个体化医疗的现状与未来四 . 生物标志物研究

吕林莉 M.D., Ph.D.

东南大学医学院

Outline

• 生物标志物的概念• 如何评价生物标志物？• 生物标志物的研究方法？

生物标志物的概念

什么是生物标志物 (biomarker) ？• “measurable and quantifiable biological para

meters” -- a Medical Subject Heading (MeSH) ter

m, 1989

• “ A characteristic that is objectively measured and evaluated as an indicator of normal biological processes, pathogenic processes or pharmacological responses to a therapeutic intervention.”

--Biomarker Definitions Working Group, 2001,NIH

Features of a Useful Biomarker

High sensitivity and specificityEasy accessible sampleCorrelation with histological scoringChange in advance of clinical signsTranslational from research to clinical use

Biomarker Examples

• Cholesterol is one of the most well-known biomarkers of cardiovascular health

• Physical measurements: body temperature (fever); blood pressure (stroke risk)

• Other biomarkers:• blood sugar level (diabetes)• antigens (hepatitis)• proteins (heart attack)• genetic variations (Huntington’s disease)

生物标志物的临床应用

Ludwig JA et al. Nature reviews 2005,5: 845-856

• 目前临床很多疾病的诊断依赖病理诊断，但不能作为常规筛查、监测手段

• 众多疾病缺乏早期、特异性生物标志物• 治疗缺乏个体化方案

生物标志物应用现状

Clin J Am Soc Nephrol 3: 1895–1901, 2008.

Biomarkers for chronic kidney disease

Are we treating sub-populations?

疾病 药物 无反应率

抑郁 SSRIs, SNRIs, TCAs 40-60%

哮喘 ß-adrenergics, LTD4 4-75%

糖尿病 Sulfonylurea, Biguanides, Glitazones

50-75%

肿瘤 ( 乳腺癌 肺癌 )

Various 70-100%

From Kalow, Tyndale & Meyer, Pharmacogenomics, 2001

Novel biomarkers are needed

Early, accurate diagnosis -Individualized therapy and improved treatment

outcomes

Better defined populations will allow more specific drugs-Better efficacy

-Fewer side effects

“The use of biomarkers will change medical practice from a population-based approach to an individualized approach”

Felix Frueh, Associate Director of Genomics at CDER, FDA

如何评价生物标志物？

常用评价指标

（一）敏感性（二）特异性（三） Youden 指数（四）阳性似然比（五）阴性似然比（六）阳性预报值（七）阴性预报值（八） ROC 曲线

ECG诊断试验的结果

ECG诊断结果

心肌梗塞

合 计出现 不出现

阳性 阴性合计

416(TP) 9（ FP） 425

104(FN) 171（ TN） 275

520 180 700(N)一、敏感性（ Sensitivity): TP/(TP+FN)=TPR (true positive rate)TRP=Sen=416/(416+104)=0.8

该指标只与病例组有关，反映了诊断试验检出病例的能力

ECG诊断试验的结果

ECG诊断结果

心肌梗塞

合 计出现 不出现

阳性 阴性合计

416(TP) 9（ FP） 425

104(FN) 171（ TN） 275

520 180 700(N)二、特异性（ Specificity) Spe=True negative rate(TNR)= TN(FP+TN)=171/(171+9)=0.95

该指标只与对照组有关，反映了诊断试验排除非病例的能力。

灵敏度与特异度的优缺点优点：灵敏度与特异度不受患病率的影响，

其取值范围均在（ 0, 1 ）之间，其值越接近于 1 ，说明其诊断准确性越好。

缺点：当比较两个诊断试验时，单独使用灵敏度或特异度，可能出现矛盾。

解决办法：将两指标结合： Youden 指数、阳性似然比、阴性似然比等

ECG诊断试验的结果

ECG诊断结果

心肌梗塞

合 计出现 不出现

阳性 阴性合计

416(TP) 9（ FP） 425

104(FN) 171（ TN） 275

520 180 700(N)三、 Youden 指数，

=Sen+Spe-1=TPR-FPR =0.8-0.05=0.75

Youden 指数取值范围在（ 0 ， 1 ）之间，其值越接近 1 ，诊断准确性越好。

ECG诊断试验的结果

ECG诊断结果

心肌梗塞

合 计出现 不出现

阳性 阴性合计

416(TP) 9（ FP） 425

104(FN) 171（ TN） 275

520 180 700(N)

ECG诊断试验的结果

ECG诊断结果

心肌梗塞

合 计出现 不出现

阳性 阴性合计

416(TP) 9（ FP） 425

104(FN) 171（ TN） 275

520 180 700(N)

医生最关心的问题： 1. 试验阳性时患病的概率多大？ 2. 试验阴性时不患病的概率多大？

阳性预测值是在诊断试验阳性的受试者中，标准诊断有病的病例（真阳性）所占的比例

阴性预测值则是在诊断试验为阴性的受试者中，标准诊断证实无病的受试者（真阴性）所占的比例。

ECG诊断结果

心肌梗塞

合 计出现 不出现

阳性 阴性合计

416(TP) 9（ FP） 425

104(FN) 171（ TN） 275

520 180 700(N)

阳性预报值与阴性预报值

ROC 曲线

ROC （ receiver operating characteristic 的缩写，译为“接受者工作特征”）

ROC 曲线研究历史1950’s 雷达信号观测能力评价1960’s 中期 实验心理学、心理物理学1970’s 末与 1980’s 初 诊断医学

ROC 的涵义与起源

不同诊断界值时灵敏度与特异度间的平衡 (trade off)

0

20

40

60

80

100

50 60 70 80 90 100

特异度灵敏度

百分率（％）

Receiver Operating Characteristic curve Area Under Curve (AUC) - Graphed

Curve 1 = .50 Pure chance…no better than random guess

Curve 3 is better than Curve 2

Curve 4 = 1.0 Totally Sensitive completely accurate classification of effectively and less-effectively instructed students

诊断准确度较低（ <0.7 ）

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0FPR

TPR

A ＝0.664

诊断准确度中等（0.7~0.9）

0. 0

0. 2

0. 4

0. 6

0. 8

1. 0

0. 0 0. 2 0. 4 0. 6 0. 8 1. 0FPR

TPR

A ＝ 0.830

诊断准确度较高（ > 0.9）

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0FPR

TPR

A ＝ 0.938

ROC 曲线下面积（ Area ）与诊断准确度高低高 0.90-1.00 = excellent (A)

中 0.80-0.90 = good (B) 0.70-0.80 = fair (C)

低 0.60-0.70 = poor (D) 0.50-0.60 = fail (F)

ROC 曲线小结 ROC 曲线反映了灵敏度与特异度间的平衡

( 增加灵敏度将降低特异度；增加特异度将降低灵敏度 ) 。

在 ROC 曲线空间，如果曲线沿着左边线，然后沿着上边线越紧密，则试验准确度越高。

在 ROC 曲线空间，如果曲线沿着机会线（ 45 度对角线）越紧密，则试验准确度越低。

ROC 曲线下面积是重要的试验准确度指标。

生物标志物研究方法

phase Phase1Preclinical Exploratory

Phase2

Clinical Assay and Validation

Phase3

Retrospective

Longitudinal

Phase4

Prospective Screening

Phase5

Disease control

Objective Target biomarker identification, feasibility

Study assay in people with and without disease

Case-control studies using specimens

Longitudinal studies to predict disease

Clinical use

Site Biomarker development lab

Biomarker validation lab

Clinical epidemiologic centers

Cohort studies Community

Design Cross-sectional

Cross-sectional

Case-control prospective RCT

Sample size

small small modest medium large

Vasan RS. Circulation. 2006;113:2335-2362.

The Agendia MammaPrint Test

首个 FDA 批准的基因组检测试验 -- Feb. 2007

How they got there ？• 2002 – Discovery of 70 gene signature (117

patients)• 2002 – Duplication of results (in another

sample set:295 patients)• 2006 – Assay performance• 2006 – Optimized array format:

reproducibility; back to original sample set• 2006 – External confirmation (307 patients, 5

hospitals)• 2007 – Approval by FDA

生物标志物研究技术• 传统研究方法： PCR, Western blotting, ELISA, et al

• 新型研究方法： 基因组学技术 蛋白质组学技术： 2-DIGE/MS, 蛋白质芯

片

生物标志物研究面临的挑战

• The multidisciplinary nature of biomarker discovery & development

• Complex– Multiple disciplines– Heterogeneous populations– Standards not established

• Expensive– Human resources– Multiple technologies