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《肿瘤研究前沿》介绍了近年来国际肿瘤领域的基础和转化研究以及临床诊疗等方面的最新进展和发展趋势,包括肿瘤发生发展机制研究、新肿瘤标志物和药物靶标发现、新肿瘤早期诊断和有效治疗手段研发等内容,并涉及肿瘤研究前沿新技术和实验模型以及大型仪器的原理和应用。
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目录第一章 肿瘤概述 1第一节 肿瘤的概念 1第二节 肿瘤特征3第三节 肿瘤多组学与精准诊治 14第二章 肿瘤的基因结构与表达异常 17第一节 肿瘤的基因结构改变 17第二节 肿瘤的基因表达异常 20第三节 肿瘤基因表达与组学研究 28第三章 肿瘤细胞信号通路和网络 32第一节 肿瘤细胞信号通路概述 32第二节 肿瘤发生发展中重要的细胞信号转导通路 32第三节 肿瘤信号通路网络调控 45第四节 肿瘤信号通路与抗肿瘤靶向治疗 46第四章 肿瘤大数据与应用 49第一节 何谓大数据 49第二节 肿瘤大数据资源 49第三节 肿瘤大数据的应用 61第五章 肿瘤发生和转移与肿瘤微环境 64第一节 肿瘤发生和转移 64第二节 肿瘤微环境 68第六章 肿瘤代谢76第一节 肿瘤细胞的代谢 76第二节 肿瘤微环境的代谢 82第三节 肿瘤代谢的研究模型 86第四节 肿瘤代谢的可塑性 88第五节 靶向肿瘤代谢的治疗策略 89第七章 肿瘤免疫学91第一节 肿瘤抗原91第二节 肿瘤的免疫编辑 93第三节 肿瘤的免疫诊断和免疫治疗 98第八章 抗恶性肿瘤药物与新药研发 102第一节 抗肿瘤药物的概述 102第二节 细胞毒性抗肿瘤药物 105第三节 靶向治疗药物 107第四节 激素类抗肿瘤药物 111第五节 肿瘤免疫治疗药物 112第六节 抗体偶联药物 116第七节 其他抗肿瘤药物 118第九章 肿瘤精准医学122第一节 肿瘤精准医学的定义及发展历程 122第二节 肿瘤精准预防 123第三节 肿瘤精准诊断 125第四节 肿瘤精准治疗 127第五节 肿瘤精准医疗的机遇与挑战 131第十章 常见肿瘤临床诊疗规范 138第一节 肺癌(非小细胞肺癌,小细胞肺癌) 138第二节 胃癌157第三节 肝癌166第四节 结直肠癌173第五节 乳腺癌184第十一章 肿瘤研究新技术和实验模型 213第一节 小鼠癌症模型 213第二节 基因编辑217第三节 合成生物学 220第四节 单细胞组学技术 224第五节 类器官226第十二章 肿瘤研究新型设备原理与应用 228第一节 显微成像技术前沿介绍 228第二节 细胞、蛋白、基因水平分析技术前沿介绍 237参考文献 250
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第一章肿瘤概述 肿瘤是严重危害人类生命和健康的重大疾病。根据2022年世界卫生组织所属国际癌症研究机构(International Agency for Research on Cancer,IARC)发布的数据,2020年全球新发癌症1929万例,死亡996万例,乳腺癌发病率*高,肺癌死亡率*高;2020年中国新发癌症457万例(占全球新发癌症病例的23.7%),死亡300万例(占全球新发癌症病例的30.2%),新发病例数前十的癌症是肺癌、结直肠癌、胃癌、乳腺癌、肝癌、食管癌、甲状腺癌、胰腺癌、前列腺癌和宫颈癌(占新发癌症数的78%),死亡病例数前十的癌症是肺癌、肝癌、胃癌、食管癌、结直肠癌、胰腺癌、乳腺癌、神经系统癌症、白血病和宫颈癌(占癌症死亡总数的83%)。在全球范围内,由于人口老龄化等因素,未来癌症发病率与死亡率仍将持续上升。因此,研究阐明肿瘤发生和发展的机制、研发肿瘤早期诊断和有效治疗手段,以及开展广泛的肿瘤预防仍然是全球包括中国在内的医药和生命研究领域的重大挑战。 第一节肿瘤的概念一、肿瘤的基本概念 肿瘤(tumor)是指在机体内外各种致瘤因素作用下,人体细胞增生、分化和死亡相关基因失去正常控制而导致细胞异常增殖生长所形成的新生物,恶性肿瘤细胞则能侵袭深部组织并经血液或淋巴系统转移至其他器官形成转移性肿瘤。肿瘤不断生长可以破坏所在器官组织的结构和功能,最终导致患者死亡。外源性理化和生物致突变物的暴露是肿瘤发生的决定因素之一,而非致突变性促肿瘤因素,如长期的促有丝分裂剌激和炎症等因素,则会影响突变细胞克隆的扩增速度和肿瘤的进展;此外,人体本身对肿瘤的易感性等内在因素也是肿瘤发生、发展的重要决定因素。大多数肿瘤的形成通常需要数十年时间多步骤的复杂过程,其分子机制涉及癌基因激活和抑癌基因失活,导致细胞多重调节网络功能的紊乱。但近年来的研究证明,肿瘤发生的“限速”阶段可以非常短暂,肿瘤遗传多样性形成可以非常快速,而且某些肿瘤也可以在早期阶段,甚至在没有形成明显原发病灶时即发生转移。肿瘤干细胞的发现也有可能改变关于肿瘤多步骤形成机制的概念。 二、肿瘤相关概念的新认识 21世纪肿瘤研究进人了飞速发展的时期。癌症基因组图谱(The Cancer GenomeAtlas,TCGA)和国际癌症基因组联盟(International Cancer Genome Consortium,ICGC)等大规模癌症基因组国际联盟的研究揭示了常见肿瘤的基因组景观图(genomiclandscapes)。这些研究结果极大推进了对肿瘤的整体概念、发病机制,以及诊治和预防策略的认识。 (1)肿瘤之间的分子改变存在显著差异,因而肿瘤不是单一的疾病,而是指两百多种不同类型的疾病。 (2)肿瘤不仅应该根据其起源组织且应该依据驱动其形成的遗传改变来定义,因为即使是组织病理类型相同的肿瘤也存在不同的遗传改变。 (3)虽然癌细胞基因组的遗传改变数量众多,但影响的细胞通路是相似的。140多个基因的基因内突变能增加肿瘤细胞选择性生长优势而促进肿瘤形成,这些突变驱动基因(mut-driver gene)可以归人调节细胞生命活动和基因组稳定性的12条信号通路。同时,表观驱动基因(epi-driver gene)也能促进肿瘤细胞选择性生长。对于大多数肿瘤而言,可能是由2?8个基因历经几十年相继改变所引起,这些改变直接或间接导致了细胞在组织中的获得选择性生长优势。 (4)肿瘤的遗传和表观遗传改变是动态演变的,导致肿瘤细胞具有高度异质性。所有重要的肿瘤相关基因的驱动突变在肿瘤生长的起始阶段就巳经存在,并为肿瘤形成后的长期生存所必需;肿瘤内的“旅客”型突变对肿瘤生长本身不具有实际作用。 (5)肿瘤是由多种不同类型实质细胞和间质细胞以及细胞外基质构成的、相互作用并动态变化的复杂组织。肿瘤微环境中被肿瘤招募的间质细胞对肿瘤细胞特征的形成和肿瘤发生、发展起着重要作用。同时,患者的整体系统性因素在肿瘤发生、发展中也具有重要影响。 (6)肿瘤细胞普遍存在能量代谢重编程,以提供肿瘤细胞快速生长和增殖所需的能量和生物大分子原料等。 (7)肿瘤基因组和表观基因组研究推进了肿瘤精准医学的快速发展。例如,对数百名患者胰腺癌基因组分析鉴定出了10个遗传通路中的32个基因,可将胰腺癌分为4种不同亚型,它们具有不同的生存率、治疗方法和遗传学特征。这一分子分型为更精准的诊断和治疗提供了基础。此外,某些肿瘤的表观遗传改变是可逆的,巳成为肿瘤药物治疗的重要IE标。 (8)近年以免疫检查点(immune checkpoint)为代表的肿瘤细胞与免疫细胞的关系以及肿瘤免疫逃逸机制的研究取得了突破性进展,为肿瘤免疫治疗指出了新的发展方向。 三、肿瘤研究里程碑 2020年12月,Nature Genetics和Nature Medicine联合发布了近20年全球癌症研究的重要事件,其中14个事件被特别列为里程碑事件。 1.革E向治疗药物的耐药机制(mechanisms of resistance to targetedtreatment)研究发现慢性粒细胞白血病(chronic granulocytic leukemia,CGL)患者在BCR-ABL酪氨酸激酶抑制剂伊马替尼(imatinib)治疗后,在复发患者体内的肿瘤细胞有两种耐药性途径,一种是BCR-ABL融合基因的扩增和过度表达;另一种是BCR-ABL发生突变。这些发现对解决耐药性和开发联合治疗策略有重大指导意义。 2.液体活检用于患者无创诊断和监测(liquid biopsies for non-invasive diagnosisand monitoring of patients)研究发现,与未患乳腺癌和患良性乳腺疾病的女性相比,患转移性乳腺癌女性的循环肿瘤细胞(circulating tumorcell,CTC)检测更具有临床意义。之后发现结肠癌患者循环肿瘤DNA(circulating tumor DNA,ctDNA)可作为肿瘤生物标志物。CTC和ctDNA检测被称为“液体活检”,将在癌症筛查、早期诊断和治疗监测中发挥重要作用。 3.HPV疫苗预防宫颈癌(HPV vaccines to prevent cervical cancer)研究证实接种针对HPV16和HPV18的二价疫苗可降低宫颈癌风险。 4.利用合成致死效应进行癌症选择性治疗(leveraging synthetic lethality fortreatment)研究表明具有肿瘤抑制基因BRCA1和BRCA2突变的人类癌细胞对多聚ADP核糖聚合酶(PARP)抑制剂具有选择性每文感性,即产生合成致死(syntheticlethality)效应,这已成为抗癌药物研究的一个新策略。 5.癌基因诱导癌前组织和癌症衰老(oncogene-induced senescence in premalignant tissues and cancer)激活的癌基因(如RAS家族成员)可以诱导细胞衰老(oncogene-inducedsenescence,OIS)。研究表明在小鼠和人类癌前病变组织包括腺瘤中存在着OIS。细胞衰老可以中断过度增殖,防止肿瘤的发生。OIS细胞表现出衰老相关的分泌表型(senescence-associated secretory phenotype,SASP)。过去的研究揭示了衰老及其相关因子的多面性和高度动态性。目前研究者们正在探索衰老相关治疗策略应用于癌症患者的临床潜力和益处。 6.癌症代谢适应(metabolic adaptations in cancer)即使在氧气供应充分的情况下,恶性肿瘤细胞也主要进行糖酵解代谢,即“Warburg效应”。研究发现乳酸脱氢酶A(LDHA)是癌蛋白MYC的转录靶基因,为Warburg效应提供了分子基础。后续发现肿瘤抑制蛋白p53参与控制糖酵解和氧化磷酸化之间的平衡。癌症代谢在不同患者之间、同一患者内部以及同一肿瘤内不同区域之间具有异质性。靶向癌症代谢的药物具有重要的抗肿瘤治疗意义。 7.*个癌症全基因组(first cancer whole-genome sequence)*个癌症全基因组DNA序列来自一名急性髓系白血病(acute myeloid leukemia,AML)患者。迄今,癌症基因组图谱(TCGA)和全基因组泛癌分析(PCAWG)等大规模研究巳经对数十种类型肿瘤的癌症基因组进行了多组学测序。 8.免疫检查点抑制剂从实验室到临床(immune-checkpoint inhibitors from bench to bedside)包括细胞毒性T淋巴细胞相关抗原4(cytotoxic T lymphocyte-associated antigen-4,CTLA-4)抗体伊匹单抗、程序性死亡受体1(programmed death-1,PD-1)抗体纳武利尤单抗和派姆单抗,以及程序性死亡受体配体1(programmed death-ligand1,PD-L1)抑制剂阿替利珠单抗等在肿瘤治疗中的成功应用成为肿瘤治疗的新里程碑。 9.基因工程化T细胞以杀死癌细胞(engineering T cells to kill cancer cells)T细胞可有效识别和杀死癌细胞。嵌合抗原受体T细胞(CAR-T细胞)和T细胞受体嵌合型T细胞(TCR-T细胞)推动了过继细胞治疗领域的发展,特别是在B细胞恶性肿瘤中巳取得了显著的效果,是肿瘤免疫治疗的重要发展方向之一。 10.肿瘤发生和发展的表观遗传驱动因素(epigenetic drivers of tumor initiation and progression)研究揭示了儿童高级别胶质瘤中存在高频的体细胞突变,这些突变主要影响组蛋白H3高度保守的氨基端残基的翻译后修饰,通过改变染色质重塑和可及性来干扰转录调节,从而促进肿瘤的发生和发展。一些组蛋白修饰酶抑制剂巳展示了在抗肿瘤治疗中具有重要作用。 11.肿瘤细胞克隆多样性是肿瘤进展和治疗抵抗的基础(clonal diversity of tumorcells as a basis for cancerprogression and treatmentresistance)研究证实了癌症基因组具有树状动态进化和高度异质性的特点。这种异质性不仅存在于不同肿瘤类型间,也存在于不同个体的相同类型肿瘤间,甚至存在于个体自身肿瘤组织的不同区域。肿瘤异质性加剧了治疗耐药性。全面了解和监测癌症动态演变和异质性对于治疗和药物研发至关重要。 12.靶向“不可成药”的非激酶蛋白靶点(targeting undruggable non-kinase proteins)RAS基因是*常见的致癌性突变基因之一。研究利用小分子共价结合KRAS-G12C突变体研发成功抗肿瘤药物。此后,针对G12C以外的KRAS突变亚型的抗肿瘤药物也逐步被研发成功。 13.肠道微生物群影响抗肿瘤免疫应答(gut microbiome influences on anti-tumor immunological responses)研究表明肠道微生物群可以影响免疫治疗疗效。但肠道微生物群预测免疫治疗疗效与癌种、人种、药物的关系,以及肠道微生物群影响免疫系统对癌症治疗做出反应的机制等问题仍然有待阐明。 14.人工智能在癌症诊断和监测中的应用潜力(potential of artificial intelligence in cancer diagnosis and monitoring)人工智能在医疗领域的应用可实现临床数据数字化,简化工作流程实现自动化诊断,尤其是肿瘤领域大数据与人工智
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