【生物醫學】讓生物標記上場!

■ 以生物標記來作為疾病診斷關聯指標的研究,過去產生數十萬篇論文,上千個生物標記,但在臨床上發揮的效果有限。波斯特認為這些分散零碎的努力應該有系統地整合,才能發揮最大效用。

生物標記被認為是疾病治療的新希望,但仍須資源整合

如果研究人員可以確立疾病和生物標記(biomarkers)變化的相關性,對醫生診斷疾病及進行個體治療將大有幫助。然而,對於生物標記,也就是對於生物體組織或體液的分子改變,和疾病之間關聯性的研究結果尚待證實。隨著蛋白質體學以及DNA微陣列技術等科技的發展,已有超過十五萬篇的論文發表,其中聲稱的生物標記數以千計,但是經臨床實驗證實的卻不到一百個,此懸殊比例反映出研究人員並未採用整合性的系統研究方法。

許多慢性疾病牽涉到多重分子路徑(molecular pathways),但要證實疾病與一大組生物標記的關聯性,卻相當困難。尋找生物標記需要足夠資源及多領域的專業技術,才能建立生物標記與人體健康狀況或治療反應的明確關聯性,然而大多學術單位實驗室進行的研究,卻正好缺乏這樣的條件。此外,要對眾多候選生物標記進行大規模驗證研究,還要突破資源提供和法規面的限制。克服這些困難必須整合不同的技術。

必須改變的還包括將研究方法標準化,並蒐集足夠數量的樣本以進行驗證試驗。傳統上,由研究人員自行開始的獨立研究模式,必須改變為「大科學」計畫所一向採用的合作研究模式,例如美國國家衛生研究院為癌症基因組變化編製目錄,所進行的癌症基因圖譜計畫。生物標記搜尋的工程,應該建構在龐大的研究網路上,結合來自分子生物、基因、分析化學、計算、工程、臨床試驗設計、流行病學、統計、法規及健康照護經濟等不同領域的專家與業者。

長久以來,生物標記被認為是改善病人照護以及降低醫療成本的關鍵因素。例如根據美國臨床腫瘤協會的估計,對大腸癌患者經常性地進行K-RAS致癌基因突變的檢驗,一年至少可以節省六百萬美元的支出。生物標記並可免去病人承受無效又有潛在毒性的療程,例如對於有K-RAS致癌基因突變的患者來說,使用抑制上皮細胞生長因子受體(EGFR)藥物治療,沒有效用,但每次治療成本高達十萬美元。

蘋果和橘子

搜尋生物標記所面臨的一大難題,是沒有標準化的採樣方法。除非樣本是從符合最多變異的人選身上採得,否則後續觀察生物標記與人體情況以及治療反應關聯性的步驟,都是在有限條件下的結果。因此至少應要求確認採樣來源人士的性別、年齡、體重、種族、生活型態(例如吸煙喝酒)、以及過往接受醫療的紀錄等變數條件相同。然而,評估病人本來就有不同方法,不同國家、不同醫院、不同醫生對病人的診斷報告,也會有差異,所以實務上搜尋生物標記,幾乎無法擁有這樣的理想條件。

太多研究人員只能使用從當地醫院方便取得的任何樣本,這些樣本可能來自病理實驗室的固定組織,其有用性會因病歷記載不當或未獲捐贈者同意而受限。許多生物標記研究,是在培養的細胞株上進行,以替代病患組織樣本,但只有在研究人員能證實此細胞株與人體中的同等細胞性質相同,這樣的研究才有價值。

樣本處理與儲存的程序,對生物標記測出程度也有重大影響,因此必須標準化。然而此程序細節很少以文件記載。美國國家衛生研究院在二○○九年的調查報告,超過七百個實驗室研究員的回復意見中,百分之八十表示他們很難就生物標記研究,取得標準化樣本。另一警訊則是,同樣有百分之八十的研究人員,不質疑樣本品質或處理方式會影響到研究的結果。

採樣不足是另一個嚴重問題。大部分生物標記研究案的檢測樣本數均低於一百,因此沒有足夠的統計檢定力,來解釋多重生物標記與某一特定情況間的高度相關性。依據擬分析的生物標記數量,可能要取得上百甚或上千個符合控制條件的疾病樣本,才能符合法規的要求,並展現實驗具臨床或經濟效益。

絕佳運作

滄海一粟:在目前大量的生物標記中,只有很少的生物標記可以用於臨床。(圖/Nature)

近來發展趨勢走向多重生物標記檢驗(即多樣分析 multiplex profiling),帶動了高通量分析技術的創新發展,以及運用於基因、蛋白質、RNA分子及代謝物的自動平行分析。但除非有組織及經費制度的改革,並且說服研究社群同意採用共同標準,以及跨學科領域的系統性研究方法,來進行生物標記搜尋與驗證,這些技術創新並無法發揮功效。

已有人展開行動改進人體組織儲存(人體生物資料庫)的運作方式。例如美國國家癌症研究所的人類癌症生物資料庫(caHUB) ,已建立嚴格的規範,以確保來自健康個人及癌症病患的樣本,依標準程序採樣、註記、儲存與分析,並且附有所需的捐贈者醫療資訊。大致上這樣的運作方式已為人體生物資料庫樹立了「最佳運作典範」。但為求周延,仍有必要成立國際人體生物資料庫,此部分需要訂定國際通用法規,讓全球各地的研究人員都有權使用該項資源,不因不相容的標準或未協調的法規障礙而受限。

更重要的是,研究資金提供者,例如美國國家衛生研究院、歐盟科研架構計畫、歐盟創新醫藥研究先導計畫及英國衛爾康信託等單位,應該要求生物標記研究有較好的投資報酬表現。惟有符合下述條件的研究計畫才能獲得資助:能取得足夠數量且特性明確的樣本;樣本採集、處理及儲存均執行嚴謹的品質控制程序;擁有完整的跨領域專才,能將實驗室的發現轉譯為臨床用途。如此將鼓勵從事學術研究的實驗室,透過擴展的研究網路,加強和醫院及產業界的合作。

匯滴成海

為進行多樣分析驗證,必須採集大樣本數,因而產生大量資料集。隨著全基因體定序分析的普及,相關資料集規模將持續擴大,必須仰賴資訊學專家運用複雜的數學、統計及計算技能加以分析。針對此種大規模計畫,必須以標準化程序將資料紀錄成文件、加以儲存及進行分析,若要將候選生物標記從學術研究轉入臨床用途,則必須和產業界與主管機關所使用的資料格式以及用來產生電子化健康紀錄的軟體,彼此相容。為和產業界及醫院結盟,將促使學術界標準化相關作業。

候選生物標記進入昂貴的驗證程序,產業界合作伙伴的重要性開始顯現,他們可以提供財務的資助,並提供進行大規模分析化驗產出、臨床試驗設計、資料分析及法規遵循等所需的專門知識或技術。例如為進行多樣分析驗證,設計生物標記驗證測試時,必須有熟悉法規的專家參與,以確定符合主管機關的要求。近來有一些生物科技公司在行銷疾病基因檢驗服務前,未先就檢驗訂定標準化程序,正反映出未事先徵詢專家意見所面臨的危險與發展障礙。

驗證過程也需要健康照護經濟專家的協助。現今健康照護愈來愈強調成本效益,經主管當局核准的案件並不保證必獲臨床採用。研究人員必須證明,其診斷檢驗能改進臨床診療作為,並降低費用,或是能改善病人的健康,或是能夠免除昂貴且無效的治療。

學術界既有的研究文化和組織,以及分析技術的不足的問題,同樣讓生物標記研究的發展受阻。為讓生物標記研究具臨床實用性,其運作模式,應該參考為國際全基因組關聯性研究而啟動的大規模合作網路,以及由許多機構共同參與研究分析的物理、氣候變化及建立複雜體系模型等的大型科學計畫。

生物標記所具有改進診療及降低健康照護成本的潛在利益,比當今其他任何的醫學研究都要來得大。研究生物標記的論文已有上千篇,過去十年來全球對該領域的公共投資有數億美金,但真正用於臨床診療的生物標記數量很少。現在該是重新建構生物標記研究,著重實質提升健康照護品質的時候了。

本文為美國亞利桑那州立大學健康創新教授及複雜適應系統計畫主任科學家波斯特(George Poste)在二○一一年一月十三日《自然》雜誌的專文
延伸閱讀:生物標記是抗癌仙丹?(知識通訊評論61期)

原載於【知識通訊評論月刊一百期】2011.02.01

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