2.2 现代健康医学使用的各种疾病风险预测/检测技术方法
现代健康医学使用基因测序、端粒长度检测、液体活检（ctDNA、microRNA、CTC、Exosome 和TEP）、肿瘤标志物检测、免疫细胞检测、组织/分子病理、功能医学检测、影像学、数据库预测/人工智能（AI）等技术方法，在分子、核酸、蛋白、细胞、器官、组织、免疫功能、人体各主要系统等多个维度，进行包括大数据分析在内的疾病风险评估和筛查检测，为精准干预提供依据。下面简要介绍现代健康医学在疾病风险预测/检测中常用的一些技术方法。
（1）疾病易感基因检测
有关人基因组的大量研究数据表明，部分人群中携带着某些疾病易感基因，当这些易感人群接触某些环境不良因素（包括物理、化学、生物因素）时，其疾病发生概率比不携带疾病易感基因的人群要高几十倍甚至几千倍。现代医学已经证明，所有疾病（除外伤）的发生均与基因有或多或少的关系，而易感基因与疾病发生率的关系非常密切，疾病是基因（内因）与外部环境（外因）共同作用的结果。
例如，加拿大McGill 大学的Foulkes 在《新英格兰医学杂志》上发表了美国死亡率最高的5 种癌症（肺癌、乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌和胰腺癌）的易感基因数据（表6-1）［8］，提示这些基因给其携带者带来相对较高的患癌风险。可通过连锁分析检测易感基因，使用几百个在基因组中平均分布的高多态性无名DNA 标志，分析在癌症患者的家庭成员中获得的DNA。根据年龄、是否患癌和是否有携带者可能性，对家庭成员进行易感人群分类。使用这类信息，可将疾病表型与一个特定多态性标志的等位基因相关联，计算该等位基因的lod 得分（对数优势比）。高分（≥3.0）表明该基因有很大机会靠近标志物（可能性≥1 000 ∶1），而低分（≤2.0）表明该基因肯定不靠近该DNA 标志基因座。
表6-1 根据在杂合子（单基因携带者）中的风险鉴定与常见癌症遗传有关的基因和基因座＊
（续表）
注：在高风险类别中，风险等位基因罕见（＜0.1%～0.01%）或极为罕见（＜0.01%）。在中等风险类别中，大多数风险等位基因极罕见，少数常见。在低风险类别中，大多数等位基因常见（＞10%）。
*在大多数人群中，此百分比接近1%，在犹太人群中接近5%。
在遗传性癌症中，基因的一个异常拷贝是从父亲或母亲的生殖细胞遗传的，另一个拷贝通过基因和染色体的重排、缺失或置换，在体细胞中被随机失活，结果造成在肿瘤抑制基因位置频繁出现杂合子的丧失，在肿瘤细胞中有双等位基因失活。肿瘤抑制基因中的遗传学双等位基因突变非常罕见，通常产生与单等位基因不同的表型（表6-2）。某些基因，如BRCA1 和APC，双等位基因突变与子宫内发育不相容，是致死的。
表6-2 单等位基因突变和双等位基因突变携带者的特定表型
（续表）
CMMR-D：组成型误配修复缺陷
根据Foulkes 的综述，可将肺癌、乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌和胰腺癌等癌症的主要易感基因归纳为三类：高危险度、中危险度和低危险度易感基因，其中高RR（相对危险度）基因如下：
美国Dana-Farber 癌症研究所和哈佛大学公共卫生学院的Marshall 等人 2013年3 月在Carcinogenesis（34 卷3 期487～502 页）发表了一篇关于肺癌遗传易感性的综述，对在肺癌遗传风险中起作用的特定遗传变异做了全面分析［9］。根据综合分析的结果，将参与肺癌遗传易感性的各种基因变异总结如下：
致癌物代谢基因
CYP1A1（T3801C，A2455G）
CYP2E1（RsaI/Pst1，DraI）
GSTM1（无效突变，Null）
GSTP1（A323G）
GSTT1（无效突变，Null）
NAT1（快速乙酰化）
NAT2（慢速乙酰化）
MEH ［T113C Tyr＞His （外显子3），A139G His＞Arg （exon 4）］
NQO1 ［外显子6 C＞T （Pro187Ser）］
MPO（G463A）
核苷酸剪切修复基因
ERCC2/XPD ［Asp312Asn （G＞A），Lys751Gln （A＞C）］
ERCC1/XPF（C8092A，T19007C）
XPA（A23G）
XPC［PAT +/-，C499T （Ala499Val），A939C （Lys939Gln）］
ERCC5/XPG（His1104Asp）
碱基剪切修复基因
XRCC1（Arg194Trp W，Arg280His，Arg399Gln）
OGG1（Ser326Cys）
APE ［Asp148Glu （T1349G）］
双链断裂修复基因
XRCC3（Thr241Met）
细胞周期控制基因
TP53（Arg72Pro）
MDM2（T309G）
p21（Ser31Arg）
CCND1（G870A）
炎症基因
IL-10（C819T，G1082A，C592A）
IL-6（G174C）
L-1B（C-511T，T-31C）
肿瘤坏死因子α（A308G）
COX-2（T8473C）
端粒长度
端粒缩短
肿瘤微环境
MMP1（-16071G＞2G）
MMP2（-1306C＞T，-735C＞T ）
MMP9（-1562C＞T）
Foulkes 和Marshall 等人对癌症遗传易感基因的研究，为采取必要措施降低癌症发生的风险，及早进行癌症的预防，提供了重要信息。表6-3是对与不同肿瘤密切相关性的易感基因的小结。
表6-3 肿瘤易感基因总结
（续表）
糖尿病也具有家族遗传易感性。例如，谷胱甘肽-硫-转移酶M1 与谷胱甘肽-硫-转移酶T1，都可降低活性氧对胰腺β 细胞的损伤，在这两个酶活性正常时（GSTT1+/GSTM1+），可提供对胰腺β 细胞的保护，防止糖尿病的发生。如果这两个基因突变或变异导致所编码的酶失活，就会使糖尿病的风险大大增加。表6-4是健康医学在糖尿病遗传易感性检测中，常规检测的部分基因。
表6-4 评估糖尿病遗传风险时所检测的基因
（续表）
现代健康医学认为，只有当我们了解自身的基因情况，才能更好地利用现代医学和保健知识有针对性地改善客观环境及生活方式，如工作环境、生活环境、膳食结构等，通过定期检查，合理干预等方法，尽可能延缓阻止疾病的发生。关注自身的基因信息可以防范健康风险，预防或延缓疾病发生，而主动改变不良生活方式，对提高生活质量具有极其重要的意义。
（2）液体活检
MIT Technology Review 杂志发布了2015年度十大突破技术的榜单，其中一项就是液体活检。在《临床癌症进展2015》报告中，液体活检技术也被列为今后十年内可广泛应用的一项癌症检测技术［10］。
图6.3 可用于癌症液体活检的细胞、分子和载体
可用于液体活检的分子和细胞包括DNA、RNA、细胞、血小板、外泌体等等（图6.3），其中ctDNA（循环肿瘤DNA）是近年来研究最多、应用最广泛的液体活检检测靶标。
ctDNA 的来源包括：①肿瘤细胞的凋亡；②肿瘤细胞的坏死；③循环肿瘤细胞；④肿瘤细胞分泌的外泌体。来自肿瘤基因组的ctDNA 片段在人体血液循环系统中不断流动，携带肿瘤基因组突变特征（包括点突变，删失，插入，重排，拷贝数异常，甲基化等）。
循环肿瘤DNA （ctDNA）的优势与用途包括：①量化肿瘤负荷，早期诊断（比影像学更灵敏）；②确定肿瘤亚型；③对新产生的突变快速监测、个性化用药、靶向治疗；④早期预测肿瘤的转移复发、预测病情的变化；⑤根据ctDNA 在外周血中的含量变化进行预后预测；⑥评估肿瘤异质性；⑦判断手术是否成功；⑧可在短期内反复取样。图6.4是ctDNA 在肿瘤超早期检测等多方面应用的小结。
图6.4 ctDNA 在肿瘤防治中的多方面用途
瑞典隆德大学的Olsson 等人研究了原发乳腺癌患者中的无细胞循环DNA，表明ctDNA 检测对于监测隐蔽性肿瘤转移很精确［11］。在13/14 位患者中可通过血浆ctDNA 检测肿瘤转移，在长期无瘤生存的6 位患者中都没有可检出的ctDNA。此外，在86%的患者中，ctDNA 对肿瘤转移的检出比临床检测平均提前11 个月，ctDNA 是无病生存和总生存率低下的重要预测因子。Olsson 等人在研究中首先证实ctDNA 对肿瘤转移的监测可比临床检测提前几个月到几年，ctDNA 水平即使在原发乳腺癌测定时，也与结局不良的风险增加高度相关。Olsson 等人的结果与使用类似方法在乳腺癌转移患者中进行的其他ctDNA 分析研究相符。鉴于ctDNA 含量在早期肿瘤中很低，对肿瘤的转移来说更难监测，因此Olsson 等人的发现意义重大。这些数据为在大规模前瞻性辅助医疗研究中评估ctDNA，回答一些重大问题提供了支持。例如，必须在临床试验中确定，通过ctDNA 监测定制二级辅助治疗，是否可增加长期乳腺癌治疗成功的比率。另外，虽然其他方法不能有效进行隐蔽性肿瘤转移早期检测，但Olsson等人的结果表明，ctDNA 具有最早期精确检测所需要的特性，这可进一步评估通过ctDNA 监测，可在多大程度上检测隐蔽性转移，改善临床结局。此外，作为“观察等待”方法的一部分，通过液体活检进行廉价、灵敏和特异的分子监测，可帮助减少低风险乳腺癌患者的“过度治疗”。
Olsson 等人的方法结合使用了原发肿瘤低通量全基因组测序和基于定量ddPCR 的血浆ctDNA 个性化重排分析，每位患者可进行几十次液体活检，试剂费少于1 000 欧元，每个时间点少于50 欧元，比每个液体活检时间点都进行测序的方法有更高的性价比。Olsson 等人的分析也可在临床条件允许的时间框架之内进行。实际上在肿瘤活检的一个月之内可鉴定候选重排和验证个性化ddPCR测定，在一天之内可对患者血浆样本进行一组ddPCR 检测。
在Olsson 等人研究的原发乳腺癌患者中，可在4/20 位患者的手术前血浆中检测到ctDNA，这4 位患者最终都有肿瘤复发。尽管样本量很小，但患者手术前ctDNA 水平可作为今后研究肿瘤复发的潜在风险因子。理论上ctDNA 存在于所有初次手术前的肿瘤患者中。血浆获得的局限性和每个时间点分析4～6 个DNA重排，可影响手术前检出率。Olsson 等人通过改变取样量，手术前检出率可提高到9/20（45%）［11］。
日本大阪癌症和心血管疾病医疗中心的Imamura 等人最近对EGFR ctDNA在EGFR-TKI（酪氨酸激酶抑制剂）疗效早期评估中的作用进行了前瞻性研究，参与者包括21 位未使用过EGFR-TKI 但有EGFR 突变的肺癌患者［12］。在对EGFR-TKI 应答时，有突变的EGFR ctDNA 的PM（血浆突变）得分快速减少。在14 位治疗前PM 阳性的患者中，在EGFR-TKI 治疗后的2～4 天、8 天和15 天，分别观察到有14.3%、42.9%和57.1%的EGFR ctDNA 完全消失。在评估应答的测定中，EGFR ctDNA 的应答最为显著，与通过胸片评估的早期放射应答有相关性。
Imamura 等人使用的方法包括扩增血浆样本中的EGFR ctDNA，之后通过二代测序仪进行105 个拷贝的序列分析。血浆突变（PM）得分的定义：在100 个EGFR 无细胞DNA（cfDNA）中，含有缺失/置换突变的数目（测序鉴定）。如果在ctDNA 中的EGFR 突变与癌组织中检测到的突变相同，这类ctDNA 定义为主要EGFR ctDNA。Imamura 等人的结果证实，ctDNA 可作为肿瘤治疗早期应答预测的高特异性生物标志物，可用于各种癌症的靶向治疗［12］。
ctDNA 在不同的组织，或在相同组织不同的细胞之间，有不同的甲基化特征，使用这类特征可追踪血浆DNA 来源的组织。研究人员已在血浆中检测到器官特异性甲基化特征，如在母亲血浆中检测到胎盘甲基化特征，在癌症患者血浆中检测到与肿瘤有关的甲基化变化。这些早期研究通常只是一次关注一个组织或器官的甲基化特征。
香港中文大学卢煜明教授认为，如果有可同时判定DNA 从多种组织释放进入血浆DNA 库的定量方法，这种方法对生物学研究和临床诊断都很重要，因为可提供血浆中来自不同组织的DNA 数量的概貌。卢煜明实验室的Kun Suna 等人通过血浆DNA 的全基因组亚硫酸氢盐测序和使用不同组织的甲基化谱为对照分析测序数据，开发出研究循环DNA 主要组织来源的基本方法［13］。他们在孕妇、肝细胞癌患者及其后进行了骨髓和肝移植的患者中测试了这个方法。在大多数受试者中，白细胞是循环DNA 库的主要来源。孕妇血浆中来自胎盘的循环DNA占一定比例（可通过胎儿特异性遗传标志物进行鉴定）。移植可使受体血浆DNA 中出现供体的特定遗传标志物。肝细胞癌患者有较多来自肝的血浆DNA，可通过肿瘤相关拷贝数畸变进行测定。在有拷贝数畸变的肝细胞癌患者和孕妇中，比较有不同拷贝数状态的基因组区域的甲基化分析结果，可找到拷贝数畸变的相应组织类型。在患有滤泡性淋巴瘤的孕妇中，甲基化分析表明B 细胞对血浆DNA 库的贡献较大，可确定B 细胞是血浆拷贝数畸变的源头。这种方法基于鉴定不同组织对血浆DNA 数量的不同贡献，可作为评估各种生理和病理状况的重要工具。
卢煜明实验室的Suna 等人使用的这种方法，基于血浆DNA 的全基因组亚硫酸氢盐测序（图6.5），之后使用最近发表的多种组织的高解析度甲基化谱，将血浆亚硫酸氢盐测序数据转换成不同组织的DNA 释放进入血浆的百分比。他们通过这种方法获得了血浆DNA 的“组织谱图”，并进一步使用这种方法研究了来自孕妇、癌症患者、移植后的患者和健康对照的血浆样本，证实可以用来追踪血浆中拷贝数畸变的组织来源，有很好的临床应用前景［13］。
Suna 等人开发的是一个可分析循环DNA 库组织来源的通用方法，在许多疾病研究和临床诊断中有很好的应用前景。将循环DNA 产生的基因组信息与解剖相结合，在分子诊断和倚重组织器官的传统医疗之间架起了一座桥梁，这值得国内从事健康医学的机构高度重视，因为这项技术的应用类似于全身分子扫描。对血浆DNA 基因组变异的来源进行组织定位的能力，不仅在癌症检测，而且在非侵入性产前检测和其他领域也有广泛用途。
图6.5 通过全基因组甲基化测序进行血浆DNA 组织定位的原理及应用
肿瘤液体活检可使用的标志物远不只限于ctDNA，还包括CTC、外泌体、各种RNA（miRNAs、piRNAs、snoRNAs、lncRNAs、SHOT-RNAs）、较大的致癌体、exoDNA 以及肿瘤血小板（TEP），这些都是潜在的液体活检分析标靶。我们建议特别关注外泌体和TEP，因为：①美国IBM 和普林斯顿大学的Wunsch等人2016年8 月在Nature Nanotechnology 上发表的使用纳米芯片分析外泌体的论文表明，他们可在芯片上对外泌体进行分离和定量，比现有技术的精准度提高了50 倍，这是肿瘤液体活检领域的一大突破。②荷兰VU 大学Best 等人对280 多人血小板RNA 的深入分析（每个样本约2 200 万个碱基测序）表明，TEP 能够对健康人和癌症患者进行区分，准确度为95%，也能为某些主要肿瘤提供肿瘤位置信息。此外，血小板RNA 测序和生物信息学数据分析结果表明，TEP 分析可以准确发现主要肿瘤驱动基因突变（EGFR、Her-2、c-Met、H-Ras、PI3KCA），这对今后的临床试验和治疗有重要意义（图6.6）［14，15］。
图6.6 有关TEP 的说明
ctDNA 研究的最新进展包括：
· 2016年6 月ASCO年会上，美国公司Guardant Health 报告称，他们募集了15 191 例患者，采集了17 628 份血液标本，发现ctDNA 突变检测的准确率＞94%，与肿瘤DNA 吻合率达92%～99%。
· 2016年6 月FDA 批准了首个EGFR 液体活检技术，推进了肺癌精准医疗的进程，也进一步推进了液体活检的商业化。据BCC 分析，2020年“液态活检”市场值将达220 亿美元，中国预测会有200 亿人民币的市场。
· 2016年9 月，宾夕法尼亚大学Abramson 癌症研究中心的研究人员在Clinical Cancer Research 杂志上发表的论文表明，对于非小细胞肺癌患者，液体活检结果与组织活检结果匹配度近100%，更重要的是它还能实现组织活检不能实现的效果——检测癌症发展状况和指导临床治疗。
· 2017年6 月3 日，美国纪念斯隆凯特琳癌症中心Pedram Razavi 教授在ASCO年会上报道，对于晚期乳腺癌、肺癌和前列腺癌，在肿瘤组织样本中发现的627 个基因变异，通过ctDNA 液体活检在血液样本中也能发现。
对于强调预防的健康医学来说，液体活检，特别是ctDNA 的应用，对于精准预测、预防与降低癌症风险具有重要意义。
（3）肿瘤标志物与健康医学广泛使用的Hsp90α
肿瘤标志物（cancer marker）是一类肿瘤细胞产生释放的、可反映肿瘤存在的物质，常以抗原、酶、激素等代谢产物的形式存在于肿瘤细胞内或宿主体液中，其数量变化可以提示肿瘤的性质。
由于根据肿瘤标志物的生化或免疫特性可以识别或诊断肿瘤，因此肿瘤标志物的临床意义主要表现在早期筛查与诊断、鉴别诊断、治疗监测、随访及监测肿瘤复发转移、预后评估。
随着我国肿瘤发病率的逐年增长，癌症筛查、防癌体检已成为肿瘤早诊早治的重要手段，对于早期发现癌症具有重要意义。合理应用和科学解释肿瘤标志物，使其在健康医学的疾病预报中充分发挥作用，并成为肿瘤早诊早治的利器，具有深远的社会意义。表6-5是目前临床上使用的肿瘤标志物及其与身体各部位的关联。
表6-5 临床使用的血清肿瘤标志物
甲胎蛋白（AFP）
·AFP 可比影像学提前6～12 个月出现异常，80%原发肝癌患者的血清AFP＞400 ng/mL，大约20%的肝癌患者AFP 正常。肝硬化患者应该定期复查AFP，可为肝癌的早期诊断提供重要依据。
· AFP 在妊娠3 个月的孕妇血液中开始升高，峰值出现在7～8 个月时，浓度在400 ng/mL 以下。如果AFP 浓度在妊娠期异常升高，需要排查是否已出现胎儿畸形或神经管缺损。
·在卵巢癌、内胚层癌、胃癌和睾丸癌的肝转移患者中，会出现血清AFP浓度升高。
·在绝大部分病毒性肝炎患者血清中，AFP 的浓度＜400 ng/mL。
癌胚抗原（CEA）
·在肝癌、乳腺癌、肺癌、结/直肠癌、胰腺癌、卵巢癌、胃癌、子宫及子宫颈癌患者的血清中，会出现CEA 浓度升高。
·在腺癌以及鳞癌和低分化癌中，血清CEA 浓度越高，阳性率越高。
·在癌症患者的胸、腹水等体液以及消化液和分泌物中，常常会出现CEA浓度升高。
·血清CEA 浓度在直肠息肉、肠道憩室、肺气肿、结肠炎、肝硬化、肝炎等非癌症患者中，以及在吸烟人群中，也会升高。
糖类抗原125（CA125）
· CA125 是可用于判断卵巢癌放、化疗疗效或肿瘤是否有复发迹象的良好指标，卵巢癌复发患者在出现症状之前，血清中CA125 的浓度显著升高。在治疗有效的患者血清中，CA125 浓度明显下降。
·在胰腺癌、胃癌、肺癌、结/直肠癌、子宫内膜癌、宫颈癌等非卵巢恶性肿瘤患者血清中，也会出现CA125 的浓度升高。
· CA125 也会出现在许多良性和恶性胸、腹水中，以及卵巢囊肿、子宫内膜异位症、盆腔炎、肝炎、肝硬化、胰腺炎等患者的血清中。
· CA125 也会在早期妊娠时升高。
糖类抗原15-3（CA15-3）
· CA15-3 浓度在乳腺癌初期患者和晚期患者的血清中都会升高，对晚期乳腺癌诊断的敏感度高于初期患者。
· 原发性肝癌、卵巢癌、肺癌、子宫颈癌、结肠癌和胰腺癌患者也会出现一定比率的CA15-3 阳性。
· 在一些非肿瘤患者，如肺、胃肠道、肝脏、卵巢和乳腺疾病患者的血清中，CA15-3 的阳性率＜10%。
糖类抗原19-9（CA19-9）
·在胆管壶腹癌、胆囊癌和胰腺癌患者血清中，CA19-9 的浓度明显升高，可作为晚期胰腺癌辅助诊断指标，但对早期癌症诊断的灵敏度不够高。
·在肺癌、胃癌、肝癌、卵巢癌、结/直肠癌和乳腺癌患者血清中，也能检测出CA19-9。
·在某些肝炎、胆囊炎、急性胰腺炎、肝硬化和胆汁淤积性胆管炎患者的血清中，CA19-9 浓度也会有不同程度的增高。
糖类抗原72-4（CA72-4）
·在某些胃癌、卵巢癌、胰腺癌、乳腺癌、结/直肠癌、肺癌和肝癌患者的血清中，可检出CA72-4 肿瘤标志物，阳性率为65%～70%，有转移者更高。
前列腺特异抗原（PSA）
在前列腺癌筛查中，PSA 是目前用得最多的肿瘤标志物。
·在50%～80%的前列腺癌患者血清中，PSA 浓度明显升高。
·随着年龄的增加，PSA 的血清浓度一般以0.04 μg/L/年的速度增加。
·在良性前列腺增生、前列腺炎以及泌尿生殖系统和肾脏疾病患者的血清中，也可检测出PSA 浓度有一定程度增高。
我国科学家开发的有自主知识产权的肿瘤标志物热休克蛋白Hsp90α具有广谱的特性，已于2016年被国家市场监督管理总局批准在临床使用，在健康医学的癌症风险检测中也已被广泛使用。Hsp90α有如下特性：
·Hsp90α是发挥“缓冲作用”的分子伴侣
Hsp90α是一种维持细胞稳态的关键分子伴侣蛋白，在正常细胞中的含量达1%，能起到很好的缓冲作用，在肿瘤细胞中的含量高达2%～7%，缓冲作用更加明显。细胞中约有100 万种蛋白质，Hsp90α是其平均含量的数万倍。Hsp90α参与肿瘤几乎所有的活动（图6.7），在癌症患者的血浆中，Hsp90α的水平明显升高（图6.8）。
肿瘤细胞大量分泌Hsp90α的主要机制是在磷酸激酶/磷酸酶作用下的Hsp90α的磷酸化和脱磷酸化（图6.9）。
目前临床公认用于肝癌检测的标志物是甲胎蛋白（AFP），但其灵敏度仅有50%左右，而Hsp90α检测肝癌的灵敏度可达94%。这种新肿瘤标志物也可用于其他15 种癌症的检测，包括肺癌、乳腺癌、结直肠癌、前列腺癌、胰腺癌、胃癌等，绝大部分临床试验将在近期完成。
肿瘤的发生是一个多步骤的渐进过程，肿瘤复发转移是造成癌症患者死亡的主要原因。因此，如何实现癌症的早期检测、诊断以及术后检测已成为科研人员与临床医生关注的焦点。在影像学发现肿瘤转移之前，分子水平的转移就已经开始了。Hsp90α可促进肿瘤的远端器官转移（图6.10），Hsp90α的分泌水平与肿瘤转移显著相关（图6.11）［16-18］。
图6.7 Hsp90α参与肿瘤的形成、发育、生长、转移等多种过程
图6.8 癌症患者血浆中的Hsp90α 水平明显高于健康人
图6.9 癌细胞分泌Hsp90α蛋白受磷酸化/脱磷酸化的调控
图6.10 Hsp90α可增加肿瘤的攻击性并促进肿瘤的远端转移
图6.11 肿瘤转移患者的血浆Hsp90α水平与肿瘤转移密切相关
热休克蛋白Hsp90α 的灵敏度、特异性很高，目前得到的癌症检出率结果，明显优于其他肿瘤标志物。更重要的是，该方法非常便捷，尽管目前标准操作流程需要采集2 mL 血，但实际只需要2.5 μL 血浆（即一滴血浆的1/50）的样本量便可完成一次检测。
·Hsp90α 的主要功能
1）患癌风险早期检测和评估。
2）监测化疗和手术疗效。
3）制订个体化治疗方案。如果患者已经被确诊为癌症并且接受了治疗，可使用热休克蛋白Hsp90α 跟踪评价疗效。与治疗前相比，如果在治疗后患者血液中的Hsp90α 含量下降，说明目前的治疗方法有效，可以继续，反之则需要调整治疗方案。
理想的肿瘤标志物应是灵敏度高、特异性高、能早期准确发现和诊断肿瘤的物质，能对良、恶性肿瘤进行鉴别区分且能对肿瘤进行定位，Hsp90α 能全部满足这些要求。
目前在体检中，Hsp90α 含量在健康人群中统一范围为0～ 45 ng/mL，在亚健康人群中统一范围为45～82 ng/mL，在临床肺癌1、2期患者中的均值是110 ng/mL，3、4 期均值是220 ng/mL。肝癌1、2 期均值是170 ng/mL，3、4 期均值是240 ng/mL。
Hsp90α 含量参考值范围为0～82 ng/mL。在健康医学的应用中，如果某人的Hsp90α 含量为82～120 ng/mL，就建议他调整生活方式（包括健康饮食和积极锻炼等），一个月后再复查；高于120 ng/mL 的个体则建议复查。
Hsp90α 血浆水平检测是目前健康医学评估癌症风险的重要手段之一。目前，已在 16 种肿瘤、1 500 例癌症患者中，初步验证了Hsp90α 与恶性肿瘤的相关性（图6.12），正在逐步扩大所检测的癌种范围，很快将在肿瘤风险检测中获得大范围应用（图6.13）。
（4）基因组学、蛋白质组学和代谢组学技术
在本书第5 章论述了现代健康医学是真正高水平的精准医学，在健康医学的实践中使用生命组学技术进行疾病风险的预报/预测和诊断，下面概括介绍目前在现代健康医学中应用较多的生命组学中的三大组学：基因组学、蛋白质组学和代谢组学，也对基因组医学进行简单描述。
·基因组学
基因组学是发现和诠释特定生物中整个基因组全部序列的科学。基因组的定义是细胞内的全部基因，基因组学是研究生物的遗传组成的一门学科。
测定基因组序列只是基因组学的开始。在测序完成之后，基因组序列将用于研究大量基因的功能（功能基因组学），对各种生物的基因进行比较（比较基因组学），或为所编码的蛋白质的三维结构及蛋白质的功能研究提供线索（结构基因组学）。
图6.12 Hsp90α的肿瘤检测广谱性研究
图6.13 Hsp90α可用于肿瘤风险检测和早期诊断
基因组学是研究其他组学（蛋白质组学、代谢组学、转录组学）的切入点。生物的基因信息（基因型）很大程度上决定表型（生物的最终物理组成），但环境对表型也有某些影响。
细胞中基本遗传信息流程包括：DNA 转录成RNA，全部RNA 称为转录组。RNA经过编辑（切割、剪接）形成信使RNA，之后在核糖体上翻译成蛋白质（图6.14）。
图6.14 基因组、蛋白质和分子机器
根据基因组测序得到的基因序列信息，可进行各种单基因和多基因疾病的预测、诊断，提供治疗干预方案和预后管理方案。例如，目前已鉴定了病因的单基因疾病有3 528 种，这些疾病大都可通过基因测序进行诊断或发病风险预测。研究人员正在临床使用二代测序方法，对胎儿的基因进行检测，预报胎儿的遗传病风险。也可以在有遗传病的家族中，对尚未发病的其他家族成员进行基因序列检测，预测遗传病的发病风险。
许多与环境有关的多基因复杂疾病，如心血管病、癌症、高血压病、关节炎、偏头痛、癫痫、帕金森病、阿尔茨海默病（老年痴呆）等，都在基因组水平进行了大量研究。以癌症为例，目前国际上有五个癌基因组合作项目，其中癌基因组图集（TCGA）和国际癌基因组联盟（ICGC）是两个最大的代表性合作项目。TCGA 是2006年开始的实验项目，目标是对主要癌症中发生的基因组重要变化进行全面鉴定。TCGA 对20 种癌症的11 000 个样本进行了检测。ICGC 项目开始于2008年，目标是在全球有临床和社会意义的50 个不同类型/亚型的肿瘤中，获得基因组、转录组和表观基因组变化的全面描述。这些项目都使用DNA测序（其中很多是使用二代测序）进行了癌基因组的解析，为癌症的风险预测、诊断、治疗和预后提供了大量数据，在癌症的研究和临床中已得到广泛使用［19-21］。
在本章介绍的对人体肿瘤易感基因和糖尿病易感基因进行基因分型分析，可了解不同个体对这些疾病的易感性，都属于基因组学的范畴。
基因组学研究所使用的技术主要有Sanger 测序（一代测序）、大规模平行测序（二代测序，NGS）和生物信息学数据分析。近年来NGS 的测序速度、覆盖深度大大提高，而费用不断降低，正在成为基因组学研究的主要方法。已建立的二代测序平台包括Roche 公司的454、Applied Biosystem 公司的SOLiD、Affymetrix 公司的重测序芯片、Illumina 公司的HiSeq、NovaSeq 和Life Technology 公司的IonTorrent 等，这些平台的临床应用范围正在不断扩大。
·基因组医学
基因组医学是人类基因组图谱完成后，在2003年为纪念DNA 双螺旋结构发现50年时，由世界上600 多位著名科学家提出的一个医学研究的新概念。
美国国家人类基因组研究所（NHGRI）对基因组医学的定义为：通过基因组学研究提高人类健康。
在人类基因组测序完成的10 多年后，我们处于直接进行个人全基因组测序和分子诊断等使用基因组学的个体化医学加速发展的阶段，这些发展将带来医学的新纪元，充满特有的机会和挑战。
作为个体化医学的基本构成，基础基因组医学需要在临床实践中开发、标准化和整合若干重要工具，包括健康风险评估、家族健康史、基因组信息和临床诊疗数据。
目前基因组医学的实施主要集中在以下领域：
1）预测疾病易感性。尽管遗传风险因子对临床诊疗有多大作用仍有待深入研究，但找出疾病风险因子可为深入了解疾病过程的生物学机理提供重要线索，可为疾病的预防和治疗提供治疗方案，在遗传病和癌症易感性的预测方面已证实相当准确。
2）诊断和预后。与基因型和表型有关的基因组表达数据在疾病分类和亚型区分方面已得到广泛应用，其中一些数据也可用于疾病预后和治疗应答预测，特别是在癌症亚型分类、治疗应答预测和预后方面，起到至关重要的作用。
3）药物基因组学和生物标志物指导治疗。这是基因组医学成果最多的领域，在这些领域的进展可优化个体化药物治疗，并极大提高治疗效果。例如为癌症患者的化疗提供基因组突变数据，使患者及时接受最佳药物，减少药物毒副作用，提高癌症患者的生存率。ctDNA 作为癌症的生物标志物已在临床发挥越来越重要的作用。
4）病情监测。目前可使用基因表达谱数据监测和追踪器官移植的患者，也可使用循环肿瘤DNA 的基因突变数据，对手术后的癌症患者或者进行免疫细胞治疗的患者进行监测和管理。
基因组医学以人类基因组为基础，将生命科学与临床医学整合在一起，使基因组的研究成果迅速高效地转化并应用于临床医学实践，这是后基因组时代最重要的研究方向之一，是人类历史上生命科学和临床医学的一次伟大革命，它将贯穿整个21 世纪，在不久的将来有可能进入“3P”医学时代——预测（Predictive）、预防（Preventive）和实现个体化（Personalized）治疗，精准防控疾病、造福人类。
·蛋白质组学
基因组的功能、细胞中无穷尽的各种反应都是通过蛋白质实现的。细胞中的全部蛋白质称为蛋白质组。研究蛋白质的结构、功能和细胞中每个蛋白质作用的科学称为蛋白质组学。蛋白质组是高度动态的，为了应对不同的环境刺激总是在不断变化。蛋白质组学的目标是了解蛋白质的结构和功能如何与其生理、病理作用相适应，蛋白质如何与DNA、RNA、小分子化合物、药物和其他蛋白质相互作用，蛋白质在生命过程中如何发挥作用。
蛋白质组学的应用之一是构建蛋白质“表达谱”，鉴定在环境刺激时，生物在某个时间中所表达的蛋白质。蛋白质组学也可用于开发蛋白质网络图，在特定生物中测定蛋白质之间的相互作用。
蛋白质组学研究所使用的主要技术包括：表面增强的激光解析离子化-飞行时间质谱 （SELDI-TOF-MS）、基质辅助激光解析电离质谱（MALDI MS）、与微飞行时间质谱（Micro/TOF MS）耦联的P/ACE MDQ 毛细管电泳系统、iTRAQ 标记定量蛋白质组学。这些技术可分析血清、血浆、组织、尿液、脑脊液或唾液中的蛋白质组，提供特定样本的蛋白质组谱图数据，为临床诊断、疾病预测、病情监测和预后提供有应用价值的生物标志物。
近年来蛋白质组学在临床的应用愈来愈多。例如，最近临床蛋白质组肿瘤分析联盟（CPTAC，国际综合性合作项目）开始使用蛋白质组学技术，系统鉴定由于癌基因组变化而产生的致癌蛋白质，加速理解癌症的分子基础［22］。蛋白质组学在糖尿病、中风、肾炎等慢性疾病，抑郁症，以及乳腺癌、头颈癌、淋巴瘤、前列腺癌的鉴定、诊断中，已取得了重要进展。因为蛋白质组学是把细胞中的全部蛋白质作为一个整体来研究，可同时比较多个蛋白质的表达谱，在环境和遗传因素共同起作用的复杂疾病中，可同时鉴定出多个与疾病有关的蛋白质，这些蛋白质可作为疾病预测、诊断的生物标志物，这是蛋白质组学的优势。
例如，为了帮助鉴定有发展成巨量白蛋白尿/糖尿病肾病（DMN）风险的1型糖尿病患者，阻止他们发展成DMN 和终末期肾病，临床上需要有新的生物标志物作为早期干预手段。丹麦哈格多姆研究所的Overgaard 等人使用血清蛋白质组学技术，成功鉴定了可预测糖尿病肾病的生物标志物。他们的研究结果发表在2010年9 月10 日出版的Clinical Proteomics（《临床蛋白质组学》）［23］。图6.15是蛋白质组网络示意图。
图6.15 蛋白质组网络图示（网络是指蛋白质和蛋白质相互作用形成的网络）
另外，最近一些实验室已开发了尿液蛋白质组生物标志物模型，可精确鉴定某些心血管病（如缺血性心脏病）、糖尿病、糖尿病肾病和先兆子痫患者或高危人群。英国格拉斯哥大学心血管医学研究所的Jesse Dawson 等人在2012年5 月16 日PLoS ONE 发表的研究结果表明，他们使用蛋白质组学技术，在尿液中鉴定了可预测和诊断中风的生物标志物［24］。
·代谢组学
代谢组学是最新的“组学”之一。“代谢组”是指存在于生物样本（如体液、组织）中的全部低分子量代谢物（分子量低于1 000），如氨基酸、有机酸、脂肪酸或糖类，也包括多肽、核苷、酮体、醛类、胺类、生物碱等，这些化合物是酶反应的底物和副产物，对细胞的表型有直接影响。代谢组分析是研究在特定时间、特定环境条件下（如特定发育阶段、亚健康状态或在特定遗传修饰之后），低分子量代谢物的特性和相互作用的方式（图6.16）。
基因组学和蛋白质组学可提供有关基因型的大量信息，但有关表型（如亚健康状态、临床征象）的信息很少。低分子量化合物是转录和翻译的最终下游产物，最接近于表型（图6.17）。代谢组学研究的对象是整个生命活动链的最终端，因此能够更灵敏、更有效地反映出生物体内所发生的各种生理、病理变化，而且其分析样本（血液、尿液、唾液等）易得、分析成本较低，在临床医学领域有着很好的发展与应用前景。代谢组学与其他组学比较所具有的优势见表6-6。
图6.16 代谢网络图示
表6-6 代谢组学与其他组学比较所具有的优势
图6.17 “组学”级联（基因组学、转录组学、蛋白质组学和代谢组学之间的关系）
代谢组学研究所使用的主要技术包括：气相色谱质谱（GC-MS）、液相色谱质谱（LC-MS）、毛细管电泳质谱（CE-MS）和核磁共振（NMR），可定性和定量分析血清、血浆、尿液、脑脊液等各种生物样本中的几千种代谢物，提供代谢组谱图数据，并可转化成在临床诊断、疾病预测、监控和预后中有应用价值的生物标志物。
由于代谢组学可测定细胞中全部代谢物的水平，已成为发现新低分子量生物标志物的重要新工具，其临床实用性已在鉴定前列腺癌、帕金森病、2 型糖尿病、急性心肌缺血和先兆子痫的新生物标志物中得到证实［25］。
最近日本庆应大学的Soga、Sugimoto 和东京大学的Honma 等人对从各种不同的肝病患者得到的血清样本进行了代谢组研究，以便找出可对肝病进行快速筛查诊断的非侵入性可靠生物标志物。他们发现人血清中存在的十几种不同的γ-谷氨酰二肽，可作为区分不同类型肝病的生物标志物 ［26］。例如，在无症状乙型肝炎感染（AHB）和谷丙转氨酶持续正常的丙型肝炎（CNALT）患者中，大多数γ-谷氨酰二肽的水平明显上升，而AST、ALT 的水平并无上升。在所有HCV 相关肝病患者中，血清γ-谷氨酰二肽的水平明显上升，并随着疾病的发展而下降（CNALT ≥CHC＞CIR＞HCC），因此γ-谷氨酰二肽可作为区分AHB（无症状乙肝感染）、CHB（慢性乙肝）、CNALT（谷丙转氨酶持续正常的丙肝）和CHC（慢性丙肝）的生物标志物。 胃癌（GC）和肝癌（HCC）患者中，血清γ-谷氨酰二肽有明显不同，在GC 中有几种γ-谷氨酰二肽的水平明显较低，因此γ-谷氨酰二肽也可作为肝癌筛查诊断的非侵入性生物标志物。有6 种γ-谷氨酰二肽（γ-Glu-Val，γ-Glu-Thr，γ-Glu-Leu，γ-Glu-His，γ-Glu-Phe 和γ-Glu-Arg）的水平在单纯脂肪变性（SS）患者中明显高于非酒精性脂肪肝（NASH）患者，这些二肽可以作为SS 和NASH 快速筛查的非侵入性生物标志物。某些γ-谷氨酰二肽可作为对药物诱导肝损伤（DI）进行快速筛查的非侵入性生物标志物，如γ-Glu-Citrulline 水平可用来区分DI 患者与其他病毒肝炎感染患者。
另外，代谢组学方法也可对胃肠病进行筛查和早期诊断，有良好的应用前景。日本神户大学医学院的Masaru Yoshida 等人2012年在Journal of Gastroenterology发表了有关使用代谢组学诊断胃肠病的研究报告［27］。他们发现，丙二酸和丝氨酸可作为食管癌的潜在代谢标志物，3-羟基丙酸和丙酮酸可作为胃癌的潜在代谢标志物，葡萄醛内酯和谷氨酰胺可作为结直肠癌的潜在代谢标志物。Yoshida等人也对溃疡性结肠炎患者的结肠病灶组织中的氨基酸和三羧酸循环（TCA）相关分子的水平进行了评估，发现在溃疡性结肠炎患者（n=22）的结肠病灶组织中，有16 种氨基酸和6 种TCA 循环相关分子的水平较低，因此氨基酸和TCA 循环相关分子很可能与溃疡性结肠炎的病因密切相关。他们的研究结果表明，基于GC-MS 的氨基酸和TCA 循环相关分子的代谢组学分析是溃疡性结肠炎早期筛查诊断的有效工具（图6.23）。Yoshida 等人还在动物模型中发现，谷氨酸的水平在结肠炎急性期显著下降，如果补充谷氨酸，可缓解DSS 诱导的结肠炎［27］。这些发现表明，代谢组分析不但可发现新的生物标志物，预测、诊断疾病和推断特定疾病发病的机制，而且可发现新的治疗药物。
（5）端粒检测
细胞生物学研究表明：人的自然寿命约为120 岁。这是细胞分裂次数乘以细胞分裂周期得来的，人体细胞一生的平均分裂次数是50 次，而平均分裂周期是2.4年。
2009年诺贝尔生理学或医学奖授予了美国科学家伊丽莎白·布莱克本、卡罗尔·格雷德和杰克·绍斯塔克。该奖项揭示了人类衰老和癌症发生的分子机理，解决了一个生物学命题——端粒和端粒酶保护染色体的机理，即细胞分裂时染色体如何进行完整复制，如何免于退化，而保持细胞分裂能力。其中奥秘全部蕴藏在端粒和端粒酶上。
端粒是位于真核生物染色体末端的TTAGGG 串联重复序列，与端粒结合蛋白一起保持基因组稳定性（图6.18）。成年人端粒长度为5～15 Kb。人体内有46条染色体，共有92 条端粒。
端粒的作用是保持染色体的完整性和控制细胞分裂周期。染色体DNA 分子每分裂复制一次，端粒就会有所缩短。一旦端粒消耗殆尽，细胞就会立即激活凋亡程序，令细胞进入持续性死亡，因此端粒长度与细胞和人体衰老密切相关。
图6.18 端粒示意图
体内存在的端粒酶，能延长已缩短的端粒，帮助防止端粒快速缩短和细胞衰老，增强细胞的生长增殖能力。端粒酶是核蛋白逆转录酶，可将端粒DNA 加至真核细胞染色体末端（图6.19）。
端粒酶在保持端粒的稳定性和基因组的完整性，以及保持细胞的长期持续增殖能力和细胞正常功能等方面有重要作用。在胚胎中的组织处于形成期时，几乎每一个细胞都表达端粒酶。在这一时期之后，只有不断分裂、可以分化为各种特化细胞的干细胞（如造血干细胞、间充质干细胞等），才能继续产生端粒酶。
图6.19 端粒酶的功能
自从10 多年前科学家发现端粒缩短与细胞衰老和许多疾病发生发展密切相关，端粒研究获得诺贝尔奖之后，通过延长端粒长度维护健康和抗衰老的研究与应用就迅速大范围展开。之前人们普遍认为端粒过度缩短会对细胞健康造成伤害，最近出乎意料地发现如果端粒过度延长，也会在一定程度上损害细胞。
美国Salk 研究所的特蕾莎·里维拉等人2016年12 月5 日在Nature 子刊Nature Structural & Molecular Biology 发表的研究结果表明，端粒只有在延长和缩短之间保持平衡（不过度缩短，不过度延长），维持恰当长度，才最有利于维持干细胞的自我更新能力［28］。
里维拉等人认为，人为延长端粒长度会导致端粒的脆弱性，进而引发癌变。这一最新成果是对延长端粒长度有助于改善机体健康、延长寿命的传统观点的补充。端粒长度的调控，是通过端粒酶催化的端粒延长以及XRCC3 和Nbs1 蛋白控制的端粒缩短完成的，端粒长度必须保持最佳状态，才能使干细胞发挥正常功能。
美国西北大学Hou 教授团队的研究表明，血液端粒长度（BTL）随着年龄而变短，引发氧化压力的环境暴露和慢性炎症可加速这个过程［29］。缩短的端粒常参与细胞老化或凋亡，但如果端粒缩短达到临界值，细胞老化或凋亡等生物学应答会受到抑制，导致基因组不稳定，包括产生染色体异常和染色体片段增加/丢失等各种促使癌症产生的关键变异。有鉴于此，长期以来端粒一直是癌症早期发生的研究对象。肿瘤组织特异性端粒长度研究的一个主要缺点是，只有在癌症发展后才能测定，这种测定受癌症进展和治疗的双重影响。
血液白细胞通过炎症应答和促进凋亡，在癌症产生中起重要作用。白细胞浸润在早期癌变中十分关键，与胰腺癌和结直肠癌等许多癌症有关联。研究癌症发育之前的DNA 中的血液端粒长度（BTL），可以提供BTL 在癌病因中起什么作用的关键信息，有重要的预测价值，但先前关于BTL 与癌症风险的大量研究得出了很不一致的结果。一种可能性是，大多数称癌症患者的BTL 比对照组短的研究是回顾性研究，是在癌症诊断后进行BTL 测量，是癌发育或治疗的结果而不是起因。例如Unryn 等人报道经过8 周化疗的头颈肿瘤患者的端粒平均丢失660 bp。在诊断前测定BTL 的前瞻性研究中的结果也不一致，一些报告称BTL 较短的参试者癌症风险增加，另一些报告称BTL 较长的参试者癌症风险增加。大多数研究只在单个时间点检测BTL，在癌症诊断之前测定BTL 不超过一次，因此很难研究BTL 磨损和癌症风险之间的因果关系，而在诊断前对BTL 多次测定的纵向研究可为BTL 在癌症风险中的作用提供更多信息，为BTL 和癌症发展及诊断之间的关系提供关键信息。Hou 等人前瞻性地测量了与时间变化和癌症发病率有关的血液端粒长度磨损，目标是研究BTL 随时间磨损与患癌风险的关系，包括BTL 如何随时间改变，如何受癌发育的影响；在临床诊断前测定的BTL 是否与癌产生风险有相关性。他们对792 位在1999～2012年间进行了1～4 次血液端粒长度（BTL）测定的标准衰老研究参与者进行了检测。他们使用线性混合影响模型，通过癌症状态（与年龄增加和诊断前年数减少有关）、时间相关Cox 模型和通过在BTL测量与诊断之间年数统计的癌发病率逻辑回归，检测BTL 的磨损。
Hou 等人发现，与年龄相关的BTL 磨损在诊断前癌病例中比在无癌参与者中要快（pdifference=0.017），所有参与者在诊断前8～14年有与年龄相关的BTL，之后在癌病例中BTL 磨损下降，在诊断前3年（p=0.003）和4年（p=0.012）BTL 变得较长。依赖于时间的BTL 与前列腺癌相关（HR=1.79，p=0.03），在任何癌（OR=3.27，p＜0.001）和前列腺癌（OR=6.87，p＜0.001）中，诊断前＜4年测定的BTL 较长。他们的解释是：与年龄有关的BTL 磨损在癌病例中较快，但随着临近诊断，与年龄有关的BTL 磨损开始变慢［29］。这可以用来解释先前文献报道的不一致，有助于将BTL 开发成癌症预测生物标志物。
根据诊断前血样中测定的BTL，在诊断出癌症的试验参与者中，BTL 的磨损（β=-0.022 单位/年，p＜0.001）比无癌患者的BTL 磨损（β=-0.010 单位/年，p＜0.001）要快。在各组人群之间，BTL 磨损率的未调整平均值是-0.012 单位/年（p=0.032）。
可采用荧光定量聚合酶链反应（PCR）方法检测健康人外周血样本，测量端粒长度相对T／S 比率并进行相关性分析，从而测定端粒长度。
图6.20 ΔΔCT 法测定外周血淋巴细胞中端粒长度
目前国内的健康医学中心一般采用ΔΔCT 法测定外周血淋巴细胞中端粒长度，Q-PCR 扩增端粒片段，分别与单拷贝基因（36B4）和受测年龄组参照样品比较和校准（图6.20）。大多数端粒长度会有8%的实验误差，ΔΔCT 法的测定结果符合标准。
（6）功能医学检测
功能医学以患者为中心，根据每个人的遗传和环境特性，深入了解个体的生化、生理反应网络途径，寻求患者内、外因素的动态平衡，以达到预防复杂慢性病、保持和持续提高健康的目的。功能医学之所以能达到这一目的，重要原因之一是因为有功能医学检测，包括HRA 健康风险评估检测、MMR-无创血液功能检测、LIFE 能量波动医学检测、TH 超微细胞动态检测、N20 身体成分检测、AGEs 糖基化终末产物检测、TTM 热断层扫描成像检测、HDMR 波动核磁共振健康检测、健康体适能检测、肠道微生物组检测、荷尔蒙检测等，下面是目前国内健康医学中心使用的功能医学检测概述：
·HRA 健康风险评估检测
HRA 是采用生物电感应技术结合人体电阻抗，通过计算机辅助扫描对人体组织器官进行三维重建，可直观看到全身脏器变化趋势，判断早期疾病，从而对人体健康状况作出评估（图6.21）。
图6.21 HRA 健康风险评估检测
HRA（健康风险评估系统）禁忌证包括：
严重心脏病，安装心脏起搏器，皮肤病，体内有金属异物（包括心肺支架），脚掌、手掌、额头皮肤破损，妊娠期，服类固醇药物和长期服用镇痛药。
·MMR-117 无创生化检测系统
该方法选择人体表面的五个生物活性点（颈部两点、腋下两点和脐部点）。因为它们是人体中重要的血流部位，又与淋巴系统有着密切的联系，从而能够更准确、更全面地采集到人体内的一些细微变化和数据信息。通过传感器将数据传送到采集盒运算中心，经过模型转换，然后采用Malychin-Pulawski 方法的特殊算法，进行人体与外界热交换信息和生物信息方面的计算，从而得出人体相关的生理指标。
该检测可以从疲劳度分析、三高体征分析、生命透支度、激素平衡、各脏器血流量、肺功能运转和顺应性、气体和物质代谢情况、睡眠情况等8 个方面，分析评估身体健康状况。
检测结果举例
葡萄糖浓度（mmol/L）：3.9～6.2。
血糖增高见于先天性高血糖、糖尿病、甲状腺功能亢进、肾上腺皮质功能亢进、脑垂体功能亢进。
血糖减低见于长时间的饥饿、肠胃吸收功能减退、慢性肝炎、肾上腺素、皮质醇、胰高血糖素与生长激素分泌紊乱、甲状腺功能减退、中枢神经疾病、中风、胰岛素与口服糖尿病药物过量、饮食习惯不规则并伴有糖尿病、胰腺疾病（胰岛素瘤）。
受检者身体状况禁忌：①体温高于37℃；②被检者五个生物活性点有明显疤痕及伤口；③被检者有严重的皮肤疾患；④情绪不稳定；⑤被检者有严重系统性疾病，长期服用对体温产生影响的药物。
·晚期糖基化终末产物
血清和组织中晚期糖基化终末产物（AGEs）水平与糖尿病慢性并发症的程度明显相关，阻止糖基化反应可减少AGEs 形成，减少或减轻并发症。血清或组织AGEs 浓度已作为监视糖尿病，尤其是伴有肾脏损害及血管并发症患者治疗效果的一项新指标。
组织中AGEs 的总含量与组织的荧光值成正比：AGEs 在Ex370/Em440 nm 有特征性吸收光谱（激发光波长370 nm，荧光发射光谱440 nm），故荧光光谱分析是测定AGEs 较常用的方法，通过荧光测定可大致估计体内AGEs 的实际水平与AGEs 的变化趋势（图6.22）。
检测结果
AF 值（皮肤荧光值）：通过自动吸收人体组织中的AGEs 发射的荧光来计算AGEs 在体内的积累量，其值越大，表示积累量越高。AGEs 含量过高会影响慢性疾病的预后以及治疗效果。
图6.22 晚期糖基化终末产物（AGEs）水平检测
·TTM 热断层扫描系统
TTM（ Thermal Texture Maps）热断层扫描成像检测是一门以功能学为主的全新的医学检测。它主要锁定细胞的代谢状况，通过红外线热辐射接收器，采集人体细胞新陈代谢过程中辐射出来的热，经过计算机处理后，使受检者整个机体的每一个局部状态都反映在电脑屏幕上。再经过断层、测量、比较和分析，寻找机体的异常热源，根据人体细胞热辐射的对应规律，对人体健康状况进行综合评估（图6.23）。
·LIFE 能量波动检测
图6.23 TTM 探测到的背部脊柱“尖塔形”代谢热
利用混沌理论及傅立叶分析系统转换成数字化生物电磁性信息，通过微弱磁场能量测定装置，对生物体及物质中的微弱磁场进行捕捉和解析，从而达到诊断和治疗疾病的目的，这种用微弱磁场能量测定装置测定物质的技术称为能量波动解析法，它在医学上的发展和应用则称为能量波动医学。仪器在研制时将正常人体脏器组织、数百种疾病以及环境、食物毒素的磁场分别用代码标志，并储存于电脑中。测患者某脏器是否有病时，只需将皮肤表层电极附在人体的四肢及额头上，测其毛发或尿液中所含某脏器磁场是否与电脑设定的代码共振即可作出诊断。此方法可测定电脑储存的数百种疾病及数千种病原因子，对疾病的诊断及病原的测定有简便、快捷、灵敏、准确、无创伤等优点，对一般认为难以定量的模糊的病因如情绪刺激、过敏原等，都可用数值量化其危害程度。在对病情的判定上用数值可以判断病情的早、中、晚期，从而达到早期诊断和预防的目的（图6.24）。
检测范围包括32 项人体健康风险预测、毒素检测、营养素检测、消化酶检测、心理检测、脊柱检测、经络检测、过敏检测、内分泌检测、呼吸系统检测、免疫系统检测、荷尔蒙检测。
糖尿病参考指标有①风险指数：血糖平衡、血质；②毒素：糖毒素；③氨基酸：亮氨酸、异亮氨酸；④微量元素：铬、钒。
图6.24 LIFE 能量波动检测
·TH 超微细胞动态检测
TH 超微细胞动态检测是将超高倍的光电放大技术与先进的多媒体成像技术完美结合，通过采集受检者的末梢血，将人体血液的微观世界清晰、直观地呈现在操作者及受检者的眼前，通过观察血液中各种有形成分数量、形态、内部结构及分布等信息的变化，准确地掌握受检者的健康状况，并且有助于找出诱因，给出相关的健康保健指导（图6.25）。
检测范围包括①疲劳：疲劳斑、疲劳圈、针状体、自由基过多、白细胞活力下降等等；②代谢疾病：高脂血症、乳糜微粒、胆固醇结晶，糖尿病、甲状腺疾病；③心脑血管疾病：脑供血不足、血压不稳、心脏器质性改变； ④肺部疾病：炎症、肿瘤、肺气肿、结核； ⑤肝胆疾病：肝脏损伤、胆囊息肉、胆结石、胆囊炎。
图6.25 TH 超微细胞动态检测设施
·HDMR 波动核磁共振健康检测
HDMR波动核磁共振健康检测仪是德国最新健康检测科技产品，是融合光波、量子波及声波等共振分析细胞能量对比的评价治疗系统。该设备是一个能够凭借体内组织、细胞所发出独特生物波的特性，直观地显示细胞的功能状态，追踪身体状态的仪器，其特点是无辐射、全面、灵敏、直观，检测时间为60～90 min（图6.26）。
图6.26 HDMR 波动核磁共振健康检测仪
检测范围：①器官损伤程度；②病理形态改变； ③病原微生物及过敏原；④重金属残留、农药残留； ⑤肿瘤信号、染色体； ⑥西方医学用药、营养物。
·N20 人体成分分析仪
N20 人体成分检测仪使用10 点接触式手足电极板，采用多频生物电阻抗专利技术，测量身体成分，根据人体生物特性，精确分析人体各种组成元素（图6.27）。
图6.27 N20 人体成分检测仪
检测范围包括①人体成分：体重、去脂体重、体脂肪量身体水分、细胞内外液、无机盐、蛋白质；②脂肪和肌肉比例，肌肉组织在四肢与躯干的分布；③肌肉脂肪分析：进行如何增加肌肉，减少脂肪或维持现状等不同类型指导；④通过体重指数、脂肪率、肥胖度对肥胖部位进行诊断；⑤对热量、体型、节段性肌肉进行综合评价，给予体重肥胖健康管理指导。
·体适能检测
体适能检测是综合评估机体肌力、肌肉耐力、柔韧、灵敏、平衡、协调、速度、爆发力、反应时间的检测。通过健康体适能中心工作站的检测，可以评估受检者的运动能力、运动风险及帮助受检者找到适合的运动方法。
体适能商是健康体适能+竞技体适能，检测结果体适能商越高，代表身体机能越好。综合体适能的评价和检测更能反映身体机能与健康、疾病之间的关系（图6.28）。
图6.28 体适能商
·荷尔蒙检测
激素（荷尔蒙）是由内分泌腺或内分泌细胞分泌的高效生物活性物质，对机体的代谢、生长、发育、繁殖、性欲、性活动以及其他各种生理功能、行为变化以及适应内外环境等起重要的调节作用。一旦荷尔蒙分泌失衡，便会带来疾病。
人体内有75 种以上的荷尔蒙，这些荷尔蒙可按其化学结构分为两大类：一是含氮类激素。约25 种，包括蛋白质、多肽和氨基酸衍生物，如胰岛素、人生长激素、IGF-1、胃肠激素等；二是固醇类激素。约50 种，包括雄激素、雌激素、肾上腺皮质激素、醛固酮等。
第一类激素作用在靶细胞表面，不进入细胞内部，而是与细胞膜表面特异的受体结合。这种结合使腺苷酸环化酶激活产生cAMP（第二信使），cAMP 再激活细胞内的一些特定系列的酶，从而引起各种生理效应（图6.29）。这是由E. W.Sutherland 于1965年提出来的第二信使假说［30］，他在1971年获得诺贝尔医学奖。
第二类激素是脂溶性的固醇类激素，如肾上腺皮质激素和雌激素、雄激素、甲状腺素等。
这一类激素都是较小的分子，相对分子质量一般都在300 左右，都能穿过细胞膜而进入细胞质中。它们的受体是靶细胞内的一些蛋白质分子（图6.30）。近年的研究证明，只有糖皮质激素和盐皮质激素的受体是位于细胞质中的，而性激素，如雌激素、孕酮、雄激素的受体都是位于细胞核内的。
图6.29 非固醇类荷尔蒙的作用机理
图6.30 固醇类荷尔蒙的作用机制
荷兰莱顿大学医学中心的艾维范德斯皮尔等人2016年8 月在Cell Aging 期刊上发表的论文证实，生长激素活性影响人类寿命。在长寿家族中，生长激素的分泌受到严格调控，分泌量相对较低［31］。
如果胰岛素/胰岛素样生长因子1（IGF-1）的信号传导途径（IIS）被阻断，许多生物的衰老可延缓，导致寿命延长。哺乳动物的生长激素（GH）在IIS 途径的调节中起关键作用，降低或消除GH 活性的基因突变（包括缺失突变），可延长小鼠的预期寿命，但目前尚不清楚在不同的人群中，GH/IGF-1 分泌量的差异是否可影响预期寿命。
艾维范德斯皮尔等人曾发现，女性百岁老人的基因组中，有很多可引起IGF-1 分泌量减少的稀有突变，这类突变导致她们的身材矮小。GH/IIS 信号传导途径的各种多态性，与80～90 岁女性的身材矮小以及她们在老年期的生存率较高有相关性，但尚未对人类寿命与GH 分泌量的相关性进行深入分析。
由下丘脑产生的生长激素释放激素（GHRH）和生长激素抑制素，可分别促进或抑制脑垂体前叶的促生长细胞分泌GH。GH 在与组织靶细胞的GHR（生长激素受体）结合后发挥生理作用，其中一个重要作用是促使肝细胞产生IGF-1。GH的分泌量会因IGF-1的负反馈环抑制而减少。IGF-1可在血液与IGFBP3 结合，二者结合的摩尔比可用来衡量IGF-1 的生物利用度。人体中有许多组织器官可表达GHR，提示GH 的功能不完全取决于IGF-1。莱顿大学的长寿研究（LLS）课题，主要目标是研究决定人类长寿的关键因素，包括对超长寿家族的后裔及其伴侣进行研究，结果发现超长寿家族的后裔确实不易患老年病，与其伴侣相比死亡率较低。之前在长寿后代和对照的血液IGF-1 浓度研究中没有发现不同，但并没有研究长寿家族中GH 分泌的量级和调控。
艾维范德斯皮尔等人希望通过比较长寿家族后代和对照的GH 分泌数量、速度和调控机制等参数，找出控制GH 分泌的信号传导途径。他们在新研究中发现：①长寿家族中GH 的分泌量较少；②GH 的分泌速度受到严格控制。GH 分泌减少与人类家族型长寿正相关，与小鼠中GH 反应的减少可提高健康水平、延长预期寿命的观察相吻合。
艾维范德斯皮尔等人的研究结果证实，GH/IGF-1 信号传导途径与动物和人类的长寿都密切相关。由于GH 的半衰期在长寿家族后裔和对照之间基本上没有差异，所以GH 分泌量和速度的不同，不会是由于血液中GH 的快速消除，而有可能是长寿家族后裔在GH 分泌的时空调控方面更有效率。这些新研究数据有力地支持了GH/IGF-1 信号传导机制，在人类长寿中发挥关键作用的推论［31］。
美国纽约艾伯特爱因斯坦医学院（Albert Einstein College of Medicine）的亚伯拉罕等人2017年在Science Advances 期刊发表了他们对几组不同男性群体的生长激素受体（GHR）基因缺失的研究，发现生长激素受体基因的突变可能使人的寿命更长［32］。
生长激素与细胞表面的GHR 接触后，受体立即启动胞内信号传导，令细胞生长速度加快，并在某些情况下释放GH。某些人的特定基因遗传突变，可使他们的生长激素受体结构发生改变或无法正常形成。在亚伯拉罕等人的这项新研究中，主要分析了GHR 基因缺失突变造成的影响，结果发现有GHR 基因突变的男性，寿命延长了近10年。
在对567 名超过60 岁的德系犹太人（Ashkenazi Jew，AJ）及子女的GHR基因进行测序之后，亚伯拉罕等人发现，在12%的百岁男性老人中存在GHR 基因缺失突变，比70 岁男性出现这种突变的概率高3 倍多（图6.31），但在不同年龄的两个女性组中，GHR 基因的突变概率无明显差异。
图6.31 在d3-GHR 隐性模型中，196 位男性AJ百岁老人（n=102）和对照组（n=94）的生存曲线
亚伯拉罕等人进一步对阿米什、法国和美国长寿人群的GHR 基因进行测序分析，发现在这三个人群共814 位个体中，也同样有GHR 基因突变。与上述在德系犹太人中的研究结果类似，男性生长激素受体基因的缺失突变，与寿命延长显著相关［32］。这项研究首次发现了长寿与生长激素受体之间有相关性，如果在其他人种和大样本的研究之后，确认也能得到类似结果，可以进一步解析生长激素受体基因缺失突变延长男性寿命的机制。
美国哈佛大学医学院布里格姆妇女医院的丽迪雅林奇等人2016年9 月在Cell Metabolism 发表的研究报告称，身体调控体重的能力，大约40%是由免疫系统和激素决定的［33］。
iNKT 细胞（invariant natural killer T cell，恒定自然杀伤T 细胞）是固有免疫和适应性免疫的桥梁，在细胞免疫应答中起关键作用。丽迪雅·林奇等人发现这种免疫细胞也可诱发与体重调节相关的级联过程，在体重控制中也可发挥关键作用。iNKT 在体内受GLP-1（glucagon-likepeptide-1，胰高血糖素样肽-1） 的调控。
由人胰高血糖素基因编码的GLP-1，是一种主要由肠道L 细胞分泌的肽类激素，具有降低餐后血糖并维持血糖水平恒定的生理功能。GLP-1 这些生理功能的实现方式包括①以葡萄糖依赖方式刺激胰岛β 细胞的增殖与分化；②通过促进胰岛素基因的转录，提高胰岛素合成的数量和分泌速度；③通过抑制β 细胞的程序性死亡，保持/增加胰岛β 细胞的数量；④抑制食欲和胰高血糖素的分泌。
在人体内的白色脂肪转变为更健康的棕色脂肪的过程中，需要大量消耗能量，导致分解代谢速度加快并使体重下降。iNKT 细胞可刺激脂肪细胞合成纤维细胞生长因子-21（fibroblast growth factor-21，FGF-21），这种细胞因子可帮助体内的白色脂肪转化为更健康的棕色脂肪，或称为“棕化过程”。GLP-1 可调控iNKT细胞的活化和FGF-21 的产生，从而加快棕色脂肪的转化和体重减轻 ［33］。
林奇等人发现肥胖症患者的iNKT 细胞数量和免疫系统活力较低，一般不能有效合成FGF-21，因此无法将白色脂肪转变为棕色脂肪。如果能在一定条件下令体内合成足够数量的iNKT 细胞，就能有效增强FGF-21 的合成水平，从而加速白色脂肪的“棕化过程”，导致脂肪分解代谢速度大幅提高，最终使体重得以降低。从这些研究不难认识到，体重控制或减肥的成效，在很大程度上取决于免疫细胞iNKT 的数量与活性［33］。
国内的健康医学中心，一般在检测荷尔蒙水平的同时，也检测荷尔蒙基因，因为荷尔蒙在体内的合成、代谢与一些基因的功能密切相关，基因功能的缺陷将导致荷尔蒙的合成/代谢受阻或失衡，从而引发一些疾病的发生。图6.32 展示了17β-雌二醇的合成途径。
图6.32 17β-雌二醇的体内合成途径
雌激素在体内的代谢分为两步：①由细胞色素P450 酶（包括CYP1B、CYP1A1 和CYP1A1462 等）催化的羟基化反应，使脂溶性的雌二醇和雌酮转化为2-OHE、4-OHE 和16-OHE 雌激素，2-OHE 被认为是“好雌激素”，没有负面作用，后二者则有引发炎症和组织增生的作用，如果16-OHE 在体内的水平远超2-OHE，会使女性罹患乳腺癌的风险显著增高；②由亚甲基四氢叶酸还原酶（MTHFR）、N-乙酰转移酶2（NAT2）和谷胱甘肽硫转移酶M1（GSTM1）等催化的甲基化反应、醛糖酸化反应和硫化反应等，这些代谢反应的终产物通过粪便和尿液排出体外。参与上述两步反应的酶编码基因，如果发生缺失、插入或有害点突变，会造成这些酶功能丧失，导致体内荷尔蒙水平异常。
综上所述，荷尔蒙基因检测的数据，可以让我们精准找出荷尔蒙水平失衡的原因，及早预测因荷尔蒙水平异常带来的代谢性疾病、性腺/性功能障碍或衰老风险，是健康医学不可或缺的疾病风险评估诊断的工具之一。
肠道菌群——微生物组检测
人肠道含有超过1 000 种总数目达40～100 万亿的微生物，这些微生物称为肠道菌群或微生物组，由超过三百万个基因编码而成。肠道菌群与神经系统疾病、癌症、心血管疾病、肥胖、胃肠疾病、自身免疫疾病、代谢性疾病、精神病、肝病、呼吸系统疾病等许多疾病密切相关。
2015年美国纽约Albert Einstein 医学院的保罗·弗勒内特教授团队发现，微生物组能够调控中性粒细胞的老化，如果用抗生素消灭特定肠道菌群，可以有效防止出现急性镰状细胞病（SCD）以及避免器官衰竭等SCD 的慢性并发症 ［34］，也为脓毒性休克等其他炎症性血液病的治疗，提供了新的治疗选项。
SCD 是由于基因突变导致的遗传性血液病，可使患者的红细胞从正常的圆盘状变为镰刀状，很容易造成细胞黏度增加和血管堵塞，影响血流速度和氧的运送，进而损伤包括肾、肝和脾在内的一些重要组织器官。弗勒内特教授在2002年曾发现，镰状红细胞与血管壁上附着的中性粒细胞的结合，是导致SCD 患者血管堵塞的主要原因。中性粒细胞在白细胞中的占比为50%～70%，在血液的非特异性细胞免疫系统中发挥趋化、吞噬和杀菌作用，负责微生物病原体的一线防御。
当中性粒细胞从静止状态转为活跃状态时，可以对抗细菌感染，也可以与镰状红细胞结合。弗勒内特教授团队根据细胞表面不同蛋白的分析发现，血液循环中的中性粒细胞在老化阶段，其活跃程度会大幅增高，而肠道微生物组产生的化学物质，能够穿越肠道屏障进入血流，作为促进中性粒细胞启动老化进程的信号，使血液中过度活跃的老化中性粒细胞数量显著增加。显然，如果使用抗生素杀死这些特定菌群，理论上将有助于减少SCD 的发生。
弗勒内特团队使用SCD 动物模型进行的研究表明，SCD 小鼠血液中老化的中性粒细胞数量，比健康小鼠高5 倍。在SCD 小鼠的肠道菌群被抗生素杀灭后，可以显著减少血液中性粒细胞的数量和活性，但对单核细胞，B、T 淋巴细胞，巨噬细胞和其他白细胞没有影响。此外，抗生素还能减少SCD 小鼠血液中性粒细胞与红细胞的相互作用，防止出现镰状细胞症状并改善局部血流受阻状况。
上文提到，SCD 也可以对一些重要组织器官造成伤害，而弗勒内特团队的数据证实，抗生素可以使SCD 小鼠的慢性组织损伤（包括组织死亡、炎症性肝脏损伤和脾脏增大）得到有效改善。此外，源自促发炎症的高活性中性粒细胞的感染性脓毒性休克，也能通过清除肠道微生物组，使实验小鼠不会因中性粒细胞的聚集而出现脓毒性休克等并发症，或其他炎症性血液疾病。
弗勒内特等人也在SCD 患者中研究了抗生素（青霉素）对血液中老化中性粒细胞数量的影响，得到的结果与小鼠研究吻合。在每天使用青霉素的11 名5岁以下SCD 儿童患者中，血液中老化中性粒细胞的数量明显低于使用青霉素的SCD 患儿。他们很快会开展在年龄较大的SCD 患者中，使用青霉素和其他抗生素减少镰状细胞数量和组织器官损伤的临床试验。
美国哈佛大学的朱丽亚·查尔斯等人2016年12 月在PNAS（美国科学院院报）上发表的研究，是美国NIA（National Institute on Aging）资助的项目。他们主要分析了小鼠肠道菌群（微生物组）的移植对骨骼生成和生长的影响，特别是在骨吸收和形成的过程中，胰岛素样生长因子-1（IGF-1）所发挥的作用［35］。
保持健康骨骼需要在新骨形成与旧骨吸收之间达到稳态平衡，如果这种平衡因代谢和免疫功能异常或激素水平的变化遭到破坏，可能会出现包括骨质疏松症在内的一些骨科疾病。虽然近年来的研究发现肠道微生物对人类健康的许多方面都有重要影响，但肠道菌群如何影响骨骼健康目前尚未得到深入研究。朱丽亚·查尔斯团队与北卡罗来纳大学进行的2年合作研究，使用3 月龄的幼年小鼠和10月龄的中年小鼠，重点分析在这些小鼠肠道中存在的菌群，与骨密度和老年期的骨丢失是否有任何关联和影响。
他们在实验开始时，将肠道菌群定植的年幼小鼠骨量与无菌小鼠的骨量进行比较，结果发现虽然菌群定植的幼年小鼠骨量有所减少，但它们血清中骨吸收和骨形成的标志物有所增多，而菌群定植的中年小鼠骨量比无菌小鼠的骨量略有增加，骨密度没有差异。这些观察与只有菌群定植小鼠会出现骨丢失的预判有落差，为什么会发生幼年菌群定植小鼠骨量减少，而中年定植小鼠骨量上升的现象？
查尔斯等人分析了实验小鼠血清的多种组分，发现肠道菌群定植小鼠血清中的生长因子IGF-1 的浓度升高，正是IGF-1 影响了幼年和中年菌群定植小鼠的骨形成与吸收。在幼年菌群定植小鼠肠道中的微生物组被抗生素破坏之后，IGF-1 的血清浓度明显下降，从这些数据得出的结论是，IGF-1 的血清浓度受肠道微生物组的调控［35］。美国的另一个研究小组在查尔斯团队之后，也证实小鼠肠道微生物菌群定植可改变血清IGF-1 的浓度，他们同时还观察到这些菌群定植小鼠的骨量增加了2 倍。下一步的研究焦点将是肠道菌群定植的时间，对骨发育、骨量和骨密度的维系有何种影响，分析骨吸收的速度能否长期保持低于骨形成的速度。
美国哈佛大学劳埃德·普锐斯等人2017年10 月在Nature 发表的研究进展，主要内容包括使用DNA 二代测序技术，分析了265 个人的肠道、阴道、口腔和皮肤等多个身体部位，不同时间点的微生物组样本共计1 631 份，在肠道微生物菌群中鉴定出几百万个新基因。
这项大规模研究的主要发现可归纳为以下几点［36］：
·首次鉴定出在人体不同部位存在的特定菌株和所属菌群。
·首次鉴定出人体菌群及其生物化学过程变化的时间进程。
·首次发现人体菌群的某些生物化学反应在维系身体健康中所发挥的关键作用。
·给出了人体菌群中病毒和真菌的详细分类信息。
先前的研究已证实，肠道中的微生物与人体的免疫系统和多种疾病密切相关，其数量接近百万亿，而普锐斯等人这项新研究提供的肠道菌群新基因数据信息，有助于确切了解在肠道菌群中，哪些特定菌种及其代谢过程能帮助维持人体免疫系统的正常功能，能在对抗疾病和促进健康中发挥关键作用。
这项由美国哈佛陈曾熙公共卫生学院和博德研究所合作完成的研究，是2008年美国NIH 启动的“人类微生物组计划”（Human Microbiome Project，HMP）的一部分。虽然普锐斯等人所取得的成果堪称HMP 研究计划中的里程碑，但由于人体中的微生物菌群极其复杂，还需要在他们的研究基础上，对各个相关细节进行更深入的研究分析，全面理解微生物组影响人体健康的复杂机制。
现代健康医学对肠道菌群（微生物组）的分析包括：
A.肠道菌群构成分析：①肠道菌群平衡；②菌群多样性；③有益菌（双歧杆菌、乳酸杆菌、梭形杆菌、AKK 菌等）数量；④有害菌（韦荣球菌、葡萄杆菌、变形杆菌、志贺菌、沙门菌等）数量；⑤菌群比例。
B.菌群主要营养代谢能力分析：①碳水化合物；②蛋白质；③脂肪；④纤维素；⑤乳制品；⑥氨基酸：苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、胱氨酸、苯丙氨酸、酪氨酸、缬氨酸、组氨酸、丙氨酸、谷氨酸、甘氨酸、脯氨酸和丝氨酸。
C.菌群微量营养合成代谢能力分析：①维生素A、B1、B2、B5、B6、B12、C、D；②叶酸；③铁；④锌。
D.菌群有机酸合成能力分析：①乙酸；②丙酸；③丁酸；④戊二酸。
E.菌群抗生素抗性评估（耐药可能性分析）：①氨基糖苷类；②大环内酯类；③呋喃类；④喹诺酮类；⑤磺胺类；⑥甲氧苄啶类；⑦氯霉素类；⑧四环素。
通过上述肠道菌群的综合分析，可以对多种疾病风险进行评估，包括溃疡性肠炎、结直肠癌、肠易激综合征、感染型腹泻、胃病、肝病、胆病、肾病、心脑血管疾病、2 型糖尿病、抑郁症、甲状腺疾病、肺部感染和自体免疫病等，也可以对受检者的总体健康水平进行评分，为下一步的健康医学精准干预提供依据。
（7）细胞生物学检测
对免疫细胞种类、数量和活性的检测，可以帮助现代健康医学精准评估个体的免疫力水平，因此细胞生物学的检测手段，包括流式细胞仪技术，是健康医学进行疾病风险检测评估的必不可少的工具之一。
流式细胞仪（flow cytometer）是对各类细胞自动分选、分析的装置，可以快速分析、测定并显示在液体中分布的不同细胞的各种生化、细胞学等方面的特性参数，能够根据预定的参数范围分选出特定细胞群（图6.33）。
图6.33 流式细胞仪工作原理
流式细胞仪首先对细胞悬浮液的光散射信号进行定量测定，在细胞被荧光试剂标记（染色）后，可迅速对样品中标记（染色）的和未标记的细胞进行区分。光散射信号测量可从多种细胞群的混合物中高效鉴定出特定亚群。
荧光试剂标记后的细胞，在激光照射下发出的荧光强度较弱，波长与照射光不同，属于特异荧光。而没有荧光试剂标记，细胞内部的荧光分子经激光照射后所发出的荧光属于自发荧光。这种荧光是噪声信号，会对细胞特征荧光信号的分析测定造成干扰。
提高结合亲和力较低的荧光抗体的信噪比，对于包括免疫细胞在内的各种细胞化学的准确测量，是最关键的因素之一。造成自发荧光信号增强的因素包括：①细胞内核黄素、细胞色素等能产生自发荧光的分子数量较大；②细胞悬浮液中死细胞与活细胞的比例较高；③亮细胞在细胞样本中的比例较高。
可通过下述方式提高信噪比，减少自发荧光对测量的干扰：①尽量减少细胞样本中死细胞的数量；②选用荧光强度较高的荧光标记试剂；③通过电子补偿电路尽量降低自发荧光本底值的干扰；④优化滤片光学系统和激光系统。
免疫功能低下是罹患癌症的主要风险之一，通过流式细胞仪对T、B、NK、NK-T 等免疫细胞以及补体、抗核抗体等指标的定量检测，可以判断受检者罹患肿瘤的风险是否升高。检测方法的准确度、分析灵敏度、测定下限、分析特异性、分析偏倚、假阳性率和假阴性率，都符合行业标准《临床定性免疫检验重要常规项目分析质量要求》［37］。
在免疫疗效的预测中，有必要分析特定细胞的状态。例如，为了预判特定患者是否适宜接受PD-1 单克隆抗体免疫治疗，需要对患者进行外周血免疫分析，鉴定血液中耗竭型CD8+ T 细胞 （Tex 细胞）的变化。美国宾夕法尼亚大学医学院的Alexander C. Huang 等人2017年4 月在Nature 杂志在线发表了一篇研究PD-1抗体治疗机制的报道，发现T 细胞应答往往不能根除肿瘤，因为这类细胞会发生功能障碍或耗竭［38］。Tex 细胞的效应功能很弱（尽管功能并非完全丧失），与效应CD8+ T 细胞（Teff）或记忆CD8+ T 细胞（Tmem）相比，有不同的分化模式。包括PD-1 在内的抑制性受体，也可限制Tex 细胞的再活化。在临床前模型中，阻断PD-1 途径可部分激活Tex 细胞，在包括黑色素瘤在内的某些人癌症中产生阳性临床应答。
大多数患者对派姆单抗（pembrolizumab）有免疫应答，许多临床治疗失败的患者并非仅仅由于无法产生免疫激活，而是因为在T 细胞再活化与肿瘤负荷之间无法取得平衡。由治疗前肿瘤负荷决定的血液Tex 细胞再活化的程度，与治疗应答密切相关［38］。
根据免疫实体瘤应答评估标准（RECIST），62%的患者没有客观临床应答，这与已公开的临床试验相符。使用高维流式细胞仪可以对黑色素瘤患者外周血T 细胞与对照（健康人）的血液T 细胞进行比较。CD4+/CD8+ T 细胞、记忆T 细胞的频率，以及抑制性受体（PD-1、CTLA-4、2B4 和TIM-3）在CD4+/CD8+ T 细胞中的表达类似，但黑色素瘤患者的CD4+FOXP3+T 细胞频率较高，而且FOXP3+细胞表达Ki67。在黑色素瘤患者的CD8+ T 细胞中（主要是在PD-1+ CD8+ T 细胞中），Ki67 的表达增高（P＜ 0.000 1），提示有预先存在的免疫应答［38］。
在进行了免疫检查点阻断的小鼠模型以及在接受了CTLA 4 抗体治疗+放疗的患者中，Ki67 是细胞增殖和T 细胞活化的标志物。Huang 等人对Ki67 的表达进行了更详尽的分析。在派姆单抗治疗3 周后，大多数患者的Ki67+ CD8+ T 细胞频率增高，之后下降。有应答的Ki67+ CD8+ T 细胞群主要是CD45RAloCD27hi，含有CTLA 4、2B4 和PD-1 表达较高的细胞。此外，有应答的Ki67+细胞是Eomeshi 和T-betlo （P ＜0.000 1），与Tex 细胞的表型吻合，而健康人的Ki67+细胞群体主要是EomeshiT-bethi和CD27lo，与效应细胞的表型一致。除了CD8+ T细胞，在派姆单抗治疗后，FOXP3-CD4+ T 细胞和FOXP3+CD4+ T 细胞的Ki67 也有所增加，主要是PD-1+亚群。FOXP3-或FOXP3+CD4+ T 细胞的应答都与临床结局无关。
相对于PD-1-CD8+ T 细胞，在PD-1+CD8+ T 中Ki67 表达的增加极为显著（P＜0.000 1），与PD-1-细胞相比，Ki67 应答在治疗后3周达到峰值（P＜0.000 1）。最后一次CTLA4 抗体治疗的时间，与随之进行的派姆单抗治疗后Ki67 的水平或治疗应答无相关性，提示在这种情况中观察到的免疫应答主要来自PD-1 抗体治疗。在健康人中，PD-1+CD8+ T 细胞中的Ki67 表达在3 周内变化不大，变化幅度为（1.1±0.37）倍。与此不同的是，大部分黑色素瘤患者（20/27）在治疗后，其PD-1+CD8+ T 细胞中的Ki67 有明显增加。在74%的免疫应答率中，只有38%实现临床应答，说明并非有免疫应答的全部患者都有临床获益［38］。
以上数据清楚表明，细胞生物学技术，特别是流式细胞仪对细胞的鉴定和分选，在现代健康医学中占有重要地位，因为这种技术是在临床使用PD-1 抗体进行治疗前后，及时评估患者的Tex 细胞与肿瘤负荷的比例所必需的，而且可以鉴定新的疗效预测生物标志物（如Ki67）［38］。通过揭示肿瘤总负荷与PD-1 阻断后免疫细胞再活化的关系，可深入分析PD-1 抗体治疗机制的框架，为进一步采取个性化精准治疗提供可靠数据。
（8）影像学检测
·B 超
超声波是人耳听不到的每秒振动2 万～10 亿次的声波。B 超属于超声医学/影像学，利用超声波的物理性质进行多种疾病的临床诊疗，目前已成为现代健康医学中不可或缺的检测方法。
※ B 超的优缺点
优点：①与X 线、CT 等影像学方法相比，B 超最大的优点是无放射性损伤的无创超声检查技术；②B 超使用的设备比CT、X 线诊断设备更易于操作，且重量较轻、体积较小，可移动至床边对危重患者进行检查；③B 超能即时得到检查结果，也可以多次重复检查；④B 超探头的放置位点不受限，一次检查能获得多个方位的断面图像，可对各种病灶进行定位和测量。
缺点：①B 超只能显示局部断面图像，很难在一张图像上清晰展示整个病灶的空间位置/构象；②由于B 超只能鉴定器官和组织的声阻抗差变化，所提供的图像特异性较低，一般不能单独进行疾病确诊，需要结合其他临床检验和其他影像学分析，才能完成最终诊断；③B 超的检查结果是否准确，在很大程度上取决于设备操作人员的经验和技术水平。如果由于病灶微小或声阻抗差变化不显著而不产生反射，在声像图上一般无法显示病变区域。
·CT
计算机X 射线断层扫描技术简称CT，是多功能的临床病症检测仪，主要工作原理是根据人体不同组织器官对X 线透过和吸收的差异，使用高灵敏度的CT检测仪对人体组织进行测量，并使用计算机对检测数据进行处理，最终产生人体被检测部位的断面/立体图像，可供影像学专家分析鉴定体内任何部位的微小病变。
CT 在采集到X 线影像后通过计算机的数学计算，可还原出人体内部结构的断面或立体图像，可检测出X 线片无法鉴定的细微病变。
·MRI
核磁共振成像简称MRI，后因日本科学家提出核武器极大地伤害了日本，遂将核磁共振的“核”字去掉，改称磁共振。目前这项技术一般称为磁共振成像术（MR），是一种利用原子核自旋运动特性的磁自旋成像技术，主要步骤包括：①用探测器检测在外加磁场内射频脉冲激发自旋后产生的MR 信号；②输入计算机，经过处理转换后可得到任何方向的断层图像或三维图像。
※ MRI 的优缺点
优点：①MRI 能获得一些组织器官（如脑和脊髓等）的三维立体图像，甚至可以得到某些空间－波谱分布的四维图像；②能诊断多种心脏病变，而CT 因受限于扫描速度难以完成这类疾病诊断；③对阴道、子宫、直肠、膀胱、肌肉、骨关节等部位的检测准确度优于CT；④MRI 对人体没有损伤。
缺点：①MRI 和CT 都属于影像学诊断，单凭影像学数据很难对某些病变进行确诊，最终诊断结论需要对影像和病理等多方面的检测报告进行分析评估之后才能得出；②MRI 对胃肠道病变的检查不如内窥镜，后者可以提供影像和病理两方面的报告；③对肺部病变以及对肾上腺、前列腺、胰腺和肝脏的检测逊于CT，而检测费用相对更高；④危重患者、妊娠3 个月内的孕妇、带有心脏起搏器的人士以及体内留有金属物品者不能做MRI。
·PET
正电子发射型计算机断层显像简称为PET，是较为先进的临床影像学技术。CT 是通过影像来观察分析人体结构，而PET 可显示活体内的代谢物变化、神经递质和受体的动态活动，可用于疾病鉴别诊断、脏器功能分析、病情判断、疗效评价等。PET 的成像原理与CT、MRI 有本质的区别，具有后二者所不具备的优点：①特异性高。PET 检查可以根据恶性肿瘤细胞内葡萄糖代谢高度活跃的特点做出诊断，而MRI、CT 则很难对所发现的肿瘤性质（良性或恶性）做出判断；②灵敏度高。PET 可在分子水平发现病灶，换句话说，可在疾病的超早期做出诊断，这是MRI 和CT 所无法企及的。PET 检查除了可获得三维影像，还能进行定量分析，这也是目前其他影像学技术做不到的；③安全性高。PET 检查所用的放射性核素剂量很小，半衰期在12～120 min。经过体内代谢和物理衰减，放射性核素在受检者体内留存的时间很短。患者通过PET 进行全身检查所接受的放射线照射剂量，比通过CT 进行一个部位检查所接受的照射剂量要小很多；④全身显像。一次PET 全身检测可获得全身各个区域的图像。
·PET-CT
PET-CT 是PET 和CT 两种技术的相互补充与结合，可以鉴定体内单独小病灶的性质（良性或恶性）以及术前定位，还可以对病灶进行定量和分期，极大地提高了临床诊断的准确性。PET-CT 可以规避PET 在临床使用中出现的假阳性率过高、定位困难等弊端，是21 世纪最伟大的医学发明之一。目前最先进的西门子Biograph64 可以达到52 环PET 同64 层CT 整合，可以用于心脏功能检查和肿瘤病灶的精确定位。
CT 可检测出直径1～2 cm 的肿瘤，比B 超的灵敏度高约45%，而PET-CT可检测出直径4～5 mm 的肿瘤，比CT 和MRI 的灵敏度更高。但由于体积为1 cm3的肿瘤约含10 亿个癌细胞，因此影像学检测出的癌症一般是中晚期。新型胶囊胃镜对胃癌检测的灵敏度高于CT 和MRI。
·SPECT
单光子发射计算机断层成像术是与正电子发射断层成像术（PET）并列的核医学CT 技术，简称SPECT。SPECT 显像在临床上可进行心脏灌注、甲状腺、骨骼、局部脑血流断层探测，显示细胞和分子的生物学动态变化。SPECT 断层成像技术提供三维立体图像，可精确定位病变的位置、性质和程度，进行活体疾病诊断。例如，SPECT 可进行心肌缺血的诊断，包括评估冠状动脉堵塞程度、因冠脉狭窄引起的心肌血流灌注量的变化以及心肌细胞活力，对冠心病风险进行分级。
值得指出的是，2017年美国FDA 批准一个非侵入性、无辐射的便携式设备CADence，用于临床心脏病辅助诊断。CADence 由记录心音的数字听诊器、记录心电图的传感器、一次性患者手册和软件组成，可同时记录心音和心电图，帮助医生分析是正常生理心音还是病理性杂音。CADence 在冠状动脉参数的测量准确性、诊断率等方面与SPECT 基本一致，可快速评估冠状动脉堵塞、心力衰竭和心脏瓣膜异常，但检测成本远远低于SPECT［39］。
在健康医学中使用较多的影像学技术是电磁技术磁共振成像系统。国产的HR-2000 MRI 常导型磁共振成像仪是180°开放角电磁型全身磁共振成像系统，嵌入专用MRI 软件，可保证系统具有高信噪比和高稳定性，给出的影像具有高分辨率和高对比度。
这种广泛用于健康医学的核磁仪器还具有如下特点：①丰富的健康医学应用软件功能，覆盖常规应用和高级应用（弥散成像、血管成像等），可进行快速扩展；②由于是180°开放视野/空间和静音扫描，可提高接受检查患者的舒适度，避免产生幽闭恐惧；③低磁场高功效，图像清晰度相当于中磁场，并可有效去除伪影；④低能耗（10 kW）高安全性，可一键加磁/卸磁；⑤集成式系统机柜，可在多种场地快速安装，包括车载、船载；⑥扫描速度快，成像时间短，可通过DICOM3.0 网络传输扫描数据；有云数据接口，可初步实现智能化磁共振操作。
由于电磁技术MRI 医学成像系统具有上述优点，可克服常规MRI 的大部分缺点，得到较高品质扫描图像，因而在现代健康医学中得到较为广泛的应用。
（9）中国人重大疾病遗传风险查询（CGRD）系统
由981 健康科技集团开发的中国人重大疾病遗传风险查询（CGRD）系统，收录了个体基因检测记录392 000 条，涉及个体110 484 人，输出疾病包括肿瘤（肺癌、乳腺癌等）、慢性疾病（糖尿病、老年痴呆等）、心脑血管疾病（高血压、心脏病等）、荷尔蒙代谢等四十余种疾病的不同风险（低度风险、中度风险、中高度风险、高度风险），可对十余种慢病和癌症风险进行查询。
（10）人工智能（AI）
IBM 公司开发的Watson 人工智能AI 属于认知技术，能够像人类一样思考，包括：
·理解
通过自然语言理解技术，分析所有类型的数据，包括文本、音频、视频和图像等非结构化数据。
·推理
通过假设生成，透过数据揭示洞察、模式和关系。将散落在各处的知识片段连接起来，进行推理、分析、对比、归纳、总结和论证，获取深入的洞察以及决策的证据。
·学习
通过以证据为基础的学习能力，能够从大数据中快速提取关键信息，像人类一样进行学习和认知。并可以通过专家训练，在交互中通过经验学习来获取反馈，优化模型，不断进步。
·交互
通过自然语言理解技术，获得其中的语义、情绪等信息，以自然的方式与人互动交流。
2011年，Watson 在美国最受欢迎的智力问答电视节目《危险边缘》（Jeopardy）中亮相，一举打败了人类智力竞赛的冠军。如今，Watson 已经发展为一个商业化、基于云的认知系统，逐渐让人类的生活变得更美好，让健康医学如虎添翼。
IBM 的Watson 人工智能技术的开发，意味着认知型健康医学已经到来，使现代健康医学进入到认知计算的时代，这是一个智能机器可模仿人脑功能，从而解决健康医学中最棘手问题的时代。对于健康医学和医疗保健市场，认知计算时代的到来，意味着对行业进行彻底改变的潜力非常巨大。认知系统可以帮助改善病患护理，促进发现并改进全球提供商的决策。最新的研究表明，健康医学和医疗保健行业的引领者已准备好接受这种开创性的技术并对认知能力进行投资，从而加速健康医学的飞跃。
为改善癌症预防和患者康复质量，IBM 肿瘤机器人Watson 创新性认知计算解决方案有助于医生为单个癌症病患规划最高效的治疗和康复方案。
癌症治疗非常适合采用认知能力，因为会涉及大量的、越来越多的数据。在对病患的个人档案、医疗证据、公布的研究结果以及纪念斯隆-凯特琳癌症中心的大量临床专业知识进行分析后，该解决方案可以总结每个病例的调研结果，其中包括供临床医生考虑的基于美国国家综合癌症网络（NCCN）指南的治疗方案。
例如，下面这张图像中哪些细胞是癌细胞？这对于一个有经验的病理学家也是个难题，但使用AI 深度学习软件结合显微镜，可以比病理学家更准确地分析细胞之间的不同（图6.34）。
图6.34 淋巴组织
Watson 每周可阅读2 500 万篇医学文献，也可扫描网页上的最新科研进展，能理解各种语言、持续学习、永不遗忘。在30%的癌症患者中，Watson 可以提供医学专家无法给出的新诊断和最新治疗方案。
2016年9 月9 日，印度马尼帕尔医院的医生在美国圣安东尼乳腺癌会议上报告，在双盲试验中，Watson 在90%的乳腺癌病例中与医院肿瘤委员会的建议一致［40］。
Watson 正在全球5 大洲13 个国家的50 多所医院帮助医生找出最佳癌症治疗方案，对促进国际肿瘤治疗与康复起到了极大推动作用。肿瘤Watson 对肿瘤学的影响包括：
·肿瘤Watson 是全世界最早的人工智能临床肿瘤学辅助系统，正在帮助全球的临床医生在癌症治疗中取得新进展。
·肿瘤Watson 的适用范围正在快速扩大，全世界超过50 家医院在使用Watson。
·世界顶级癌症中心纽约纪念斯隆-凯特琳癌症中心，对肿瘤Watson 进行了训练。
·肿瘤Watson 源自患者电子健康记录的几百个属性，包括医生记录、实验室报告，使用“自然语言加工”技术进行数据分析，为临床医生提供可挑选的治疗方案和附属证据，帮助医生做出正确治疗决定。
·肿瘤Watson 可帮助告知患者医生的治疗方案，使患者对医生的治疗方案更加信任。
·肿瘤Watson 可帮助肿瘤科医生进行乳腺癌、肺癌、直肠癌、胃癌、卵巢癌、宫颈癌和前列腺癌等许多癌症的治疗。
·肿瘤Watson 已用于全球14 000 多人，可与用户的电子健康病历整合。
·Watson 的健康数据已在各种学术会议和专业期刊发表，很容易获得［40］。
中国也在开发依赖于中国人大数据的健康医学AI 系统。基于国防科技大学天河超级计算机试算结果的机器人，堪称大数据和人工智能技术在医疗诊断中的完美应用案例，是现代健康医学进行疾病预测与预防的重要工具。
为了达到健康医学强调的疾病风险预报/预测，即治“未病”的目的，需要定期采集健康数据，而这个采集信息的过程非常简捷，只需软硬件一体的机器人面视客户并与其简短握手聊天，或采集简单的生理/生化数据，在5 分钟之内就能建立起个人健康档案。
中国国防科技大学开发的机器人系统已采集了8 000 万个中国人数据，加上每天纳入38 000 个新数据，因此可以精准预测包括癌症在内的许多疾病的发病时间点并监测疾病进程，中长期跟踪用户的健康状态，能较好地满足健康医学的特定要求，包括将用户的健康数据，与同龄、同性别的上千万健康数据进行实时比较，了解人体各个器官、组织和9 大系统的健康现状和疾病风险。
由于AI 机器人设备成本较低，很容易在日常生活中大范围普及使用，包括在机场、高铁站等各种场合检测健康风险状况，可快速建立全面动态的个人电子档案，进行中长期健康状况追踪，随时提示使用者预防潜在疾病，因此能真正达到健康医学所要求的对慢病风险甚至死亡风险进行超早期预测。而疾病风险的预测和预防干预，对有效减缓甚至预防慢病的发生发展具有决定性作用，使治“未病”真正得以落实。
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