“Biomarker” 這個詞在用于生物醫學領域之前，多見于地質學文獻，曾被翻譯成“生物標志化合物”，指的是地質材料中來自于活的生物體的一些有機化合物。上世紀六十年代，這一詞匯開始出現在醫學文獻中。上世紀八十年代，它被正式地引入到生物醫學領域。在生物醫學領域，對它也曾有過不同的描述。2001年，美國NIH 召集的生物標志物定義工作組（Biomarkers Definitions Working Group）對生物標志物給出了一個定義：它是指“一種可客觀檢測和評價的特性（characteristic），可作為正常生物學過程、病理過程或治療干預藥理學反應的指示因子”。

生物標志物定義的提出意味著人們對它的認識更加明確，也反映出人們對它的關注。這一定義提出后的十幾年，也是生物芯片、新一代測序等高通量技術快速發展的十幾年。伴隨著這些檢測技術的發展，產生了海量的有關生物標志物的數據，發表了大量的相關文獻。圍繞生物標志物的發現、篩選、驗證以及應用等環節而產生的市場也在不斷擴大。據估計，2015年全球生物標志物相關市場總額為241億美元，預計以13.58%的復合年增長率增長，至2020年，市場總額將增長至455.5億美元。生物標志物主要應用在醫療診斷和藥物研發等領域，它已成為這些領域的重要主題。

一. 生物標志物的分類

從生物標志物的定義可以看出，生物標志物涵蓋的范圍廣泛，而且，隨著檢測技術的進步，更多的特異性的檢出結果可被視為生物標志物。人們從不同的角度對它進行了分類。

根據生物標志物的潛在用途，可將其分為四類。

1．用于疾病診斷的生物標志物。它包括疾病早期診斷或預后標志物。這類標志物目前應用最廣，影響最大，人們也最為熟悉。例如，常規體檢檢測的血壓、血糖以及其它一些檢測指標。它反映了疾病的存在與否，有時也反映疾病的進程。 隨著技術的進展，這類標志物不再單單是一些生化指標。一些遺傳學指標也被視為這類生物標志物。

2. 用于檢測疾病活動的生物標志物。這類標志物被用來評估疾病的嚴重程度，或評估療效。有時也被用來檢測藥物的毒副作用。有些生物標志物身兼多職，也具有診斷的功能。譬如上述的血壓血糖指標。C反應蛋白(C-Reaction Protein, CRP)是這類標志物的一個代表。它能極好地反映類風濕性關節炎的病程以及干擾素對該病的療效。

3. 反映藥物作用效果的生物標志物。這類標志物最受醫藥工業界重視。與上一類型也有些重疊。它們直接反映了藥物與靶標（受體或酶）的結合情況以及藥理學效果。例如，一些影像結果可以作為藥物作用的標志物。對神經退行性疾病患者腦部進行D2 受體造影，可以證明相關藥物的效果；對II型糖尿病患者的血糖漂移進行測定，可以證實DPP4抑制劑型藥物西格列汀（sitagliptin）的療效。這類標志物在新藥申請時可以作為直接的證據證明藥物的作用機制及效果，可以顯著縮短申請周期。

4. 與藥代動力學有關的生物標志物。藥物的轉運與代謝涉及到藥物的療效，也涉及到藥物的毒副作用。轉運或代謝過程的效率不同個體可能有差異，這與遺傳有關。因此，有時需要參考分子遺傳學層面的生物標志物，合理地選擇藥物或決定藥物劑量。這在某些抗癌藥的使用方面需要特別注意。例如，抗癌藥物抗癌妥（Irinotecan）由膽紅素尿苷二磷酸葡萄醣醛酸酶（UDP- glucuronosyltransferase,  UGT1A1）催化后，經膽汁和尿液排出體外。但UGT1A1*28基因型的患者使用該藥時需要謹慎。因為，UGT1A1*28等位基因與藥物代謝有關。再如，使用免疫抑制藥物硫唑嘌呤（Azathioprine）時需要檢查TPMP基因位點以減少藥物毒副作用的影響。。

如果從生物標志物的自然屬性的角度，則可將其分為核酸（DNA,RNA）類、蛋白類、糖及其衍生物類等不同類型。

 

核酸類標志物的研究進展近十幾年來非常快，這得益于核酸測序等技術的飛速發展。畢竟，核酸的組成與結構比蛋白簡單。DNA類型的標志物代表了以下變化或現象：SNPs，InDels，CNVs，甲基化等修飾，細胞遺傳學水平的染色體插入、缺失、重排或重復，單倍型，短序列重復等等。RNA類型的標志物包括：RNA序列，RNA表達水平，轉錄組，RNA加工，非編碼RNA(microRNA,lncRNA),等等。

蛋白類的生物標志物人們對它認識和利用的時間較長。前面已經提到，常規體檢用到的一些蛋白指標（酶類），屬于這類標志物。用于檢測這些標志物的樣品如血液、唾液易于獲得，檢測程序也不煩瑣，因此，它們得到臨床上的廣泛應用。近年來, 蛋白質組（proteome）學的發展促進了這類標志物的研究。

糖組（glycome），類似于基因組或蛋白質組，是一個生物體或細胞中全部糖類的總和，包括簡單的糖類和綴合的糖類。在糖綴合物(糖蛋白和糖脂等)中的糖鏈部分有龐大的信息量。一些蛋白的糖基化與疾病有關。某些多聚糖可作為乳腺癌標志物。

除以上類型外，一些代謝組學（metabolomics）的研究結果也被用于生物標志物的研發中。代謝組（metabolome）是指生物體內源性代謝物質的動態整體。理論上代謝物包括核酸、蛋白質、脂類生物大分子以及其他小分子代謝物質。但目前只涉及相對分子質量約小于1000的小分子代謝物質。代謝物（metabolite）的數與量的變化可作為某些疾病的指征。


二. 生物標志物的研究技術與策略

生物標志物的覆蓋范圍如此之廣，其研究技術也是多種多樣。幾乎所有可用于研究核酸、蛋白質、糖類等生物大分子的技術都能用于生物標志物研究上。

 

對于核酸類的標志物，例如SNPs, CNVs，microRNAs和lncRNAs等，可用測序或基因芯片的等技術檢測；對于蛋白、多肽類生物標志物，可以采用的技術有質譜分析（Mass Spectrometry,MS）、高效液相色譜分析（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）、液質聯用（LCMS）、雙向電泳(Two-Dimensional Gel Electrophoresis, 2DGE)以及蛋白芯片等；對于代謝組和糖組類生物標志物，也可采用上述的一些技術。圖1 顯示了生物標志物研究的常用技術。

圖1. 用于生物標志物研究的一些技術

三. 高通量組學技術在生物標志物研究中的應用


進入本世紀以來，生物芯片、新一代測序等高通量技術快速發展和成熟，極大地助推了生物標志物的研究。這些技術，不但可以發現某一基因或其表達產物的變異，也可以在整體層面上提示基因間的相互作用、基因間的功能關系。許多與遺傳有關的人類復雜疾病的發病涉及了不止一個基因功能網絡。如果每個網絡由各自的生物標志物代表，那么，這些標志物的組合（biomarker panel）則可以更加客觀地反映出復雜疾病的狀態。組合式的生物標志物兼顧了檢測的敏感性和特異性，在檢驗結果的重復性方面也更勝一籌。轉錄組學、蛋白組學、代謝組學等組學技術的發展帶動了這一類型標志物的研發。

上海伯豪生物技術有限公司作為高通量組學技術服務的供應商，見證和參與了多種疾病診斷新型生物標志物的研究。 2011年，公司協助相關研究團隊使用Agilent microRNA芯片對肝癌患者、肝硬化患者、慢性乙型肝炎患者以及正常人群的血清血漿microRNA表達譜進行了研究，篩選出15個明顯差異表達的 microRNA，用RT-PCR的方法進行驗證，最終建立了一個包含7個microRNA的panel，用以區分肝癌患者和其它對照人群。這項研究成果對于肝癌的早期診斷和治療有重大意義。2010年，伯豪公司與合作單位利用Agilent芯片平臺，在幾萬個基因中發現了一個對腫瘤有舉足輕重作用的基因 ——SCARA5，該基因可作為一個有開發潛力的標志物，用于肝癌的新型診斷和治療。這一研究成果受到國際同行的高度評價。

除上面提到的基因芯片技術外，高通量的新一代測序技術、蛋白芯片技術以及多種驗證技術，在復雜疾病的生物標志物發現過程中也顯示出巨大的優勢，這也是上海伯豪在多年的技術服務過程中所感受到的。

四. 生物標志物研究面臨的挑戰和希望

生物標志物的重要意義目前主要體現在醫藥方面。發現一種有效的疾病生物標志物，其社會意義和經濟價值有時不亞于開發出一種新藥。生物標志物的應用使得分層醫學（stratified medicine）和個性化醫療成為可能。這些新的醫療模式縮短了新藥申報周期，節省了藥物研發的費用，在治療上更有針對性，也為患者省去了不必要的開支。基于生物標志物檢測的靶向療法為腫瘤和一些遺傳性疾病的治療帶來了希望。醫藥學界和不少藥物研發機構投入了巨資用于新型生物標志物的研發。

高通量技術的出現，以前所未有的力量加速了生物標志物研究數據的產出。有關生物標志物的研究項目和文獻報道日益增多。但在巨額投入下展現的一個事實是，目前真正可用于疾病診斷的敏感而特異的單個的生物標志物仍然不多。組合式的生物標志物提高了敏感性和特異性，但有時檢測結果在不同人群中的重復性不理想。原因除了在于檢測技術的差異和數據處理方式的不同外，還在于病人遺傳背景的不同。有些疾病，不同個體之間的生物標志物基礎值差別較大，在檢測結果陽性和陰性的判斷上帶來了問題。如何在海量的數據中挖掘出有意義的信息并用于生物標志物的研發，如何才能更準確地推出有臨床意義、經得起臨床驗證的生物標志物，確實是相關研究面臨的一大挑戰。但有理由相信，隨著檢測技術的進步、更理想的統計分析方法或算法的推出、更大容量更全面的病例樣本的使用以及人們對生命活動細節認識的不斷加深，越來越多的、理想的生物標志物將被發現并且在臨床實踐中得到應用。

總結

生物標志物是精準醫學實施的有力工具。它涵蓋的類型多，范圍廣。目前，高通量組學技術在生物標志物的研發中得到了廣泛的應用。應用高通量技術研究生物標志物，不乏挑戰，但這類研究仍然充滿希望。