前言肺癌已经成为世界范围内死亡率最高的恶性肿瘤,同时研究证明吸烟是促进肺癌发生的主要危险因素。研究肺癌发病的分子病理机制并发现肺癌特异的生物标志物成为目前肺癌临床研究和转化医学研究的重点,进一步为肺癌个体化治疗提供更多的依据。生物标志物被定义为“一种具有可以被客观测量和评价正常生理过程、病理过程,或对治疗干预的药理/药效学反应的指标”,具体的检测方法包括免疫组化(组织中原位的表达)：基因变异(包括基因的扩增、突变和重排)；单核苷酸多态性检测(single nucleotide polymorphisms, SNP)以及广谱的或靶向的基因和蛋白的表达分析。在肺癌早期诊断方面,低剂量螺旋计算机断层扫描(low dose spiral computerized tomography, LDCT)筛查虽然可以提示放射科医生和肺科医生发现大多数肺内的小结节,但是无法判断是否是早期肺癌,同时往往存在假阳性。即使结合了正电子发射型计算机断层扫描显像(positron emission computed tomography, PET)和非开胸手术活检等检查,其真阳性,即敏感性仍较低,并且增加了一定手术风险。但是通过联合分子生物学的检测技术,来辅助影像学的检查,可以显著提高肺癌早期诊断的特异性。这些生物标志物包括检测外周血清中特定的肿瘤标志物,或呼出气体挥发性有机化合物(volatile organic compounds, VOCs)及呼出气冷凝液(exhaled-breath condensate, EB C)的检测。在一项我们的临床研究中发现,联合目前已知的肿瘤标志物[癌胚抗原(carcino-embryonic antigen, CEA)、鳞状细胞癌抗原(squamous cell carcinoma, SCC)、细胞角蛋白19的片段(cytokeratin19Fragment, Cfyra21-1)],与一种新型的肿瘤标志物,胃泌素释放肽前体(pro-gastrin releasing peptide, ProGRP),可以提高肺癌诊断的敏感性和特异性,这种新的方法,可以帮助临床医生,诊断一些在CT影像中存在疑问的肺癌患者。类似的,通过针对呼出气体分子学检测的运用,也可以提高影像学检查的有效性。在肺癌治疗效果方面,生物标志物变得尤为重要。在肺癌患者中,目前对单次化疗或抗肿瘤药物治疗的反应率普遍低于其它疾病的治疗效果。另外,化疗药物的有效浓度往往接近甚至与毒性浓度重合。因此,针对肺癌患者进行分层,同时筛选出对特定治疗方案最为敏感的人群,对患者和医生而言都具有非常重要的临床价值。目前分子靶向药物的临床运用,便是运用了生物标志物筛查的方法,来预测患者对特定药物的治疗效果[包括反应率、无进展存活时间(progression free survival, PFS)和总生存时间(overall survival, OS)].例如通过表皮生长因子受体(epidermal growth factor receptor, EGFR)基因突变的检测,可以从肺癌患者中筛选出一小部分具有该基因位点突变的人群,与其他肺癌患者相比,这类患者对于酪氨酸激酶抑制剂(tyrosine kinase inhibitor, TKI)的治疗具有更高的敏感性。目前,该项检查已被列入肺癌临床治疗的推荐指南中。与此同时,其它的一些生物标志物,例如K-RAS基因突变、EML4/ALK基因突变及针对抗血管内皮生长因子(vascular endothelial growth factor, VEGF)治疗的生物标志物等,仍在继续研究中,以获取更多的具有信服力的临床证据。在不久的将来,通过生物标志物的研究还将为我们提供开发新药的信息和依据,从而降低研发的经济和时间成本。从系统生物学的角度来看,目前许多基于以往关于蛋白功能网络研究结果的数据库,已被免费公开,可以供我们使用。通过计算机数学模型的运用,在这些数据库中筛选出具有较高癌变相关值的网络蛋白谱。在之前的研究中发现了三种类型的生物标志物,包括与肿瘤细胞生长相关的生物标志物,例如丝裂原活化蛋白激酶家族中(mitogen-activated protein kinases, MAPK), MAPK1(ERK2)、 MAPK3(ERK1)及MAPK14(p38α); SMAD蛋白家族(SMAD1、SMAD2、 SMAD3和SMAD4);受体酪氨酸激酶(receptor tyrosine kinase, RTK)中的EGFR、成纤维细胞生长因子受体(fibroblast growth factor receptor1, FGFR1)和胰岛素受体(insulin receptor, INSR);转录调节因子中的CREBBP、CTNNB1(p-连环素)、E2F1和MYC。与肿瘤细胞存活相关的生物标志物,包括TP53(p53)、TRAF6、 BRCA1、SP1、丝氨酸／苏氨酸激酶(serine/threonine-specific protein kinase, AKT)及CSNK2A1(CK2)。以及与肿瘤细胞迁徙相关的生物标志物,包括PTK2(FAK)、TSC2、PLCG1和Ezrin。本课题通过在两个肺癌患者队列的研究,分别利用血清肿瘤标志物谱或血清趋化因子蛋白谱测定的方法,来寻找在肺癌早期诊断及预后预测中具有重要作用的生物标志物。另外,本课题在分析了我国导致肺癌诊断周期(diagnostic lead time,DLT,定义为从症状出现到临床诊断的时间)延长的潜在因素,并首次建立了一套肺癌患者数字化临床评估系统(digital evaluation score system, DESS),用来将临床上描述性的信息转换为临床生物学信息。通过蛋白质组学和临床数据的相互整合,我们发现了一组肺癌生物标志物,具有较高的敏感性和特异性,并且可以显著减少肺癌的诊断周期。第一部分血清肿瘤标志物谱在具有肺癌相关症状和高危因素的肺癌患者队列中早期诊断的作用目的：本研究使用一组肺癌特异性指标谱为临床医生提供诊断信息,以便鉴别诊断小细胞肺癌(small cell lung cancer, SCLC)和非小细胞肺癌(non-small cell lung cancer, NSCLC)患者。方法：测定89名具有肺癌高危因素的健康对象、12名小细胞肺癌和52名非小细胞肺癌患者血清中ProGRP、CEA、SCC和Cyfra21-1四种肿瘤标志物指标。诊断周期的资料,通过针对所有研究对象进行面谈获得。结果：小细胞肺癌患者的ProGRP显著升高(p<0.0001),腺癌患者CEA显著升高(p<0.0001),而鳞癌患者SCC和Cyfra21-1均显著升高(p<0.0001)。分别对各指标进行界限值的设定,其中ProGRP为300pg/mL,CEA为7.3ng/mL,SCC为3ng/mL以及Cyfra21-1为6.5ng/mL。以ProGRP诊断小细胞肺癌的敏感性和特异性分别为75%和100%。通过加入ProGRP的运用,可以增加目前诊断NSCLC的肿瘤标志物谱的特异性(从88.1%上升至94.1%),并保持敏感性维持不变(75%)。在64名肺癌患者中,因患者因素导致的诊断周期的中位数为17天(四分位区间为2-33天),在医疗系统中的诊断周期为18天(四分位区间为14-33天)。仅有78.1%的肺癌患者可以通过CT检查得到阳性结果,而通过联合运用这四种生物标志物,发现了8例临床CT假阴性的NSCLC患者,这些病例可能在临床上会造成诊断周期的延长。结论：研究所采用的这组血清肿瘤标志物谱提高了在高危健康人群中(除肾衰患者外)筛查肺癌的特异性,同时也提高了在具有恶性肿瘤患者中诊断肺癌的敏感性。通过在临床中使用该组生物标志物谱,将可能缩短我国基层医疗机构和专科医院针对肺癌的诊断周期。第二部分血清趋化因子蛋白谱在非小细胞肺癌患者中对肺癌发生与预后的影响目的：炎症在肺癌的发生和发展中起到重要的作用。本研究通过多重血清细胞因子的定量测定和分析,旨在发现可以预测接受化疗的非小细胞肺癌(NSCLC)患者预后的生物标志物。方法：收集健康非吸烟志愿者的血清标本(14例),及NSCLC患者(50例,女性14例,男性36例,平均年龄58.0±11.4岁；36例腺癌,临床分期Ⅰ,Ⅲ和Ⅳ期；和14例鳞癌,临床分期Ⅰ至Ⅳ期)在入院当天诊断前采集血清标本。5例Ⅳ期腺癌患者在第2次和第3次入院时重复采样,以获得第1次和第2次化疗后的血清样本(即在首次诊断治疗后的第21天和第42天)。应用多重细胞因子免疫检测方法同时检测40种细胞因子的表达情况,通过肺癌临床生物信息量表采集临床信息并转换为数字的患者临床信息,所有的患者均完成长达2年的生存周期的随访。应用成组t检验及Mann-Whitney U检验比较40种细胞因子在不同类型肺癌患者血清中表达情况的差异,使用Mann-Whitney U检验比较各组肺癌患者间数字化信息量表数值,并用Stepwise多因素回归分析及Kaplan-Meier生存分析判定影响非小细胞肺癌生存预后的独立相关危险因素。结果：在检测的40种炎症细胞因子,13种细胞因子在所有的肺癌患者中与健康对照组之间存在显著差异,18种细胞因子在腺癌患者中与健康对照组之间存在显著差异,11种细胞因子在鳞癌患者中与健康对照组之间存在显著差异。在Ⅳ期腺癌患者中发现,有9种细胞因子在接受化疗前和第一次化疗后之间存在显著差异,有13种细胞因子在接受化疗前和第二次化疗后之间存在显著差异。数字化临床评估系统(DESS)检测发现,在“原发肿瘤引起的症状”分值中,腺癌与鳞癌患者中具有显著差异(p=0.005)。在29例腺癌患者(临床分期ⅢB和Ⅳ期)中,血清中高表达单核细胞趋化因子4(monocyte chemoattractant protein4,MCP-4)、人生长调节致癌基因(growth-regulated oncogene, GRO)、胸腺表达趋化因子(thymus expressed chemokine, TECK)和巨噬细胞刺激蛋白a(macrophage stimulating protein a, MSPa)组的患者较正常表达组的患者具有较高的死亡风险,相反地,高表达可与糖蛋白D竞争疱疹病毒进入T细胞位点的TNF样诱导蛋白(lymphotoxin-like inducible protein that competes with glycoprotein D for herpesvirus entry on T cells,LIGHT)、皮肤T细胞虏获趋化因子(cutaneous T-cell attracting chemokines/CCL27, CTACK)、趋化因子配体28(C-C motif ligand28, CCL28)和白介素-29(interleukin-29, IL-29)组的患者较正常表达组的患者具有较低的死亡风险。结论：在非小细胞肺癌的患者中存在与特定疾病相关的炎症细胞因子蛋白谱。通过该蛋白谱的运用,可以辅助肺癌的临床分型、预后预测、评估化疗疗效和生存周期。