon Freeman、Arlene Sharpe和其他人的临床前工作表征了一种不同的免疫检查点配体PD-L1，它可以在癌症细胞本身上发现（不同于仅限于专业抗原提呈细胞的CTLA-4配体）。此外，Chen和Honjo证明了PD-L1在肿瘤免疫逃避中具有直接作用，并且可以用抗体进行治疗靶向。此前，Honjo还发现了T细胞上PD-L1的受体PD-1。这些进展刺激了针对PD-1-PD-L1轴的新型ICI的发展。2010年，对PD-1抗体nivolumab的首次人体研究揭示了几种肿瘤类型的持久消退，以及PD-L1的反应性和肿瘤表达之间的相关性，这最终被证明是一种有用但不精确的反应预测生物标志物。
2010年见证了ICI发展的第二个里程碑，ipilimumab（易普利姆玛）成为第一种被证明可以延长晚期黑色素瘤患者总生存期（OS）的药物（从中位约6个月延长至10个月）。因此，2011年3月，易普利姆玛成为美国食品药品监督管理局批准的第一种ICI，从而验证了Allison最初提出的免疫治疗方法。然而，ICI并不是灵丹妙药。尽管ICI通常比其他抗肿瘤药物耐受性更好，但ICI存在多种潜在的严重免疫相关不良事件（irAE）的风险。此外，在几乎所有的癌症中，反应的频率和持续时间都是有限的。初步研究表明，影响干扰素信号传导（JAK1/2突变）和/或抗原呈递机制（B2M突变）的异常是耐药性的机制。相比之下，具有某些突变特征的癌症会产生大量非自身表位（新抗原），因此对ICI特别敏感。毫无疑问，ICI已经彻底改变了癌症治疗，2018年诺贝尔生理学或医学奖授予Allison和Honjo就是明证。为了进一步开发ICI的治疗潜力，这些药物正在探索用于早期癌症，分别在黑色素瘤和非小细胞肺癌的明确局部治疗后具有批准的辅助和巩固适应症。这些药物也与各种其他治疗方法结合使用，导致涉及化疗和抗血管生成的批准。然而，必须解决重要问题以进一步改善患者预后，特别是通过改善目前次优的预测生物标志物和减轻irAE。
T细胞可以有效识别并杀死受感染的细胞，如果它们识别癌症细胞，也可以杀死它们。过继性细胞疗法（ACT）就是利用T细胞的这种细胞毒性能力来根除肿瘤。早期研究显示，经过修饰的T细胞在转移后可以持续数月，这是未来ACT的关键条件。1989年，Zelig Eshhar及其同事意识到，通过用对这些细胞上的蛋白质具有特异性的抗体部分替换T细胞受体（TCR）的结构域，可以克服T细胞识别表面肿瘤抗原的能力。他们将抗体的可变区与TCR链的恒定区结合，从而产生嵌合抗原受体（CAR），为T细胞提供抗体类型特异性。表达CAR的T细胞识别并清除靶细胞，并在抗原存在的情况下产生白细胞介素2，这证明了这种方法会引发细胞免疫反应。T细胞对肿瘤抗原的生理识别是由TCR-CD3复合物介导的。然而，仅凭这种复合物不足以引发生产性T细胞反应，这需要共刺激受体的同时参与。2002年，Michel Sadelain及其同事通过将TCR的细胞内结构域和关键的共刺激受体CD28整合到一个分子中来优化CAR设计，以帮助维持T细胞的扩增、功能和持久性。随后出现了其他类似的第二代CAR，结合了不同的共刺激结构域，如4-1BB，Crystal Mackall及其同事表明，4-1BB可以减少连续CAR信号传导引起的T细胞耗竭，从而提高抗肿瘤疗效。
2010年，James Kochenderfer及其同事在CAR T细胞疗法方面取得了突破，报告了一名晚期滤泡性淋巴瘤患者的肿瘤消退，该患者接受了两次自体T细胞输注，这些T细胞经过基因工程改造，表达了特异性识别B细胞上表达的抗原CD19的CAR。CAR T细胞在患者中具有活性的发现推进了ACT领域的发展，在接下来的几年里，ACT取得了巨大的进展，在B细胞恶性肿瘤中取得了显著的成果，包括儿童和成人急性淋巴细胞白血病（ALL）、侵袭性B细胞淋巴瘤、慢性淋巴细胞白血病和用CD19 CAR T细胞治疗的多发性骨髓瘤。与CAR T细胞并行开发的另一种ACT是工程化T细胞以表达识别肿瘤相关抗原的TCR。这种方法具有靶向细胞表面不存在的抗原的优点。尽管T细胞免疫疗法取得了成功，但重要的障碍仍然存在。由于抗原丢失，疾病复发和对CD19 CAR T细胞治疗的获得性耐药性可能会在初始反应后发生。毒性效应，如细胞因子释放综合征或免疫效应细胞相关神经毒性综合征，也是一个重要的障碍，迫切需要反应和毒性的生物标志物。正在开发新的CAR构建体来解决这些局限性，包括多种抗原靶向CAR、加入细胞因子以提高疗效以及条件性表达CAR以调节CAR活性和安全性。细胞工程的进步使CAR能够与自然杀伤细胞等其他免疫细胞一起使用，CRISPR-Cas9等基因编辑技术可以解决与CAR设计的复杂性和制造成本相关的局限性。总的来说，这些新方法可以在未来将这些革命性的“活药”扩展到更多的患者。
肿瘤发生通常是一个缓慢的过程，与复杂的遗传改变网络的逐渐积累有关，随着时间的推移，这些改变会失调细胞的增殖和功能。然而，儿童癌症的病因并非如此——在癌症儿童中发现的复发组蛋白突变表明，“癌组蛋白”可能对基因表达产生巨大影响，是许多侵袭性儿童癌症的根本原因。作为染色质的重要组成部分，核心组蛋白H2A、H2B、H3和H4不仅为真核DNA包装创造了结构骨架，而且对RNA复制、转录和修复的调控至关重要。组蛋白在这些细胞过程中的作用受其翻译后修饰模式的调节，如甲基化或乙酰化，因此取决于组蛋白修饰和染色质重塑酶的活性。研究表明，癌组蛋白通过改变染色质重塑和可及性来干扰转录调控，从而促进肿瘤的发生和进展。
2019年的一份报告表明，癌组蛋白可能不仅限于胶质瘤和肉瘤。在多种肿瘤类型中，已发现所有核心组蛋白的体细胞改变。这些突变是驱动突变还是乘客突变尚不确定，但受影响残基的位置表明，与第一个鉴定的GBM H3癌组蛋白类似，这些突变可能通过干扰翻译后组蛋白修饰和染色质重塑，从而有可能大大覆盖正常的基因表达模式。在下游，这些变化与激酶信号传导和细胞代谢的改变有关，尽管其潜在机制尚不清楚。这些在理解癌组蛋白在癌症中的作用方面的进展揭示了新的治疗靶点，几种组蛋白脱乙酰酶抑制剂和酪氨酸激酶抑制剂目前正在临床试验中进行测试。新的精准医学努力，根据肿瘤的基因筛查在临床试验中分配治疗干预措施，应该会提高成功的机会。
下一代测序技术的出现使得癌症基因组的表征具有前所未有的分辨率（里程碑7）。通过将患者的癌症DNA与其种系DNA进行比较，使用来自肿瘤样本中单个细胞随机子集的数十亿份代表基因组的测序读数可构建体细胞突变的详细目录。对一些癌症基因组景观的深入了解有望将癌症治疗转向基因型指导方法。然而，大多数癌症，甚至是具有明显初始反应的高度药物敏感性肿瘤，都会对靶向分子疗法产生耐药性（里程碑1）。2012年，Gerlinger等人证实了长期以来的怀疑：癌症是高度动态的进化实体，这对个性化医疗提出了重大挑战。癌症基因组的特征是极端异质性，不仅在肿瘤类型、原发性和继发性肿瘤或具有相同组织学肿瘤类型的个体之间，而且在单个肿瘤内也是如此。
癌症作为一种进化过程的概念是由彼得·诺埃尔于1976年提出的，他假设以克隆选择的形式作用于肿瘤的自然选择持续驱动进化适应。诺埃尔的原始进化模型反映了一条基本线性的路径，其中顺序显性克隆是疾病进展的基础。詹姆斯·戈尔迪（James Goldie）和安德鲁·科尔德曼（Andrew Coldman）随后提出了肿瘤基因异质性助长治疗耐药性的观点，他们认为肿瘤的克隆异质性是癌症治疗导致进化变化的主要因素。令人惊讶的是，来自同一患者的两个样本在基因上没有完全相同，系统发育分析揭示了一种分支模式，而不是线性肿瘤进化。这项研究推动了肿瘤思维的转变——从线性到树状的癌症进化。突变、基因漂移和选择的进化力量作用于数十亿癌症细胞及其微环境，从而产生肿瘤的突发行为。新的突变和作用于对肿瘤有益的突变的选择推动了亚克隆的扩张；随后，细胞分裂和突变的持续获得产生了进化适应所需的遗传异质性。
21世纪初，当数十种激酶抑制剂进入临床时，肿瘤学中的关键非激酶靶点进展相对较小。RAS是一种小的GTPase，是癌症中最常改变的蛋白质之一，因此受到了特别的关注。由于在鉴定RAS抑制剂方面缺乏成功，许多人认为其是非成药性的。然而，在2013年，Kevin Shokat的实验室开发了一种突破性的KRAS G12C突变体抑制剂，这是非小细胞癌症（NSCLC）中最常见的RAS改变之一。Shokat的化合物与RAS改变形式中位置12处的固有反应性半胱氨酸残基形成共价键，而野生型RAS在该位置有甘氨酸，不与Shokat化合物反应。这一发现为Wellspring Biosciences奠定了基础，该公司将该化合物转化为更像药物的分子ARS-1620。在这个不断发展的共价RAS抑制剂领域，已经开发出两种药物，并在早期临床试验中显示出疗效：安进的索他西伯（AMG510）和Mirati的MRTX849。
AMG510和MRTX849都与KRAS-G12C中的反应性半胱氨酸形成共价键。在KRAS-G12C驱动的癌症小鼠模型中，这些药物作为单一疗法诱导肿瘤消退。一种更有前景的泛突变方法是靶向RAS与其下游效应器或SOS（一种激活RAS的鸟嘌呤核苷酸交换因子）之间的相互作用。基因泰克、勃林格殷格翰和包括Terence Rabbitts在内的学术研究人员使用基于结构的设计来鉴定抑制这些相互作用的化合物，从而抑制下游信号传导。此外，靶向降解可能对这些其他不可药用的蛋白质有用。蛋白水解靶向嵌合体（PROTAC）是合成的E3连接酶，它结合靶蛋白并标记它们进行泛素介导的降解。最初于2001年在Craig Crews的实验室中构思的第一个诱导雄激素受体降解PROTAC于2020年成功完成了一项I期试验，显示出一些抗肿瘤疗效的迹象。尽管许多非激酶癌症靶点仍然不稳定，但共价KRAS抑制剂和PROTAC的成功表明，开发靶向这些蛋白质的治疗化合物极具前景。
定植于胃肠道黏膜的共生细菌深刻影响宿主的生理功能，包括代谢、细胞增殖、炎症和免疫。这些效应是由驻留细菌产生小分子和代谢物的能力以及在肠道屏障和全身与宿主免疫细胞协调串扰的能力所驱动的。2013年，Laurence Zitvogel和Giorgio Trinchieri团队的两项开创性研究显示，完整的肠道微生物群对先天免疫系统和适应性免疫系统的启动对于三种抗癌方案的有效性至关重要。如今，越来越多的研究已经表明，肠道微生物群的组成差异与ICIs的临床反应有关。重要的是，用无反应患者的粪便移植重建无菌小鼠，通过抑制局部和全身免疫来削弱PD-1阻断的抗肿瘤作用，从而表明肠道微生物组的组成可能是导致ICIs主要耐药性的一个因素。
肠道微生物群落具有强大的力量，可以调节对一系列治疗方式的反应，这一证实提出了一种有趣的可能性，即基于微生物的疗法最终可以在临床环境中实施。例如，操纵人体肠道微生物群可以采取饮食干预和益生元补充、粪便微生物群移植以及细菌群落或益生菌给药的形式。然而，在这些可能性在治疗患者中实现之前，还需要做更多的工作来识别和验证可靠的预测微生物组生物标志物，并从根本上确定什么才是真正构成能够驱动有效癌症治疗反应的有利微生物组。
组织病理学是目前癌症诊断的“金标准”。尽管组织切片的解释是主观的，但临床基因组学的出现通过识别可操作的肿瘤弱点，有助于完善患者分层和临床决策。然而，组织学评估和测序方法都是耗时且昂贵的，而且它们在不同机构之间往往会产生不一致的结果。而借助大数据和人工智能（AI）领域，可以生成预测模型，实现临床级自动化诊断，并促进临床医生的工作流程以实现准确诊断。
