生物大數據及人工智能促進腫瘤診斷與治療創新
——訪復旦大學附屬華山醫院消化內科主任劉杰

文圖/《中國醫藥科學》 費菲

生物大數據和人工智能的時代已經到來。人工智能在生物大數據領域的參與度不斷提升，促進了醫療健康的進步和發展。相比人腦，人工智能的優越性在于可更高效地處理海量數據，迅速找到一些特征和規律；還可以利用龐大的醫學知識庫和數據庫，建立醫生臨床輔助決策系統，幫助醫生進行疾病診斷和治療。

在從事消化系統疾病的臨床診療和研究工作30余年后，復旦大學附屬華山醫院消化內科主任兼復旦大學消化疾病研究所所長、復旦大學生物醫學研究院雙聘PI 劉杰教授近幾年感受最深的是，他的研究工作已經與生物大數據和人工智能技術密不可分，為臨床診療帶來更多新的策略：基于最新的科研進展建立惡性腫瘤診療的系列新方法，包括液體活檢腫瘤無創診斷技術，用于腫瘤的診斷和復發監控；通過人工智能技術結合PDX 模型等設計腫瘤精準治療方案；建立第四代針對實體瘤的分泌型CART 技術，為實體瘤免疫治療提供手段；開展了基于人工智能的腫瘤個體化新抗原疫苗研究，通過人工智能深度學習算法挖掘新抗原信息，合成特異的新抗原，制成疫苗可注射到對應患者體內，刺激其體內特異的針對新抗原的免疫反應。日前，劉杰教授從生物大數據及人工智能在腫瘤診療應用的角度，介紹了相關研究結果。

制定防治策略應從癌癥本質出發

2018 年9 月12 日，Bray F, Ferlay J 等在CA：腫瘤臨床醫師雜志（CA：Cancer J Clin）發表了一篇最新的全球癌癥統計報告，主要分析了2018年各種癌癥的發病率和致死率。這項研究通過對185 個國家的研究，著重分析了全球腫瘤發病和致死的地理性差異。研究估計，2018 年全球范圍內將有1810 萬癌癥新發病例和960 萬癌癥死亡病例。全球范圍內發病率和死亡率排名前10 位的癌癥數據顯示，肺癌是最常見的癌癥類型（占所有癌癥的11.6%），也是癌癥死亡的主要原因（占癌癥總死亡率的18.4%）。女性乳腺癌（11.6%）、結直腸癌（10.2%）、前列腺癌（7.1%）的發病率最高；結直腸癌（9.2%）、胃癌（8.2%）和肝癌（8.2%）死亡率最高。

該雜志在2015 年報道的全球2012 年并結合中國2011 年數據顯示，世界每年新發病例數為1400 萬，死亡病例數為800 萬。2012 年全球癌癥統計報告顯示，每年癌癥新發病例約1400 萬，死亡約800 萬，女性發病率最高的癌癥為乳腺癌，男性最高發的癌癥為肺癌。我國每年新發病例337 萬例，肺癌、女性乳腺癌、胃癌、結直腸癌、食管癌、宮頸癌、子宮腫瘤、胰腺癌、卵巢癌等約占75%，死亡211 萬例；肺癌、肝癌、胃癌、食管癌、結直腸癌、女性乳腺癌、胰腺癌、腦瘤、宮頸癌、白血病等占84%。短短五六年間，癌癥的發病率和死亡率都出現了大幅攀升。

□劉杰：癌癥發生的根本原因是免疫失衡

癌癥的根源在哪里？劉杰教授介紹，2017 年11月CA：Cancer J Clin雜志報道，77%的癌癥根源在于不良生活方式，而遺傳因素和環境因素只占到24%和9%。生活方式導致癌癥的主要危險因素主要包括以下幾個方面：一是吸煙，19.0%的癌癥發病和29%的癌癥死亡與吸煙有關；二是肥胖，7.8%的癌癥發病和6.5%的癌癥死亡與肥胖有關；三是飲酒，5.6%的癌癥發病和4%的癌癥死亡與飲酒有關；四是紫外線輻射，4.7%的癌癥發病和1.5%的癌癥死亡與紫外線輻射有關；五是缺乏鍛煉，2.9%的癌癥發病和2.2%的癌癥死亡與缺乏鍛煉有關；六是缺乏水果蔬菜，1.9%的癌癥發病與缺乏水果蔬菜有關；七是缺乏膳食纖維；0.9%的癌癥發病與缺乏膳食纖維有關；八是缺鈣，0.4%的癌癥發病與缺鈣有關。

劉杰教授近幾年出門診時經常接診由不良生活方式導致癌癥的20 多歲年輕患者。舉兩個例子，病例一：21 歲女性患者為胃竇低分化印戒細胞癌伴巨大潰瘍，問病史得知其家庭條件優裕，從十幾歲開始，大量攝入方便面、各種膨化食品，每天不喝白開水，只喝飲料。病例二：男性，28 歲，某財富公司HR。4 天前出現全身乏力，胃納減少，易飽腹，無腹痛，排便異常。到院就診，實驗室檢查顯示，中度貧血，輕度肝酶異常，無黃疸。腫瘤標志物水平：血清中癌胚抗原（CEA）升高（＞1000μg/L），CA199 水平升高（706.3 U/mL）。結腸鏡檢查提示，橫結腸癌伴腸腔狹窄。病理提示，（橫結腸）粘液腺癌（判定標準：當CEA 水平＞5μg/L，CA199 水平＞37 U/mL，CA724 水平＞6.9 U/mL 時檢測視為陽性）。PET/CT 提示，橫結腸局部腸壁明顯增厚并FDG 攝取增高（SUVmax=10.5）。根據檢查結果考慮為惡性腫瘤伴周圍浸潤，結腸癌可能大。肝彌漫性轉移（SUVmax=6.7）、腹膜廣泛種植轉移（SUVmax=1.9）、全身多發骨轉移（SUVmax=6.7）可能大；腹盆腔積液。初步診斷為橫結腸粘液腺癌伴肝、腹壁、骨多發轉移。

在問病史時發現，這名年輕腫瘤患者工作強度高，從早上9 點到晚上9 點，每天工作時間長達12 小時以上，而且多數時間是在與客戶通話，工作生活習慣不利于健康。劉杰教授建議，保持健康應該經常到戶外活動，多進行日光照射。日光照射比攝入維生素D 加鈣對健康更有益。人們長久地坐著使用電腦工作，缺乏陽光照射和維生素D、鈣、磷，將對免疫系統造成不良的影響。他總結了可提升免疫力的7 項腫瘤綜合防治策略：一是堅持適量運動，多站少坐，每天出點汗；二是保持身心放松，控制壞情緒，每天大笑10次以上；三是保持良好睡眠，必要時用藥物促進睡眠；四是少食高熱量油炸食物，少食腌制食品；五是常吃水果、豆漿、堅果、靈芝孢子粉、綠茶；六、常補充纖維素，以食物補充為主；七是補充維生素D 和鈣，以陽光照射為主。同時指出運動不能過量，如過量也會對機體造成損傷。

他提示說，癌癥發生的根本原因是免疫失衡，可以說，癌癥是基因突變與免疫的博弈。正常DNA 由于紫外線和各種輻射、化學誘變劑、病毒等因素導致基因突變（腫瘤驅動基因），免疫監視（DNA 修復，抑癌基因誘導凋亡），這一過程失敗才會導致癌癥。每個人身上都有癌細胞，突變細胞是否形成癌，取決于是否處于免疫平衡，它一旦突破這個底線就會膨脹性生長。癌細胞生長非常快，最后患者很快去世是免疫系統崩潰而導致的。還有一個普遍的疑問是，肺結節是否有必要切除，該怎么對肺結節進行觀察？劉杰教授認為除了早期切除病變組織的手段，也需要免疫系統與癌細胞的博弈來起作用。70%的肺結節由免疫系統清除癌細胞后避免了癌變，僅20%～30%的肺結節會癌變，所以免疫系統在其中起到相當關鍵的作用。

這名年輕患者一經發現就已是癌癥晚期，而此前缺乏明顯癥狀，患者家屬表示不解。劉杰教授表示，其實這種疑問很有普遍性，如今不少人在國內定期體檢，還專門到美國、歐洲、日本等國體檢，但常會出現發現癌癥時已是晚期的情況。癌癥的發展階段主要分為以下幾個階段：分子癌變階段（8 ～10 年）、細胞癌變階段（3 ～5 年）、早癌（1 ～3 年）、中晚期癌。目前癌癥檢查基本上是靠超聲、CT、MRI、PET-CT 等儀器，或是AFP、CEA、PSA 等腫瘤標志物。黃豆大的腫瘤組織里的癌細胞數量都以億個計，所以一旦影像學發現腫瘤，已經很難說是早期癌癥。那么，怎樣才能早期發現癌癥？劉杰教授團隊近年開展的工作之一是基于生物大數據及人工智能的診斷和治療，同時開展一些其他研究工作，還有一個團隊開展基于人工智能大數據開展臨床轉化相關的工作。近幾年他們對癌癥的診斷方面主要圍繞著基因突變這一領域，治療以免疫治療為主，應用幾個最新的技術探索出了免疫治療的一些方法。具體而言，在癌癥診斷方面，基于生物大數據及人工智能作出決策主要圍繞兩個技術：一是疑難病智能診斷平臺，二是液體活檢早期診斷技術。

基于大數據的疑難病智能診斷平臺

劉杰教授首先介紹了基于大數據的疑難病智能診斷平臺的建立及應用。他說，上海復旦大學生命科學學院遺傳與發展協同創新中心王毅博士創建的“小王醫生”（www.drwang.top）疑難病智能診斷平臺，就是一個基于大數據的診斷工具。王毅博士近幾年不斷研發出一些新的技術，其中“小王醫生”可幫助醫生進行疾病輔助診斷，而“小易醫生”則針對老百姓問診。

在“小易醫生”上，患者可以問診并獲得診斷，得到很有用的信息提示，比如，對應癥狀的是什么疾病，頭痛、發燒、咳嗽的診斷治療可全部列出。如果能提供全基因組數據，診斷率基本能達到95% ～ 100%，對疑難雜癥的診斷也很有參考價值。

“小王醫生”（www.drwang.top）是一個精準醫學支持系統，通過測評后發現，“小王醫生”在人類疾病的基因診斷方向上達到全球領先水平。它基于1200 萬篇PubMed 文獻摘要和文本挖掘算法，可以提供對疾病的輔助診斷。兩分鐘內可以提取60 萬的文獻量，相當于醫生在會診疑難病時，旁邊有個智能大腦，將癥狀一輸入（如果結合二代基因組數據診斷更精準），就能尋找疾病相關的表型，根據臨床表型列出10 項可能疾病的列表，包括尋找疾病相關的基因和遺傳突變，尋找疾病相關的藥物，以及尋找疾病相關的專家名單等信息。

臨床上常會遇到不明原因的腫瘤找不到原發灶的困惑。比如，劉杰教授接診的一名北京患者全身查體，包括CT、胃腸鏡等都查不到原發灶；還有杭州患者腹股溝兩串淋巴結轉移，卻找不著原發灶。通過疑難病智能診斷平臺這項技術可以為診斷提供方向。目前利用“小王醫生”和全基因組測序技術已經輔助診斷了30 例罕見病，找到了遺傳突變。

以一名患者的診斷為例：深圳男性患兒，10 歲。在北京體檢時發現肝纖維化伴有輕度脂肪肝，后經華山醫院肝臟病理證實。無肝病病史，父母健康。肝功化驗等檢查無明顯異常。先天性肝纖維化（CHF）伴有多囊肝及多囊腎的PKHD1，考慮為突變的Caroli病（先天性肝內膽管擴張癥）。把孩子的癥狀等代入這個系統，提示他是患上了希特林缺乏癥（Citrin Deficiency）。那么，什么是希特林缺乏癥？Citrin 是線粒體內鈣結合天冬氨酸/谷氨酸載體蛋白，編碼基因為SLC25A13。患兒對糖代謝存在障礙，不能吃米飯饅頭，他父母不了解這個情況，給他吃了這些食物，孩子肝臟不能代謝導致肝纖維化。

液體活檢技術應用于腫瘤早期篩查

近年來，液體活檢早期診斷技術在全球引發較大關注，國際上最頂尖的學術期刊《自然》（Nature）、《科學》（Science）、新英格蘭醫學雜志（NEJM）、《美國國家科學院院刊》（PANS）相繼發表相關論文，《麻省理工大學科技評論》將該技術評選為“2015 年十大突破技術”，并入選美國臨床腫瘤學會（ASCO） 2015 年腫瘤年度進展報告10 年前瞻。

這項基于表觀遺傳學的液體活檢新技術研究的主要原理是，利用高效的全基因組5hmC（5-羥甲基胞嘧啶）檢測方法，檢測胃腸癌及癌旁組織、胃腸癌及健康個體血漿。通過分析血漿cfDNA 中全基因組腫瘤特異性5hmC，將之作為腫瘤早期特異性診斷指標，以此反映疾病的狀態，較傳統的ctDNA 檢測具有更高的特異性與敏感性。通過診斷可分別得出胃腸良性病、胃腸癌、非胃腸腫瘤與健康個體的結論。“中間體”5hmC 不僅標志著主動去甲基化，也是一個具有表觀遺傳作用的相對穩定的DNA 標記。基于循環游離cfDNA 5mC 和5hmC 的液體活檢可能更有價值，因為其能影響基因表達的變化。

基于表觀遺傳學在腫瘤早期篩查方面的特性，5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）高通量檢測技術的發明，為解決這一問題帶來了新的可能。目前，5hmC 已被認為是極具前景的表觀遺傳學腫瘤標志物。《自然綜述-遺傳學》（Nature Reviews Genetics ）雜志2011 年報道，5hmC 是基因轉錄激活的特征之一。在DNA 主動去甲基化過程中，5hmC 作為一個中間體，是由TET 酶介導的5mC 的氧化產物蛋白。5hmC 主要在全能性基因的外顯子內部和靠近轉錄起始點附近富集，且該位點常伴有H3K4me3，因此5hmC 可看作轉錄激活的特征之一。《癌細胞》（Cancer Cell）、Trends Genet、Epigenomics 等雜志的多篇文獻報道，5hmC 表達水平與腫瘤具有相關性。羥甲基化與包括癌癥在內的多種疾病有關，且羥甲基化被報道在腫瘤組織中低表達。

2011 年《自然-生物技術》雜志（Nature biotechnol）報道了5hmC 檢測技術——hmC-Seal。2016 年《細胞》雜志子刊《分子細胞》（Molecular Cell）報道了低輸入量DNA 的5hmC 測序技術——Nano-hmC-Seal。優化技術Nano-hmC-Seal 可穩定重現不同DNA 輸入量的結果，可適用DNA 總量范圍：1ng ～100μg，在不同樣本類型中均可實現檢測的可能，滿足液體活檢低量cfDNA的檢測要求。

人腫瘤血中存在循環游離cfDNA 5hmC 生物標志物，不同來源的腫瘤（如肺、結腸、胃、肝、卵巢、胰腺）會釋放不同的5hmC 修飾的cfDNA,而cfDNA 5hmC的檢測技術能實現低至1ng DNA 的檢測。低輸入量DNA 的5hmC 測 序 技 術——Nano-hmC-Seal，只 需1ng DNA 即可進行表觀測序，說明這一測序方法十分敏感，具有臨床推廣價值。劉杰團隊隨后用小鼠模型進行驗證也獲得了成功，當時提取的小鼠血量很少，卻能夠支持液體活檢技術（表觀測序技術），這就為臨床推廣這項技術帶來了很大的便利。這是因為，如果醫生要求患者進行表觀測序需要抽20 毫升血，患者必會有所抗拒，而只需抽1mL 血就能進行表觀測序，患者應該愿意配合。

研究共納入90 例健康人群，260 例腫瘤患者（包括80 例結直腸癌、71 例胃癌、25 例肝癌、34 例胰腺癌、46 例甲狀腺癌等），71 例胃腸良性病患者。研究者對5hmC 修飾在血漿cfDNA 和組織全基因組DNA 中均進行了檢測。由于cfDNA 不單單是腫瘤釋放的，更多是由免疫系統釋放的，因此，研究監測目標是機體的整體免疫狀況，同時對肝癌、胃癌、乳腺癌、卵巢癌等腫瘤均制定了診斷標準。

劉杰教授發現，差異性的5hmC 位點是與腫瘤來源顯著相關的。循環游離cfDNA 5hmC 表達譜與腫瘤組織及血細胞中全基因組DNA 5hmC 表達譜不全相同，其與DNA 不同的組織細胞來源有很大關系。差異性5hmC 在cfDNA 上的分布廣泛且特異。腫瘤中基因表達的差異與5hmC 水平的差異密切相關，這就提示5hmC 對基因具有調控功能。他的研究團隊進一步開展來源的相似性度量分析后發現，健康人與腸癌患者游離cfDNA 的差異性5hmC 分布在組蛋白修飾區與基因體區。以癌基因SULF1（sulfatase1） Gene 為例，健康人群和結腸癌患者血漿中存在明顯差異5hmC 位點。

循環游離cfDNA 5hmC 可作為腸癌的有效診斷標志物（從discovery batch 中檢測出989 個差異性5hmC位點）。來源于血漿中的游離cfDNA 5hmC 能夠明顯區分結直腸癌癥患者和健康人群。在discovery batch 和validation batch 兩組中，cfDNA 基因體的5hmC 改變具有更大的相關性，提示基因體的5hmC 位點可作為更穩定的腫瘤標志物。研究結果顯示，結直腸癌、胃癌診斷率達到90%以上，于是他們進一步擴大樣本進行驗證。其后的初步研究結果顯示，差異性cfDNA 5hmC 在結直腸癌診斷中的靈敏度、特異度可達80%～90%，能夠實現結直腸癌的早期診斷；具有組織特異性，在胃癌、肝癌、胰腺癌、甲狀腺癌的預測概率均下降。

循環游離cfDNA 5hmC 也可作為胃癌的有效診斷標志物（從discovery batch 中檢測出1431 個差異性5hmC位點）。來源于血漿中的游離cfDNA 5hmC 能明顯區分胃癌患者和健康人群。其后的初步研究結果也顯示，差異性cfDNA 5hmC 在胃癌診斷中的靈敏度、特異度可達90%，能實現胃癌的早期診斷；具有組織特異性，在結直腸癌、肝癌、胰腺癌、甲狀腺癌的預測概率均下降。

為了驗證腫瘤患者血漿中cfDNA 的5hmC 腫瘤相關性，劉杰團隊利用PDX 模型驗證其來源。利用5hmC 技術捕獲PDX 模型血漿中人源的cfDNA 序列，胃癌、腸癌PDX 血漿中人源的cfDNA 序列比例明顯比對照小鼠多。PDX 血漿中cfDNA 與供體腫瘤基因組DNA 二者的5hmC 表達譜之間的相關性與PDX 模型傳代次數相關，傳代次數越多，移植瘤越穩定。PDX模型中的血漿cfDNA 5hmC 與供體腫瘤DNA 5hmC 來源一致，患者血漿cfDNA 5hmC 表達水平與PDX 模型cfDNA 表達水平一致。

在未來，臨床醫生有望通過液體活檢對疾病進行診斷和治療，ctDNA 液體活檢將替代侵入組織活檢（比如肝穿刺、腎穿刺、肺穿刺），成為腫瘤診斷領域突破性的新技術。同時，液體活檢對治療也有幫助，比如肺癌EGFA 檢測就可以給藥，還可以進行靶向藥治療；但從另一方面來說，液體活檢對診斷的價值還需要進一步提高，因為腫瘤不是單基因疾病，而是多基因疾病。

由于缺乏用于早期診斷的靈敏特異的生物標志物，臨床上常會出現肝癌患者在癌癥早期無明顯癥狀，甚至患病后較長時間毫無知覺，從而導致常常錯過最佳治療期，一般就診時已到中晚期，甚至已向肺部等處轉移，臨床預后差。目前運用傳統檢測方法，如甲胎蛋白（AFP），在肝癌早期診斷中的價值十分有限，有40%的早期肝癌患者無法被檢測出，成為影響我國肝癌死亡率的重要因素。因此，尋找新型的、高效的肝癌早期篩查方式顯得尤為重要。

目前全球主流的DNA 測序都是分析特定DNA片段的堿基序列ATCG，也就是腺嘌呤（A）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）與鳥嘌呤的（G）排列方式。劉杰教授團隊則進行了DNA 鏈上的開關功能測序，稱為DNA 胞嘧啶（cytosine）表觀遺傳修飾。他認為，人體衰老及很多疾病尤其是免疫疾病的發生與基因開關有關，即病根在于調控開關不能打開，因此表觀基因測序5hmC（5-羥甲基胞嘧啶）的測序技術非常關鍵。

“如果臨床醫生把自己研究領域與新的技術進行交叉，對臨床診療能帶來很大的提高。”劉杰教授說。多年來他始終注重開展學科交叉研究，由此在國內較早開展了全基因組5hmC 測序。他曾與一位知名化學家合作開展學科交叉研究，共同開展973 課題，還積極開展了與物理學、材料學、人工智能的學科交叉研究。

6 年前，劉杰教授就與芝加哥大學開發DNA 修飾堿基5hmC 的檢測和測序的化學家何川教授合作，研究如何進行5-羥甲基胞嘧啶（5hmC）高通量檢測技術技術轉化。他們當時設計的項目是基于大數據的診斷結合人工智能技術。通過在臨床收集近4000 例樣本，經機器學習和大數據分析，利用肝癌樣品和健康良性樣品的差異基因建立5hmC 肝癌診斷模型。近期得出的研究結論是：5hmC 高通量檢測技術最大的優勢在于它能夠實時監控癌癥的狀態，及時反映受檢者是否罹患癌癥，是一個真正具有實際意義的癌癥早篩技術，可大幅提高肝細胞癌癥檢測的準確率（靈敏度達90%、特異性可達94%），相信應用于臨床不僅能提高肝癌的早期診斷率，還能及時監測肝癌的復發和轉移。

劉杰教授指出，在腫瘤治療中，現在人們都盯著腫瘤這個“小偷”去開展研究，但小偷是各種各樣經常變化的（腫瘤突變異質性和突變動態演化），而且老盯著腫瘤去治療，比如化療，而忽視了對免疫系統的重要性是得不償失的。就像靶向治療，今天靶向治療了一個小偷，明天后天又出來其他的小偷，是抓不完的，所以不如把自身免疫防線建設得很強大。他們目前的研究工作集中在腫瘤診斷研究方面，怎么從患者的免疫系統的狀況來判定，免疫系統狀況到哪一步患者可能要發生腫瘤了。劉杰教授同時提示，應重視生活習慣對免疫系統的影響，他最近接診的3 名腫瘤患者都是62 歲，剛退休不久，這可能是人們改變生活習慣時會給免疫系統帶來非常大的影響。目前該項技術在芝加哥大學、北京大學合成與功能生物分子中心、華山醫院復旦大學消化疾病研究所、復旦大學附屬中山醫院、原第二軍醫大學第三附屬醫院東方肝膽外科醫院等多家醫院、研究機構正在進行多項研究合作。

人工智能精準治療方案給腫瘤“個體化打擊”

在腫瘤治療方面，劉杰教授主要從他們團隊三個方面的工作進行了介紹。一是精準方案選擇——協同抗癌藥物組合的高效篩選系統（RACS）；二是腫瘤免疫治療（第四代分泌型CAR-T）；三是腫瘤新抗原疫苗（Neoantigen）。

第一，如何選擇癌癥精準治療方案？可應用協同抗癌藥物組合的高效篩選系統（RACS）。

劉杰教授團隊和同濟大學生命科學與技術學院曹志偉教授合作開發基于藥靶網絡和組學數據的協同抗癌藥物組合的高效篩選系統（RACS）。這套人源性腫瘤移植動物模型（PDX）建立及方案篩選，將國際上的協同用藥預測準確率從 61%提升到了78% （隨機預測為 50%）。協同用藥預測排序與標準排序的吻合度達0.78，該研究已申請了專利。

胃癌、腸癌、肝癌等各種癌癥有差異，不同的肝癌患者也有差異，劉杰團隊為每個患者個性化建成一個調控網絡，根據調控網絡，設計一個非常精準合理的給藥方案，包括以哪些藥物是阻斷藥，哪些藥物起協同作用，這些藥物怎么去阻斷腫瘤又不影響免疫系統。任何藥物理論上都可以篩選，比如針對胃癌可以篩選100 種藥物。 通過研究現有的抗癌藥物組合的靶點和癌癥基因表達譜特征，采用機器學習算法，提取出具有協同作用的抗癌藥物組合的網絡靶向特征，并將其用于潛在協同藥物組合的排序篩選。RACS 系統先后在B-細胞淋巴癌、乳腺癌和肺癌細胞系上分別進行了實驗驗證，并利用斑馬魚腫瘤模型，驗證出一組具有強協同作用且低毒的抗乳腺癌協同藥物組合。

劉杰教授表示，RACS 是一個大規模的人工智能篩選系統，各種癌癥都可以通過RACS 系統上篩選出上市藥物。當輸入患者的資料 ，就能提供一個用藥指導方案，臨床驗證效果非常好，他們團隊正在進一步完善這一系統。

第二，腫瘤免疫治療——第四代分泌型CAR-T。

腫瘤治療領域突破性進展主要體現在免疫治療領域，腫瘤免疫治療被《科學》（Science）評為2013 年“年度突破”之首。這種觀點認為，機體免疫系統是抗腫瘤的前沿與核心，是當下腫瘤治療領域最具前景的發展方向之一。

2018 年，免疫檢查點抑制劑（PD-1/PDL1 抗體）摘得諾貝爾生理學或醫學獎的桂冠，而免疫治療的另一支主力——CAR-T 也迎來了多次重要發現與突破。CAR-T 抗擊腫瘤的原理是給患者自身的免疫細胞T細胞加入一段外源基因，通過基因改造使其表面表達CAR 受體，CAR 受體上可以裝上針對不同配體的“雷達”，從而使患者自身的免疫細胞能夠識別不同的腫瘤，并將其消滅。其原理是經嵌合抗原受體修飾的T細胞能特異性識別靶抗原，并能脫離主要組織相容性復合體的限制，單獨執行殺傷靶細胞的功能。

《新英格蘭醫學雜志》（NEJM）在2013 年以及Annual review 雜志在2014 年報道，針對CD19 抗原的CAR-T 細胞對急性淋巴細胞白血病的完全緩解率超過90%。實際上，目前CAR-T 免疫治療大多都是針對血液系統腫瘤，那么對實體瘤怎么治療呢？腫瘤細胞可通過PD-1 等免疫檢查點抑制T 細胞殺傷功能；阻斷該分子就能激活T 細胞。已有靶向PD-1 和CTLA-4的四種抗體藥物獲批上市，治療非小細胞肺癌、惡性黑色素瘤等。目前全球登記臨床試驗已達到237 項（Clinicaltrials.gov）。比 如，KEYNOTE-001 研 究 針 對PD-1 單抗，治療非小細胞肺癌495 例，PD-L1 ＜50%，ORR 19.4%，PFS 3.7 個 月。NCT01295827 研 究 針 對PD-1 單抗，治療晚期惡性黑色素瘤173 例，ORR 26%。

嵌合抗原受體修飾的T 細胞（CAR-T）根據不同的胞內信號轉導結構域可分為：第一代CAR-T：僅包含CD3-zeta；第二代CAR-T：包括CD3-zeta 和一種共刺激分子結構域；第三代CAR-T：包含CD3-zeta和兩種共刺激分子結構域，因為T 細胞活化需要兩個信號。綜合2010 至2014 年Molecular therapy 雜志等文獻發現，CAR-T 治療實體瘤效果不佳的原因主要有：一是生物屏障，經靜脈回輸的CAR-T 細胞要發揮治療作用，必須通過血液循環系統，趨向到腫瘤部位，只有少量CAR-T 細胞能最終靶向腫瘤部位并接觸到抗原豐富的腫瘤組織；二是免疫抑制微環境，調節性T細胞（Treg）等細胞及其分泌的細胞因子，如IL-10 可以通過直接或間接的方式抑制T 細胞的功能。基因修飾途徑以逆轉錄病毒介導易造成基因組突變，持續表達易造成嚴重副作用。

在過去的幾年里，CAR-T 細胞療法與雙特異性抗體療法使T 細胞能有效地靶向CD19 等抗原，使罹患B 細胞惡性癌癥的患者得到了極好的緩解，也為腫瘤免疫療法領域帶來了革新。2011 年至2013 年Expert Opin Biol Ther 等雜志發表的文獻顯示，雙特異性T 細胞連接子（BiTEs），利用單鏈雙特異性抗體技術將同一或不同細胞上兩種單克隆抗體（抗原表位）連接起來。局限性為半衰期短，內源的效應T 細胞不足以及嚴重副作用。

第四代實體瘤CART 的研制由劉杰教授團隊和儲以微教授團隊開展。體內實驗：裸鼠皮下荷瘤胃癌細胞，第8、14、20 天靜脈注射HER2-CART 細胞，HER2-CART 顯著抑制腫瘤生長，延長裸鼠生存期。第四代GPC3-CAR 結構以CD3 抗體代替傳統CAR的胞內段，并mRNA 電轉T 細胞表達。目前研究已完成并發表了相關論文。

第三，“腫瘤新抗原”疫苗比CAR-T 治療更安全。

劉杰教授團隊開展的另一項工作是國家基金委的重點項目——新抗原疫苗的研制工作。研發流程主要包括以下四個方面。一是新抗原人工智能預測。基于人工智能與表位肽預測融合排序，構建腫瘤個體化抗原肽組合疫苗。二是新抗原免疫功能評估。體內外實驗確定新抗原肽的免疫原性以及特異性。三是新抗原疫苗臨床試驗。設計新抗原肽組合疫苗Ⅰ期臨床試驗，驗證其安全性和有效性。四是新抗原肽組合疫苗注射前后T 細胞發生變化的機制研究。目前該項研究的結果已經發布。

2017 年7 月13 日《自然》（Nature）雜志同一天發布兩項基于新抗原的個體化腫瘤疫苗研究，文章結論是腫瘤新抗原臨床應用安全、可行且療效明顯。《自然》（Nature，2017 年7 月）報道6 例晚期惡性黑色素瘤接受Neoantigen 對應的抗原肽制備的疫苗治療，其中4 例注射后25 個月維持無復發，2 例注射后出現復發者接受PD-1 抗體治療后完全緩解。Nature 雜志（2017 年）報道13 例晚期黑色素瘤注射neoantigen 對應RNA 制備的個體化疫苗后，無復發生存期明顯延長。

腫瘤新抗原（neoantigen）是由腫瘤細胞基因變異產生，是一種位于腫瘤細胞表面主要組織相容性復合物的抗原表位肽（8～12 肽），不存在于正常組織。具有強免疫原性，使免疫學會識別其為“非我”抗原。新抗原（neoantigen）可為提升腫瘤疫苗的療效提供幫助。那么，新抗原人工智能預測又是什么？它是基于人工智能與表位肽預測融合排序系統構建腫瘤個體化抗原肽組合。腫瘤特異性突變篩選，原代腫瘤細胞尋找非同義突變，外周血單個核細胞PBMC 進行HLA Ⅰ、Ⅱ分型，人工智能SEPPA，抗原表位與HLA 親和力預測。CE-BLAST 抗原表位識別TCR 相似度預測，再通過融合排序系統的突變嵌合親和力差異、基因表達水平、TCR 結合概率、腫瘤突變負荷、基因功能評估、陰性過濾等計算規則，獲得潛在新抗原肽組合。

為什么現在能研制腫瘤新抗原疫苗而以前不能？劉杰教授認為，這是因為人工智能和大數據出現之前，很多抗原都是正常細胞有而腫瘤表達高的相關抗原；而借助人工智能和大數據后，就能找到健康細胞沒有而腫瘤細胞有的抗原表位肽（8～12 肽），找到后進行大量的排序和人工智能評估，觀察是否有體外激活功能，再通過制備疫苗進行機體免疫治療，在切除腫瘤后立刻進行治療預防雙管齊下，注射特異性的新抗原疫苗。通過這項免疫技術治療非常安全，效果較為理想，而CAR-T 治療尚無法避免細胞因子風暴的產生。

專家小傳

劉杰教授，復旦大學附屬華山醫院消化科主任、博士生導師、教授、主任醫師。擅長癌前病變的早期預警及干預、消化腫瘤的綜合診治及康復，消化系統疑難雜癥。國家“長江學者”獎勵計劃特聘教授；國家“杰出青年基金”獲得者；國家人事部新世紀百千萬人才工程“國家級人選”；國家教育部“新世紀優秀人才”資助計劃獲得者；上海市“優秀學科帶頭人”及上海市“領軍人才”。復旦大學消化疾病研究所所長，復旦大學生物醫學研究院雙聘教授。留學美國Thomas Jefferson 大學6 年。主要從事臨床疑難病例研究及消化腫瘤的綜合診治，包括腫瘤的早期預警，腫瘤高危患者篩選及干預，腫瘤患者的個體化精準綜合治療及康復方案選擇。克隆出國際上未見報道的肝硬化癌變早期預警新基因，具有重要的癌變預警價值；率先建立核酸適配體篩選平臺并鑒定出抗胃癌、肝癌和乙肝特異性核酸適配體，填補本領域國內空白，提供了腫瘤早診及抗乙肝新藥創制全新策略；臨床研究中積極走轉化醫學之路，在Nature 子刊發表的臨床病例研究被美國醫師協會推舉為繼續醫學教育教材。利用模糊數學理論建立了胃癌前病變癌變概率的判別模式，對高危癌前病變的判定具有重要價值。先后獲得世界胃腸病學大會“青年醫師獎”、省級“十大杰出青年” 、賽克勒中國醫師“年度獎”、上海市“優秀學科帶頭人” 、教育部“長江學者”特聘教授等榮譽。