【基金标书】2010CB529200-基于系统生物医学基础的白血病临床转化研究

项目名称： 基于系统生物医学基础的白血病临床转化研究首席科学家： 韩泽广 上海交通大学医学院附属瑞金医院起止年限： 2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门： 上海市科委一、研究内容1白血病 APL 和 AML-M2b 亚型以及 CML 发生、发展和转归过程的系统生物医学分析:运用系统生物医学的理论和技术，综合来自白血病细胞模型、动物模型和临床样本的基因组、表观基因组、 转录组、蛋白组和代谢组学数据以及其他生物学实验和临床研究数据数据，发现和鉴定包括致病融合基因 PML-RAR、AML1-ETO 和 BCR-ABL 在内的有害遗传 和表观遗传变异，遗传和表观遗传调控网络失调特征，细胞分子信号系统和代谢途径失衡表现，揭示引起造血细胞恶性增殖、分化受阻的分子机制。在此基础上，构建疾病发生、发展和转归过程中的动态生物信息相互作用网络结构和数学模型，发现其关键节点；并结合随机动力学方程组对白血病细胞所处不同“平衡态” 做出符合系统生物医学的诠释；2.基于白血病系统生物医学理论的药物靶标鉴定、药理作用机制诠释、新型治疗药物发现和治疗方案设计及临床转化研究:利用 APL 细胞模型、 动物模型和临床样本阐明其在有效药物(全反式维甲酸和三氧化二砷)处理过程中生物信息相互作用网络和调控网络的动态变化，运用系统生物医学理论深化对 APL 治疗药理作用的全面认识，力争发现白血病治疗的一般规律和原理；重点进行 AMLM2b和 CML 靶向治疗的研究， 进一步发展靶向治疗的理 论，研究天然产物冬凌草甲素和毛萼乙素对 AML-M2b 亚型细胞模型和动物模型的治疗药理作用，阐明这二种药物或其衍生物对致病融合基因 AML1-ETO 及其相关作用网络的调控机制，为开发 AML-M2b 型白血病新型治疗药物奠定基础；基于系统生物医学理论为CML 治 疗设计新型治疗方案，并探 讨其临床转化可行性；同 时对生物信息相互作用网络结构的关键节点分子进行系统性干预，开展药物靶标筛选和鉴定。3.系统生物医学和转化医学相关新技术、新模型和新理论研究:系统生物医学为一新兴学科，亟需发展相关新技术、新模型和新理 论并应用于包括白血病在内的复杂性状疾病研究。除完善和发展基因组、表 观基因组、 转录组、蛋白组和代谢组学等高通量“ 组学” 相关技 术平台外，还要研究和开发基于单细胞分离基础上的全新研究策略以及蛋白组学芯片等新技术、新方法；发展计算机整合、模拟和疾病数学模型构建方法；探讨物理学理论、进化论等应用于系统生物医学研究的可行性，为系统生物医学理论创新奠定基础。二、预期目标（一）总体目标： 以我国有深厚研究积累和特色的白血病 APL 和 AML-M2b 亚型以及 CML为研究对象，运用系统生物医学的理论和技术方法，整合由基因组、表 观基因组、转录组、蛋白质组、代谢物组研究获得的“组学” 生物信息数据以及其他生物学实验和临床研究数据，阐明疾病 发生、 发展和转归的规 律和调控机制，建立基于系统生物医学理论的疾病数学模型；基于该理论阐明白血病有效治疗药物的药理机制，筛选 和鉴定新型药靶，研究和开发新型药物及新型治疗方案， 发展靶向治疗的理论，力争在白血病靶向治 疗方面取得新突破；同时完善和开发系统生物医学和转化医学相关新技术、新模型和新理论研究，促 进 多学科交叉研究， 为提高我国生物医学研究整体水平和国际影响力作出贡献。（二）五年预期目标: 1. 构建白血病 APL 和 AML-M2b 以及 CML 亚型 发生、发展和转归过程中动态生物分子相互作用网络和调控网络模型，并建立 1 种以上白血病亚型的数学模型。2. 进一步发展基于系统生物医学理论的白血病靶向治疗理论并应用于临床治疗实践以及新型药物研究和开发，初步提出 2-3 个新型治疗方案或候选药物。3. 建立和完善系统生物医学相关技术平台和技术体系，研究和开发有自主知识产权的系统生物医学和转化医学相关新技术、新模型和新理论。4. 通过本项目的实施，培养一批能够进行系统生物医学研究和攻关的优秀中青年学术带头人和科技骨干，形成一支精干的队伍。5. 在国内外一流学术刊物上发表论文 30-50 篇，出版专著 12 部，申请专利1020 项。三、研究方案1）总体思路： 白血病是一种造血干/祖细胞恶性增值并伴有分化受阻的 恶性疾病。由于多种遗传物质变异导致了系统网络及其调节调控机制的失控，并逐渐形成不同于正常造血细胞的强健（robustness）的网络和调控体系，因此必须了解这个新体系中的网络构成元件以及其相互作用关系，即解析其生物分子信息的组份，包括基因组变异、表观遗传变异、转录组、蛋白质组和代谢组 成份以及这些分子信息所构成的网络和调控机制，利用 计算生物学、物理学理论并结合进化论观点模拟网络的动态变化，确定关键节 点分子；并利用干预手段，包括有效药物干预，了解系统的反应模式，探讨靶向治 疗、 联合治疗方案和新型 药物开发的可行性并提供原理上证据（ Proof of concept）。本项目选择三种不同白血病类型或亚型，其中 APL研究基础最为深入，并且临 床有很好的治疗效果(全反式维甲酸和三氧化二砷联合方案治疗)，对其进行系统生物医学研究有助于对 APL 治疗药理作用的全面认识，力争 发现白血病治疗的一般规律和原理；在此基础上，重点进行 AMLM2b和 CML 靶向治 疗的研究， 进一步发展靶向治疗的理 论。AML-M2b 型白血病是更为常见的疾病，尽管基础 研究已经获得很大进展，但临床上还停留在联合化疗阶段，近年来虽然治疗缓解率 较高，但复 发、死亡率仍然居高不下，预后较差。而上海血液学研究所开展的天然产物冬凌草甲素和毛萼乙素对 AML-M2b 亚型细胞模型和动物模型的药效学研究显示了良好的临床应用前景，因此利用系统生物医学理论和技术研究 AML-M2b 型白血病，阐明该型白血病细胞生物信息分子构成以及相互作用网络和调控网络，将有利于阐明这两种药物或衍生物对AML-M2b 型致病融合基因 AML1-ETO 及其相关作用网络的作用机制，为开发AML-M2b 型白血病新型治疗药物奠定基础；慢性粒细胞白血病（CML）具有明显的慢性期、加速期和急变期，其急变期往往伴有附加的 遗传学异常，因此研究 该种白血病有利于阐明不同阶段白血病细胞生物信息作用网络的演进过程，也为其他实体肿瘤研究提供借鉴。另外 CML 治疗虽然有一定 进展，如针对 BCR-Abl融合蛋白的伊马替尼(imatinib)有一定效果，但逐渐发现有耐药发生，因此必须发展其他治疗方案，前期研究基于系统生物医学理论设计新型治疗方案，显示伊马替尼(imatinib)和硫化砷（arsenic sulfide）合用具有协同作用。这个事例提示基于系统生物医学理论设计新型治疗方案是可行的，本项目将以 CML 急变为研究对象，进一步设计和优化新型治疗方案。另外，基于系统生物医学研究基础上构建分子信息相互作用网络和调控机制，确定关键节点分子，筛选和鉴定新型白血病治疗靶标，为开发新型药物奠定基础。本项目首次将系统生物医学理论和技术聚焦于白血病研究，作为肿瘤研究的良好模型，白血病有其独特性，必将对系统生物学相关理论和技术提出新的要求，通过 本项目也必将丰富 这些理论和技术， 为实体瘤及其他复杂性状疾病研究提供可借鉴的经验以及较完善的技术平台和理论指导。2）技术路线： 1. 建立和完善系统生物医学研究技术平台体系：除了基因组、转录组、蛋白组、表观遗传组和代谢组等系 统生物医学平台技术以外，重点发展基于单细胞的纳米分析技术方法和研究体系，结合物理学理论和进化论等，开发新型生物信息相互作用网络和演化的模拟技术；2. 建立和完善白血病细胞模型、动物模型、 药物筛选技术体系以及临床评价体系：建立和完善 APL、AML-M2b 和 CML 相应的细胞模型和动物模型以及相应的分子生物学、细胞生物学和整体评介体系；相关疾病患者样本获取、分离、纯化等；建立和完善以复合细胞模型体系、为对象以生物反应为指标的药靶筛选验证技术；建立和完善临床治疗方案的评价体系等；3. 白血病细胞生物信息组分解析、相互作用网络构建和动态演变分析并构建数学模型：利用系统生物医学研究技术平台体系对APL、AML-M2b和CML相应的细胞模型和动物模型以及患者样本进行多层次分析，解析其基因组变异以及转录组、蛋白组、表观遗传组和代谢组等特征；综 合所有“ 组学”数据进行系统生物学分析，构建相互作用网络和调控网络，分析关键节点分子，分析疾病 发生、发展和转归的动态演进过程，并构建计算机模拟体系和数学模型等；4. 药物靶标分析和鉴定以及有效药物作用模式分析：以APL细胞模型、动物模型和患者样本为对象，利用有效药物如全反式维甲酸和三氧化二砷联合方案研究这两种药物对APL细胞分子作用网络和调控网 络的药理作用模式，阐明全反式维甲酸和三氧化二砷作为已知靶向治疗药物的作用机制及其毒副作用所涉及的分子及网络调控等；重点以AMLM2b细胞模型、动物模型和患者样本为对象，分析天然产物冬凌草甲素和毛萼乙素以及其衍生物对AML-M2b细胞分子作用网络和调控网络的药理作用模式；以CML（包括急性变）细胞模型、动物模型和患者样本为对象，基于以上构建的生物分子相互作用网络和调控网络设计新型治疗方案，并以CML（包括急性 变）或AMLM2b细胞模型、动物模型和患者样本为对象，试验 新型治疗方案的可行性；基于生物分子相互作用网络和调控网络模型，利用干扰手段包括有效药物、反义核酸/RNAi 等，分析关 键节点分子作为白血病治疗药物作用靶标的可行性；5. 基于系统生物医学原理的新型治疗方案设计和临床应用：通过对生物分子相互作用网络和调控网络分析基础上的新型治疗方案设计如有效药物的联合治疗方案，通过充分动物试验 后， 对少量合适患者进 行应用， 获得原理上的证据（Proof of concept），为更大 规模推广奠定基础。四、年度计划第一年1建立和完善系统生物医学研究技术平台体系：尤其完善基因组、转录组、蛋白组、表观遗传组等系统生物医学平台技术，启 动基于单细胞的纳米分析技术方法研究和新型蛋白质组相关技术开发；2APL、AML-M2b 和 CML 患者样本收集、完善白血病细胞模型、动物模型以及初步建立药物筛选技术体系和临床评价体系；3.启动白血病基因组突变分析，完成 2-3 个样本全外显子测序，完善基因组突变分析策略和方法，力争鉴定一批突变基因；启动对 APL、AML-M2b 和 CML 相应的细胞模型和动物模型以及患者样本进行“组学” 分析，初步获得一批“组学” 数据，建立并完善“ 组学” 相关生物信息分析策略和技 术，评价分析策略的合理性；4有效药物作用“组学”数据分析：以 AMLM2b 细胞模型、动物模型和患者样本为对象，分析天然产物冬凌草甲素和毛萼乙素以及其衍生物对 AML-M2b 细胞作用后“组 学” 数据变化，获得一批“组学” 数据，并进行初步分析；以 CML（包括急性变）细胞模型、动物模型和患者样本为对象，分析有效药物对“ 组学”数据的影响，初步获得一批“组学”数据；5探讨新理论和新技术分析和整合数据的可行性；6在国内外一流学术刊物上发表论文 3-5 篇，申 请专 利 3-5 项。第二年1进一步完善系统生物医学研究技术平台体系：尤其全基因组外显子突变检测和分析技术；完善表观遗传组等技术体系；初步建立全基因层面的基因组结构异常检测和分析技术体系;基本建立基于单细胞的纳米分析技 术方法研究和新型蛋白质组相关技术并有初步应用结果；完成 10 个样本全外显子测序，完成生物信息学分析，力争鉴定一批突变基因；2对 APL、AML-M2b 和 CML 相应的细胞模型和动物模型以及患者样本进行“组学”分析，获得较为完整的“组学” 数据，并进行生物信息学分析，获得初步的生物分子相互作用网络和调控网络；3.有效药物作用“ 组学” 数据分析： 获得有效药物处理 APL、AMLM2b 和 CML细胞模型、动物模型和患者样本后“组学”数据变化，进行生物信息学分析和对比分析结果，获得药物处理后生物分子相互作用网络和调控网络基本调变模式；4进一步完善新型药物或治疗方案治疗动物模型，毒理试验；5总结在 APL、AML-M2b 和 CML 获得各种数据，尝试新理论和新技术分析和整合数据的可行性；6.在国内外一流学术刊物上发表论文 6-10 篇，申请专利 3-5 项。第三年1启动白血病或肿瘤全基因组全基因层面的基因组结构异常检测和分析体系;表观遗传组等技术体系用于肿瘤或白血病研究；基于单细胞的纳米分析技术方法研究和新型蛋白质组相关技术并应用于白血病研究，获得更多结果并评价新型技术质量和实用性；2在分析 10 个样本全外显子测序结果基础上，在 较大量的样本（50-100 例）中进一步评估突变基因频率，进行临床关联分析， 为作为诊断靶标奠定基础；3整合各种“组学”分析包括有效药物作用“组学” 数据分析，并进行生物信息学分析，获得生物分子相互作用网络和调控网络；寻找和鉴定一批（20-30）关键网络节点分子；有选择对一些重要功能基因、节点分子进行深入研究，探讨其作为药物靶标的可能性；4设计新型治疗方案进行动物实验， 获得相关数据；完善新型药物或治疗方案临床前资料，争取申报新药证书或者相关管理部门批准用于临床研究；5总结在 APL、AML-M2b 和 CML 获得各种“组学 ”数据，利用新理论和新技术分析和整合数据，建立初步数学模型；6在国内外一流学术刊物上发表论文 6-10 篇，申 请专 利 3-5 项。第四年1进一步完善全基因层面的基因组结构异常检测和分析技术，并进行 2-3 例肿瘤或白血病样本检测；其他新型组学技术用于白血病研究获得更多数据；2并在较大样本（50-100）肿瘤或白血病样本评价基因组结构异常的频率，对较高频率突变基因和结构异常相关基因进行临床关联分析，进一步评估突变基因和结构异常相关基因在疾病发生发展中作为诊断指标以及作为靶向治疗指标的意义；对较高频率突变基因和结构异常相关基因进行深入功能研究，揭示其作为药物靶标的可能性；3完善生物分子相互作用网络和调控网络，包括新理论用于网络结构分析，建立数学模型；寻找和鉴定一批（40-50）关键网络节点分子，有选择对一些重要功能基因、节点分子进行深入研究，探 讨其作为药物靶标的可能性；提供一批潜在候选药物靶标；4新型药物或治疗方案用于少量病人进行实验研究，观察治疗效果；评价新型诊断指标指导临床方案的可行性；5在国内外一流学术刊物上发表论文 7-10 篇，申请专利 3-5 项。第五年1. 进一步整合来自白血病基因组数据（包括突变、结构异常、拷贝数变化等）、表观遗传组数据（DNA 甲基化）、 转录组数据（包括 编码蛋白基因和小 RNA）以及相关功能研究数据，完善生物分子相互作用网络和调控网络以及数学模型，提出基于系统生物医学基础的白血病发生发展理论；2. 整合来自药物处理后白血病转录组数据以及相关实验和临床数据，总结有效药物对相互作用网络和调控网络以及数学模型变化的影响，提出基于系统生物医学基础的白血病靶向治疗初步理论；3. 新型药物或治疗方案扩大临床应用，对临床治疗效果有初步评价；进一步评估新型诊断指标指导临床方案的价值；4. 在国内外一流学术刊物上发表论文 7-10 篇，申请专利 3-5 项。