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吴家睿：中国科学院上海生命科学研究院生物化学与细胞生物学研究所 研究员 法国博纳济贫院（中世纪的慈善医院） 吴家睿摄 导读 尽管人类在维护自身健康的能力方面已经有了显著的提升，仍然要清醒地认识到，面对肿瘤和糖尿病等复杂性疾病的危害，人们的防治能力依然存在着相当的局限性，临床决策的潜在风险难以避免。正因为治疗有风险，医学更需要信任。
世界已经进入老龄化社会，人类今天的预期寿命比过去有了明显地增加。这充分表明人类对自身健康状态的控制和维护能力有了长足的提升；科学和医学的进步显然在其中起到了极大的作用。但是，我们在对科学和医学控制疾病的能力充满信心的同时，也要认识到临床实践中依然存在着不确定性这样的“诸葛亮困境”。 诸葛亮是古典名著《三国演义》中决策能力最强的智者，上知天文下知地理，运筹于帷幄之中，决胜于千里之外。但也还是这样一位智者，错误决定起用马谡做主帅，导致了街亭之战的失败，只能在事后“挥泪斩马谡”；民间还为此引申出一个成语“事后诸葛亮”，描写那些用最终结果来表现自己“正确决策”的伪智者。显然，人们都希望做一个能够在行动之前“神机妙算”的诸葛亮，而非只会放“马后炮”的事后诸葛亮。这一点在医学领域尤为重要，“人命关天”。在每一次临床实践中，医生和患者双方都要面临一个抉择治疗方案的过程。由于目前威胁人类的主要疾病是肿瘤、糖尿病和神经退行性疾病等复杂性疾病，因此，在现实世界中，常常看到的是治疗决策与治疗结果之间的不一致性。也就是说，人们在临床实践中总认为自己是一个能按照预期治疗效果提出正确治疗方案的“诸葛亮”，但有时事与愿违，只能做一个面对实际治疗结果进行评价的“事后诸葛亮”。笔者称之为“诸葛亮困境”。 在当今的临床领域，充满了各种成功或者失败的案例，各种专业或者非专业的经验和建议。这些往往成了患者或者患者家属做治疗决策的基础。例如，美国研究人员通过对大约20年汇集的乳腺癌和前列腺癌临床数据的分析揭示，有些肿瘤病人可以不治而愈。于是乎人们相信，某些情况下即使体内有了肿瘤，也可以不用治疗。显然，如果采用这样的决策方式实际上是用患者自己的生命去冒险；美国苹果公司的创始人乔布斯就是这样一个典型。虽然乔布斯知道自己患的是一种生长较慢，容易通过手术治愈的胰腺肿瘤，但他却拒绝医生、家人和朋友要他立刻进行肿瘤切除手术建议，而是采用了另类治疗方案，如实行严格的素食，尝试针刺疗法和草药。乔布斯就这样拖了9个月才决定做手术，但为时已晚，医生在手术过程中发现癌细胞已经转移。 医生作为专业人士，有理由期望他们能够成为真正的诸葛亮，药到病除，妙手回春。早期的医学属于经验医学，治疗决策主要取决于医生的个人经验，存在明显的主观性和局限性；临床经验按照现行医学的循证等级被定为第4级，仅仅比第5级“细胞试验或者动物试验”略高。随着20世纪循证医学（Evidence-based medicine）的出现，医生的治疗决策主要依靠“临床诊疗指南”；这类指南建立在“随机对照试验”（Randomized controlled trial, RCT）获得的临床证据之上，其客观性和科学性显然有了很大的提高；因此，随机对照试验的循证等级最高，为第1级。但是，这种基于大样本和统计分析的临床指南在临床实践中却往往表现得不够精确，于是又有了当前流行的强调个体化的精确医学（Precision medicine）（详见笔者的文章“精确医学的主要特征”,《医学与哲学》2016,37:1）。 然而，不论是什么类型的医学，有一点很难改变，那就是医生依然逃脱不了“诸葛亮困境”，即医生在做临床治疗决策时，对疗效并不总是有绝对的把握；因此治疗决策是否正确是一个概率问题。人们也许都听到过医生在临床实践中常常采用的术语：“一线治疗” 和 “二线治疗” 等；例如2017年6月在美国芝加哥召开的美国临床肿瘤学会年会（ASCO），公布了关于肝癌III期临床研究成果：索拉非尼仍是中晚期肝癌的一线治疗药物，但是，针对基因MET抑制剂（Tivantinib）作为索拉非尼治疗失败后治疗肝癌的二线治疗药物，并没有表现出很好的疗效。也就是说，我们可以从概率的角度来看医生的治疗决策，一线治疗是指针对某种疾病产生疗效的可能性最大，因此是首选的治疗方案；而二线治疗则是指一线治疗失败之后的预备治疗方案，其产生药效的概率小于一线治疗；显然，如果被称为三线治疗甚至四线治疗，其药物响应率肯定比二线治疗还要小。 人们常常提及美国医生特鲁多（E. Trudeau）的墓志铭，“偶尔去治愈，常常去缓解，总是去安慰”（To Cure Sometimes, To Relieve Often, To Comfort Always）。笔者认为，这句话很好地反映了医生在治疗肿瘤、糖尿病等复杂性疾病所面临的“诸葛亮困境”：去安慰病人是医生最有把握做到的；为病人缓解病痛对医生而言也有较大的把握；但是，治愈疾病的概率则要小得多；医生在治疗时不论采用什么样的治疗方案，并不能确保一定能够治好病人。可以这样说，人们面临两座难以逾越的生物学“大山”：慢性病发生和发展的高度复杂性，以及个体之间和个体内部的高度异质性。因此，不论采用什么样的方法，随机对照研究，真实世界研究，转化型研究；不论遵循什么样的医学，循证医学，精确医学，转化医学，我们都不能消除治疗决策中的不确定性及其潜在风险。
慢性病是复杂性疾病 20世纪中叶，随着遗传信息载体DNA双螺旋的发现，以及对生物功能执行者蛋白质的结构和功能的揭示，诞生了一门新学科——分子生物学，把生命活动还原到分子层次上进行研究和解释。这种还原论模式还延伸到疾病研究领域，把危害人类的肿瘤和糖尿病等慢性非传染性疾病都称为“分子病”（Molecular diseases）,认为这些疾病的发生发展基本上源于机体内个别基因或个别蛋白的功能异常；形象地称为“一个基因一种疾病”（One gene, one disease）。 还原论指导下的研究者普遍认为，不论是什么样的疾病，只要找到了特定的致病基因或者蛋白质，就能够针对这些分子靶标开发出相应的诊治方法，从而有望治愈该疾病。正是基于这种乐观的预期，美国政府1971年启动了世界级抗击肿瘤的“战争”（War on cancer）。遗憾的是，疾病并不是人们想的那样简单！44年后，美国著名肿瘤研究专家温伯格(R. Weinberg)在《Cell》杂志上用 “一个完整的循环：从无尽的复杂性变为简单性然后又重回复杂性”为题，回顾了这场失败的“肿瘤战争”。他在文章摘要中这样写道，“从事肿瘤研究的科学家见证了这个时期的疯狂转变：从最初面对无数难以理解的病理现象的困惑，到树立了还原论必胜的信念，最近几年再回到重新面对肿瘤这个疾病无尽的复杂性”[1]。 肿瘤这潭“浑水”究竟深到什么程度，使得专家们研究了几十年后依然望“瘤”兴叹？可以这样说，生命有多复杂，肿瘤就有多复杂。涉及肿瘤复杂性的文章不计其数，笔者在这里介绍2017年3项有代表性的工作，“以窥一斑”。 肿瘤细胞染色体上DNA序列变异被公认为是肿瘤发生和发展的关键。2017年3月，《自然》杂志报道了一项美国科学家的发现：在17种不同肿瘤类型的肿瘤细胞系、患者来源的肿瘤模型和肿瘤组织中，近一半肿瘤类型的肿瘤细胞里存在着许许多多“非染色体DNA” （extra-chromosomal DNA，ecDNA）的小碎片；在患者来源的异种移植脑瘤模型中，出现ecDNA的概率高达90%。与之相反，ecDNA在正常细胞中几乎检测不到。这些ecDNA往往以环状的形式出现，并带有多个癌基因拷贝，可能在加速肿瘤演化和耐药性方面扮演着重要的角色[2]。因此，研究者不能忽视肿瘤细胞内的DNA小碎片；它们的存在不仅增加了肿瘤的遗传复杂性，而且还明显地增加了肿瘤研究的难度。 肺癌或肝癌等实体瘤的肿瘤细胞远端转移是肿瘤恶性程度增加的标志。经典的肿瘤转移模型认为，当原位肿瘤组织发展到一定程度后，一些肿瘤细胞浸润（invasion）到肿瘤边缘相邻的正常组织并进入这些组织的血管。美国科学家最近发现，大多数肿瘤细胞在转移时可能走的是一条出人意料的捷径，即直接渗透到肿瘤组织核心区的新生血管。也就是说，原发性肿瘤可以通过肿瘤边缘浸润和肿瘤核心区内渗两种相互独立的方式实现肿瘤细胞转移。更重要的是，这种新的肿瘤转移模式表明，原发性肿瘤能够在肿瘤细胞浸润相邻组织之前就发生转移；因此,即便是早期肿瘤患者，同样也存在肿瘤转移的风险[3]。不仅肿瘤血行转移理论受到挑战，而且肿瘤组织周边的淋巴结是肿瘤细胞远端转移的重要途径的观点也受到了挑战。最近发表在《科学》上的一项关于结肠癌肿瘤细胞远端转移的研究揭示，高达65%患者的肿瘤细胞转移不需要经过淋巴结，直接从原位肿瘤转移到其它组织[4]。这两项工作表明，虽然人们观察到肿瘤转移这一现象已经150多年，但至今肿瘤转移的基本机制仍不是很清楚。 除了肿瘤之外，糖尿病和神经退行性疾病等慢性病同样也是复杂性疾病。目前我国糖尿病患者已经超过1亿，并且患病人数还有继续增加的趋势。糖尿病对人的危害是巨大的，通过对中国50万人大数据的分析显示，中国成年糖尿病患者平均减寿9年。虽然研究人员在糖尿病方面已经进行了长期的研究，但是其结果并不理想。《自然》杂志在2012年5月刊发了一期糖尿病专辑，其中一篇文章这样写到：“对糖尿病的病因研究已有数十年，仍未得到明确答案”。阿尔茨海默症（Alzheimer's disease，AD）是威胁老年人健康的主要疾病，2016年全球AD患者约4700万人，预计2030年全球将有超过7400万AD患者。AD 的病因迄今未明；一种得到广泛认可的观点是，β淀粉样蛋白在脑内的沉积导致大脑神经元损伤和死亡。基于这一观点，自2010年以来，礼来、辉瑞、强生、罗氏、默沙东等跨国药企投入数十亿美元研发治疗AD的药物，但均以失败告终。今天的医生对AD 依然束手无策。 机体的大部分性状如体重和血压等都属于复杂性状，受到多个基因的控制。显然，慢性病的各种病理症状也基本上属于复杂性状。为了解释遗传因子与复杂性状之间的关系，研究者过去提出了一个得到广泛接受的 “多基因模型”（Polygenic model）；其要点是，每一个特定的复杂性状通常涉及到数十个基因的直接作用；这些基因称为核心基因（Core genes）。显然，多基因模型使得研究者关注决定性状的核心基因。但是，生物体内的情况并非这样简单，从系统生物学的角度来看，基因组内的每个基因通常都与若干基因相互关联，形成一个所谓的“小世界网络”（Small world network）。基于系统生物学理论和大数据分析，美国科学家最近提出了一个新的模型——“全基因模型”（Omnigenic model）来解释基因是如何控制复杂性状：在细胞内不仅存在对某个特定性状有直接作用的核心基因，而且存在着数量更大的与核心基因有相互作用的外围基因（Peripheral genes），这些外围基因对该性状具有间接的影响；尽管单个外围基因相比核心基因而言对复杂性状的作用是微小的，但由于这些外围基因的总数远远超过核心基因，因此复杂性状的遗传特性不能简单地归因于少数核心基因，而需要整体地考虑来自众多外围基因的微小贡献[5]。也就是说，由于各个基因间存在着广泛的关联和相互作用，因此基因组内每一个基因或多或少都参与到了疾病的发生与发展。
个体间和个体内存在高度异质性 个体与个体之间在基因型和表型方面有着很大的差别，这已经是一个广为人知的事实。人们曾经认为，同卵孪生的双胞胎的遗传信息应该是完全一致的，但现在的研究却证明，二者之间存在不同程度的遗传差异。通过19对同卵双胞胎的基因组序列的比较，研究者发现双胞胎两个个体的基因组具有的“拷贝数差异”（ Copy-Number-Variation, CNV）彼此间存在着程度和分布的不一致性。另外一项关于两对同卵双胞胎家庭的基因组序列分析工作发现，双胞胎两个个体的基因组上不仅有CNV的差别，而且还存在着0.12%的单核苷酸多态性（SNP）的差别；这些序列差异涉及到多个精神分裂症相关的基因。重要的是，在这两对同卵双胞胎家庭中，每对双胞胎中只有一个患有精神分裂症[6]。也就是说，同卵双胞胎不仅在基因组序列上存在差异，而且在表型上也有明显差异。 肿瘤细胞具有逃脱体内免疫系统攻击的能力。近年来，阻断肿瘤免疫逃逸能力的免疫治疗方法已经成为了抗击肿瘤最有效的手段；例如免疫检查点抑制剂PD-1抗体可以将转移性黑色素瘤患者的5年生存率从17%提高到34%，将非小细胞肺癌患者的5年生存率从4%提高到16%。但是，这个药物并非对每个患者都有效，例如转移性黑色素瘤患者中仍有一半以上的患者没有获得疗效。研究人员发现，该抗体药物能够重新激活患者体内衰竭的T细胞，患者对这种药物的免疫响应率可以达到74%；但是，这些存在免疫响应的患者中，却只有38%的患者能够表现出临床疗效；究其原因是与不同患者的肿瘤大小有关系，即肿瘤负荷大到一定程度的患者难以在PD-1抗体的作用下重新活化其体内的衰竭型T细胞[7]。最近有多项研究指出，有些患者在接受了PD-1抑制剂的治疗后，不仅没有表现出临床获益，反而加速了肿瘤生长；而且这种加速现象在 65 岁以上的患者更为常见。 随着核酸测序技术和分子影像技术等分析能力的提升，人们能够在个体组织水平上开展单细胞和单分子等更为精细的研究，进而看到了机体广泛存在着内部异质性（Intra-heterogeneity）。过去的肿瘤克隆理论认为，一个肿瘤通常是从一个具有特定的基因突变的异常细胞扩增而来；因此，这个肿瘤组织中的每一个肿瘤细胞应该具有相同的基因组变异。《自然》杂志2014年发表的一项乳腺癌单细胞基因组测序工作表明，一个肿瘤组织上的各个肿瘤细胞之间有着不同的基因突变。中国研究人员随后发表在美国科学院院刊的一篇文章指出，肿瘤组织内部的遗传突变数量可能远远大于人们的想象：在一个直径大约为3.5厘米的肝癌组织上可能有上亿个遗传突变，而且这些突变在这个肝癌组织上不同肝癌细胞中的分布是不一样的[8]。此外，肿瘤细胞内含有非染色体DNA（ecDNA）的发现，为肿瘤细胞异质性的产生提供一种全新的机制：由于ecDNA没有着丝粒，因此它们在细胞分裂的过程中被随机地分配到两个子细胞中，导致不同的肿瘤细胞带有不同拷贝数的ecDNA[2]。 机体内的异质性不仅表现为单个细胞之间的基因组序列差异，而且也存在于基因表达等功能活动以及相关的微环境中。《科学》杂志2016年刊发的一篇文章报道了19个黑色素瘤患者4千6百多个细胞的单细胞RNA测序结果，不仅在每个肿瘤组织内的各个肿瘤细胞之间的RNA表达谱有着很大的差异，而且在肿瘤微环境中的免疫细胞，基质细胞和内皮细胞等每种细胞类型中都表现出明显的细胞间基因表达谱差异。不久前，中国科学家通过对肝癌微环境中5千多个肿瘤浸润T淋巴细胞的单细胞测序分析，揭示出肿瘤特异的各种T细胞亚群以及初始T细胞向衰竭（Exhaustion）状态的发展轨迹，并在衰竭的杀伤性T细胞亚群中发现了一类抑制性T细胞的存在[9]。这些工作表明，个体内部的肿瘤微环境存在着高度的异质性。 个体的内部异质性不仅表现在病理性状中，而且与机体的生理状态也有密切的关系。不久前，美国研究人员利用单细胞转录组测序技术，系统地比较了老年小鼠与年轻小鼠各种类型的免疫细胞的基因表达谱；研究者发现，在年轻老鼠同一类型的免疫细胞中，各个细胞之间的基因表达谱没有明显的差异；各个细胞能够很好地协同工作，完成机体需要的免疫功能。但是，在老年老鼠体内的同类型免疫细胞中，各个细胞之间的基因表达差异明显增加，导致这些细胞彼此的协调性明显降低，从而降低了对老年老鼠的免疫保护功能[10]。显然，随着分析精度的提高，研究者将会越来越多地揭示出体内组织细胞之间存在的差异，以及这些内在差异导致的个体间生理表型或病理性状的异质性。这种个体的内在异质性已经成为当今研究人员和医生必须面对的全新挑战。
医学需要信任 假如本文中提到的乔布斯的故事是另外一种版本：不治而愈；我们是否就有理由去否定医学，放弃治疗？从上面的讨论可以看到，不论是患者还是医者，在做治疗决策时都不能排除潜在的风险。虽然医学界有时发生过德国著名记者布莱克（J. Blech）的畅销书《无效的医疗》中描写的“手术刀下的谎言和药瓶里的欺骗”那样的个案，但更多时候医疗的无效是源于疾病的复杂性和医学能力的有限性。从这个意义上说，不能盲目地迷信医学，认为医生是万能的。但是，我们也要警惕另一种极端。有人在评价《无效的医疗》一书时发出这样的号召，“我们要为自己的健康负责，医生只是我们的助手”。这种提法无疑是贬低专业人士的决策能力，要人们去相信自己的非专业决策能力。从以上的分析可以看到，医生在做治疗决策时，通常都是科学地选择有效性尽可能大的方案，而非专业人士做出的决策要想成功的概率显然会小得多。换句话说，专业人士排除不了的治疗决策风险大多数情况下一般人更难以排除。正因为治疗决策有风险，我们更需要信任医生。
[1] Weinberg R. Coming full circle—from endless complexity tosimplicity and back again. Cell,2014, 157(1):267-271. [2] Turner K M, Deshpande V, Beyter D, et al. Extrachromosomal oncogene amplificationdrives tumour evolution and genetic heterogeneity. Nature, 2017, 543(7643):122-125. [3] Deryugina E I, Kiosses W B. Intratumoral cancercell intravasation can occur independent of invasion into the adjacent stroma.Cell Reports,2017, 19(3): 601-616. [4] Naxerova K, Reiter J G, Brachtel E, et al. Origins oflymphatic and distant metastases in human colorectal cancer. Science, 2017, 357(6346):55-50. [5] Boyle E, Li Y I, Pritchard J K. An expanded view ofcomplex traits: from polygenic to omnigenic. Cell, 2017, 169(7): 1177-1186. [6] Maiti S, Bhoge K H, KumarG et al. Ontogenetic de novocopy number variations (CNVs) as a source of genetic individuality: studies ontwo families with MZD twins for schizophrenia. PLoS ONE, 2011, 6: e17125. [7] Huang AC., Postow M A, Orlowski R J, et al. T-cell invigoration to tumour burden ratioassociated with anti-PD-1 response. Nature, 2017, 45(7652):60-65. [8] Ling S,Hu Z, Yang Z, et al. Extremely high geneticdiversity in a single tumor points to prevalence of non-Darwinian cellevolution.PNAS, 2015,112(47):E6496-E6505. [9] Zheng C H, Zheng L T, Yoo J K, et al. Landscape of infiltrating T cells inliver cancer revealed by single-cell sequencing. Cell, 2017, 169(7): 1342-1356. [10] Martinez-Jimenez C P,Eling N, Chen H C, et al. Aging increases cell-to-celltranscriptional variability upon immune stimulation. Science, 2017, 355(6332):1433-1436.
本文原载于《科学》杂志2017年第5期，略有修改。 欢迎个人转发，公众号和报刊等转载请联系作者授权
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