分子外科是什么？

20世纪自然科学理论的三大成就为相对论、量子论和基因论，人类实施的三大计划为曼哈顿计划、阿波罗计划和人类基因组计划。与医学相关的人类基因组工程最有影响的一项研究始于20世纪90代初，其对人类30亿个碱基对进行测序以鉴定人类全部基因。该研究提供了大量的人类基因信息，加上研究技术的进一步完善和发展，使医学领域的研究发生了巨大的变化，研究成果日新月异，尤其是肿瘤的起源和发生机制得阐明，分子生物学的成果直接渗透到肿瘤的筛查、诊断、影像、治疗和预防等领域。21世纪的外科学发展，分子外科学(molecular surgery)正扮演着重要角色。21世纪的外科将是分子生物学、遗传学、机器人、光导纤维、影像学和计算机组成的微创外科学。

1、 传统外科学发展的过程促进了分子外科学的提出

外科学的发展有其曲折和显赫的历史。在人类社会，医治创伤是医师的首要职能。外科医师为受伤者拔出箭头和标枪，包扎伤口，压迫止血。阿斯克勒庇俄斯被尊为医神，蛇杖作为他的标志，其实他亦是一个创伤外科学家。公元前5世纪生于爱琴海科斯岛的希波克拉底被称为现代医学之父，他最擅长的是外科，特别是对骨折、脱臼的诊治，在着名的希波克拉底的格言中，提出“用药治不了的疾病，手术可以做到”。中国三国时期的神医华佗为关羽将军刮骨疗伤便是一个典型的例子。16世纪西方开始研究人体解剖学，使外科走出盲目性，至19世纪末，Bassini、Billroth、Whipple等大师完美地将手术与解剖（临床与基础）结合起来，使外科学、解剖学都有了一次飞速发展。麻醉术的发明使外科手术由一个粗暴残酷的过程成为一项有条不紊的“艺术”。1778年William Green Morton在美国麻省总医院首次演示在乙醚麻醉下为1例患者切除颈部的肿瘤。而发酵原因的阐明，使外科医师征服了感染这一外科医师的梦魇。1874年，英国的着名外科医师Joseph Lister向巴斯德的致词中写道:“您辉煌的研究建立了腐败病原体的理论，是我形成消毒学说的基本思想。”18-19世纪，大体病理学和细胞病理学基本形成，1898年，着名外科学家Jone Hunter认准病理学对外科临床实验的指导意义，力排众议，与妇产科医师携手，共同建立了外科病理学。从此，不仅使外科医师更新了对创伤、炎症的认识，通过病理检查更客观地诊断疾病，并合理地选择治疗方案。借助于外科病理学，在医学科学研究中确立了外科的地位。19世纪是一个迅速发展的时期，科学的思想和探索的精神遍及知识的各个分支，此时期有达尔文的《物种起源》、焦耳的《能量守恒定律》、孟德尔的《遗传学基本定律》。科学像是含苞欲放的花朵，一夜春风，便烂漫开放。第1个获得诺贝尔医学和生理学奖(1909年)的便是外科学家Theodor Kocher (1841-1917年)。他拥有丰富的解剖学知识、细致的止血技术、卓越的手术技巧、积极的外科学的探索精神，使他达到当时外科学的顶峰，其影响遍及全世界外科学。Williams Steward Halsted(1852一1922年)是美国约翰霍普金斯医院的第1位外科主任，他发明了外科手术手套、传导麻醉法，建立了恶性肿瘤的手术切除原则，并建立了美国住院医师培养制度，培养出很多着名的外科医师。Halsted的外科手术体系包括:爱护组织、认真止血、细致从容、一丝不苟、解剖学分离、使用丝线。20世纪是外科学迅速发展的时期，尤其是在20世纪的下半期。在这100年中，有6位外科医师获得诺贝尔医学或生理学奖(Theodor Kocher, 1909年;Alexis carrelli,1912年;Frederick Banting, 1923年;Werner Forsman，1956年;Charles Huggins，1966年; Joseph Murray, 1990年)。2000年，James C、Thompson在美国外科学院主席的就职演讲中指出，20世纪下半期外科中里程碑式的发明创新为人工心肺机、器官移植、血管外科、全胃肠外营养、创伤、感染代谢、微创外科、内分泌与癌、大规模临床试验治疗、立体定向脑外科、泌尿碎石。

自二次世界大战后，分子生物学的研究便悄悄地在发展。原癌基因和抑癌基因的发现，立即在20世纪90年代掀起一个外科领域中分子生物学的浪潮。早在1980年，美国国立癌症研究所(NCI)外科的M、D Anderson癌症中心开始了一个新的尝试，从分子水平找出诊治癌症的途径。但直至1986年以后，人们对于分子生物学、细胞分子生物学对外科的影响才有了更多的认识和关注，终于成为1989年第33届世界外科的主题。Patino在大会开幕词中提到“分子生物学的胜利和外科学研究的徘徊”，引起了全世界外科医师的议论和思考。随后几年内，Annal Surgery, Archive of Surgery和The American Journal o f Surgery等国际外科届核心期刊纷纷就此进行专题讨论，逐渐勾画出外科细胞分子生物学(Molecular Cell Biology in Surgery，MCBS)的清晰轮廓。1992年，“分子外科学”一词在国际性外科杂志上的出现。1994年，武汉龚建平学者首先在中国提出“外科细胞分子生物学(MCBS)”概念。1999年，国际权威的《克氏外科学》中出现了“Molecular Biology in Surgery”，的章节，分子外科学作为一个新兴的领域正式登场。在21世纪，以其学科的前瞻性、交叉性，在全球崛起发展。

2、 分子外科的概念和发展

不可否认，在20世纪，紧密围绕着外科患者的临床需要，加上外科医师的顽强、拼搏和勇敢的精神，经过坚持不懈的努力，已将传统外科推上了顶峰，外科医师可以自豪地说:外科无禁区。但有进取心和完美追求的外科医师认识到，症状、体征、生化、影像、手术刀，虽然可解决创伤和感染性疾病，但不可能解决肿瘤的诊断、预后和治疗。

分子外科学的出现，使许多有多年实践经验的外科医师，不再满足于单一的临床观察或结合影像检查和基本化验的传统记录性研究或经验总结，开始组建实验室，走进实验室进行试验研究。他们走出了职业性外科（professional surgery）和传统性外科（traditional surgery)的圈子，从新的高度或新的深度步入学术性外科(academic surgery)和创新性外科(innovational surgery)领域，试图从细胞与分子水平揭示外科疾病的本质规律。分子外科学是以细胞分子生物学为理论基础，以现代生物学技术为手段，研究并解决临床外科中肿瘤、感染、创伤、器官移植等常见疾病和问题，并以研究成果推动整个临床医学的进步，反馈和完善细胞分子生物学。分子外科学是从分子水平、基因水平以及基因表达的蛋白水平来认识外科疾病的发生、发展、临床表现、诊断依据或分子标记，进而从分子水平进行研究，制定个体化治疗方案及预防原则与方法。无论是外科学的研究还是医疗，都需要从分子水平去揭示外科疾病的本质、规律，实现基于分子诊断、分子指证、分子预后的外科治疗，以及借助于外科技术或匹配外科技术的“分子治疗”(如基因治疗)。我国龚建平学者在1994年就提出“MCBS”的概念，但我们更赞成“分子外科学”的概念，因为其更能体现和表达未来外科的特点和发展趋势，而且更加精炼和准确。

2、1、 肿瘤发生的分子学基础研究发展迅速

20世纪70年代的研究显示多种病毒与人类癌症密切相关。但其后的研究发现，绝大多数癌症是由细胞的基因突变所致，并发现多个致瘤病毒实际上与癌基因有关。进一步的实验结果证明，正常细胞转变为致瘤病毒并非单一基因的变化，恶性表型的发生通常需要两个或多个基因的参与，对肿瘤发生机制的认识逐渐加深。Harris等通过细胞杂交研究，推测肿瘤细胞中抑癌基因表达缺失。病理学研究提示，恶性肿瘤的完全转化需多个步骤，每一步都有相应的基因突变，这些随机事件的发生率约为1/100万。这似乎不能解释人类实际发病率的上升，肿瘤发病增加说明还有其他机制会促进肿瘤的发展，基因组的不稳定性就是其中之一。肿瘤细胞可以激活或增加端粒酶的表达，一旦端粒消失，失去保护的染色体末端互相融合，导致细胞死亡。端粒酶异常高表达出现在近90％的人类肿瘤细胞中，而在正常组织中非常少见。端粒酶基因活动的增加成为恶性肿瘤形成的常见步骤。研究证实，细胞的恶性转化过程需要几个基因失活或改变，即体细胞突变、抑癌基因的缺失和DNA的甲基化。DNA的甲基化修饰对癌症的发展有重要作用。关于促进肿瘤进展的非遗传机制，近期的研究结果表明，癌细胞利用胚胎途径参与肿瘤浸润转移的各个阶段。肿瘤细胞与周围间质成分相互作用并刺激新生血管形成。而一个正常细胞发展成为具有转移性的癌细胞需要多个基因和表观基因发生改变。细胞由分化良好转变为分化极差或由局部复发转变为转移性复发尚涉及恶性细胞与周围基质成分之间的相互作用。

2、2、 分子诊断已经悄然进入临床肿瘤的诊断

基础研究证实，有些基因的缺失与患癌的风险相关。例如乳腺癌易感基因(BRCA )1、BRCA2与乳腺癌和卵巢癌有关，MLH1、MSH2和MSH6与遗传性非息肉性结肠癌有关。凭借这些基因的检测，可以预测患者及其家属患某种肿瘤的风险。

利用各种探针探测肿瘤特异性分子的显像方法正在临床兴起，放射标记抗体被成功用于肿瘤的定位、成像和治疗。比如18氟（18F）标记的配体如雌二醇或双氢睾酮分别可以探测乳腺癌或前列腺癌患者体内的雌激素或雄激素受体。用于分子学显像的其他标靶包括癌基因、表面受体、血管生成和细胞凋亡通路。解剖学显像方法可测定肿瘤对治疗的反应，可作为化疗或其他治疗的评价工具。

利用DNA微阵列分析评价肿瘤的整体基因表达，可大大加深对人类肿瘤分子学架构和异质性的理解，可以完善肿瘤的诊断和治疗以及临床结局预测。该技术集中应用于单一组织，可将肿瘤分为预后和治疗不同的各个亚型目前已经用于乳腺癌和前列腺癌的预后判断。

2、3 靶向治疗已经走向临床并呈增加的趋势

靶向治疗的最大特点是靶向因子作用于肿瘤细胞增长的特定受体和信号通道。这些因子包括单克隆抗体和小分子酪氨酸激酶抑制剂(TKIs)。靶向因子治疗的特点除了标靶明确而疗效较好外，其毒性作用一般比传统性标准化疗轻微，因为靶向治疗并不影响DNA复制。近年来，靶向治疗取得成功的实例很多。比如索拉菲尼(多吉美)是一种小分子血管内皮生长因子(VEGF)抑制剂，能干扰其他受体，抑制肿瘤新生血管生成，并对肾细胞癌有临床疗效。舒尼替尼（索坦）对抑制c-kit、VEGF受体(VEGFR )1~3和血小板源性生长因子受体（PDGFR）具有潜在的治疗作用，同样被推荐应用于肾细胞癌的治疗。当然，靶向治疗还存在一些问题，如有效性和长时间治疗可产生耐药性。

最近的研究已证明，肿瘤形成和进展的关健是肿瘤干细胞或称为肿瘤启动细胞。因此，肿瘤干细胞的靶向药物可能会带来肿瘤的持久缓解。

3、 前列腺癌的诊断和治疗是分子外科学最好的诊释

以往前列腺癌一直被认为是由多种因素导致的随机基因突变的结果，但Tomlins等最近研究表明，约80％的前列腺癌标本内发现了数个基因重排现象，找到了两个新的融合基因TMPRSS2-ERG、TMPRSS2-ETV1，随后不久，Tomlins等又发现了第3个融合基因TMPRSS2/ETV4。目前报道的前列腺癌组织中融合基因多为TMPRSS2- ERG，在不同的报道中其频率不一，为40％~80％。融合基因TMPRSS2-ERG是由受雄激素调节的TMPRSS2基因和E26 transformation-specific(ETS)转录因子相关基因(ERG)通过染色体重排产生的，ERG通过TMPRSS2D的信号接收雄激素和雄激素受体(AR)的刺激，从而促进肿瘤细胞的增值与进展。Leshem等发现，TMPRSS2-ERG过表达前列腺癌细胞发生上皮细胞间质转化(EMT)，形态上具有间充质细胞的特征并表达相关分子标记，细胞的迁移和侵袭能力也增强；微阵列分析发现EMT相关基因ZEB1和ZEB2表达上调，上皮标记CDH1表达下调；染色质免疫共沉淀发现TMPRSS2-ERG作用于ZEB1的启动子和ZEB2的调节因子(IL1R2和SPINT1) 。 Tomlins 在多中心的1312例因前列腺特异抗原(PSA)水平升高而行前列腺穿刺活组织检查患者的尿液中检测到TMPRSS2-ERG，发现其与前列腺肿瘤的体积和Gleason评分相关；TMPRSS2-ERG与前列腺癌抗原(PCA3)联合应用后能更好地预测前列腺癌。Lee等采用荧光原位杂交(FISH)方法检测行前列腺根治术的韩国患者的前列腺癌组织中TMPRSS2-ERG表达情况，发现TMPRSS2-ERG阳性的前列腺癌组织的Gleason评分更低。Leinonen等发现TM- PRSS2-ERG与Ki-67阳性、前列腺癌确诊时的年龄、肿瘤区域相关，与Gleason评分、T分期、M分期、PSA以及无进展生存期均不相关。本期中，孙颖浩教授撰写的《前列腺癌的转化医学》和郭剑明教授撰写的《TMPRSS2-癌的诊断治疗》中均指出TMPRSS2-ERG融合基因作为新的前列腺癌特异性标志物，对前列腺癌的发生发展、诊断及治疗均产生重要影响，在前列腺癌的危险性分析，预后判断中有极其重要的价值，具有广阔的应用前景。前列腺癌中融合基因频率存在着人种的差异。孙颖浩教授等发现，在欧美人种高频出现的融合基因TMPRSS2-ERG，在我国人群中的出现频率仅为国外文献尚未报道的融合基因20 ％，而另外4篇USP9Y-TTTY15、CTAGE5-KHDRBS3、RAD50-PDLIM4和SDK1-AMACR的出现频率为25％~40％，提示中国前列腺癌的发生、发展有其特有的机制，需要进一步深入研究加以阐明。

功能基因组学的飞速发展将越来越多的目光引向了对非编码转录产物功能的研究。在某些情况下或者是至少在一种特定的细胞类型中人类的常染色体中几乎每一对核甘酸对都会发生转录现象。转录产物中能够稳定存在的信使RNA(mRNA)不超过2％，其余绝大部分为非编码RNA (ncRNA )。目前研究证实，长链ncRNA(lncRNA)具有复杂的生物学功能，参与构成复杂而重要的基因表达调控网络，巧妙地调节基因表达，在人类疾病的发生、发展中发挥重要作用。2011年，Chung等报道了位于人染色体8q24的lncDNA即PRNCR1，他们发现PRNCR1与DD3/PCA3, PCGEM1一样具有抑制肿瘤细胞凋亡，促进肿瘤细胞增殖的作用，并且该lncRNA可能是前列腺上皮内瘤病的致病基因。抑制该基因的表达能够减弱前列腺癌细胞的活性，反式激活AR。这表明PRNCR1可能通过改变前列腺癌细胞AR的活性从而导致前列腺癌的发生与发展。本期中傅强教授在《lncRNA与前列腺癌》一文中指出，如果说mRNA是当今最耀眼的明星，那么lncRNA必将成为后起之秀，成为疾病发生过程中人类所认识的复杂分子网络中的重要部分。前列腺癌是一种原癌基因过表达和抑癌基因失表达的肿瘤性疾病。在前列腺癌中抑癌基因同样常被反义非编码RNA沉默，进而影响抑癌基因表达。通过抑制促癌基因lncRNA以及作为基因沉默元件lncRNA的表达，能够对前列腺癌产生积极的治疗作用。随着多层次研究特定lncRNA的功能和调控机制的逐步深入，将有助于寻找前列腺癌治疗的新靶点，为临床前列腺痛的靶向治疗和新药开发提供依据。

PSA的发现极大地提高了前列腺癌的检出率，降低了前列腺癌的特异性死亡率。由于PSA具有前列腺组织特异性，而非前列腺癌组织特异性，其水平升高可由良性前列腺增生症等引起。文献报道，因PSA水平升高进行的前列腺腺穿刺活组织检查的阳性率30％。单纯用PSA作为前列腺癌指标给患者带来很多不必要的重复穿刺活组织检查。为了解决这个问题，一系列新的标志物被发现。PCA3是其中最重要的一种。PCA3基因是1999年Bussemakers等发现的一种前列腺癌特异基因，是在前列腺癌组织中过表达的一种非编码RNA 。该基因特异性表达于前列腺癌细胞，正常前列腺细胞、前列腺增生的细胞中不表达或仅少量表达，在其他肿瘤组织中不表达，是一种理想的肿瘤标志物，可在行前列腺按摩后的尿液中检测到。行前列腺穿刺的患者中，阳性患者的PCA3表达量显着高于穿刺阴性者。PCA3的表达量不受前列腺体积或前列腺炎的影响。Klatte等发现，PCA3评分随着患者年龄的增长而增加，年龄特异性PCA3评分能更好地预测前列腺穿刺患者的结果。不同文献报道的PCA3表达量与肿瘤恶性程度的相关性的结论不同。DD3/PCA3 RNA是位于人染色体9q21-22的转录产物，其只在前列腺组织中被特异性转录，约90％的前列腺癌患者中均存在其转录产物水平的升高，有学者提出，可将DD3/PCA3作为特异性标志物用于前列腺癌的早期诊断，并作为新的治疗靶点应用于前列腺癌的治疗。

几乎所有的前列腺癌都具有某种程度的内分泌分化(NED)现象，5％~10％的腺癌有广泛的NED。NED对前列腺癌的进展有重要影响，可能促进肿瘤细胞的增殖。研究发现，异体移植人前列腺癌细胞后，去势小鼠的NED程度明显升高，可能促进肿瘤细胞的增殖;且NED的程度与肿瘤的分化程度密切相关，即低分化肿瘤中有更多的NED。前列腺癌转基因小鼠去势后，肿瘤会先缩小，后转变为激素非依赖性肿瘤，更具有侵袭性和转移性；此时的前列腺肿瘤中NED更加广泛。NED可能影响肿瘤的抗凋亡功能。神经内分泌(NE)细胞能产生VEGF，从而促进肿瘤细胞的新生血管增殖。NED分化和新生血管增殖与肿瘤的Gleason评分和肿瘤的进程密切相关。NE细胞可能具有以旁分泌的形式促进前列腺肿瘤细胞在雄激素非依赖状态下生长的能力，并加速疾病进程。本期中，沈周俊教授在《前列腺癌神经内分泌分化的研究进展》指出，NE细胞是正常前列腺组织、前列腺增生组织、前列腺癌的重要组成部分，对前列腺上皮的生长、分化、外分泌的调节有重要作用。NED的出现与肿瘤的进展、雄激素非依赖性转化和不良预后等有重要关系。NE细胞的作用机制和NED产生机制仍是当今研究的热点。研究和确定影响肿瘤NE的关键因子，可对激素非依赖性的前列腺癌的诊断、治疗、预后评估提供新的途径。

前列腺癌初期进行内分泌治疗有效，但经过14-30个月后，几乎所有患者的病变都会逐渐进展为激素非依赖性前列腺癌，中位生存期20个月。有些患者对二线激素治疗仍有效，称为雄激素非依赖性前列腺癌(AIPC)，而对二线激素治疗无效或二线激素治疗过程中病变继续进展的则为激素难治性前列腺癌(HRPC)。多西他赛联合泼尼松是HRPC的一线治方案。目前尚无标准的二线治疗方案。大量以细胞信号传导通路、肿瘤新生血管、增殖、凋亡及免疫调节为靶点的治疗方法已进入临床试验。进入Ⅱ期临床试验的药物有抗肿瘤新生血管形成抑制剂沙利度胺，酪氨酸激酶抑制剂甲磺酸伊马替尼(格列卫)，以表皮生长因子受体(EGFR)为靶点的吉非替尼，靶向凋亡和增殖信号传导途径的oblimersen和OGX-011;进入Ⅲ期临床试验的药物有抗肿瘤新生血管形成抑制剂贝伐单抗，维生素D类似物DN-101（试验于2007年11月终止)，内皮素受体拮抗剂Atrasentan，抗原负载的自体树突状细胞疫苗Sipuleucel-T和DCVax-Prostate。这些药物单用，或与多西他赛联合用药，增强了肿瘤对内分泌及化疗的敏感性，对HRPC均有一定的疗效。本期中，郑军华教授在《肿瘤新生血管抑制在前列腺癌治疗中的研究进展》一文中指出，抗肿瘤新生血管形成药物治疗肿瘤时出现耐药性是临床治疗中需要面对的挑战，根据不同药物针对抗血管新生不同靶点的药理特性，利用不同抗肿瘤新生血管形成药物之间的相互协同作用，或许可以降低该类药物在治疗前列腺癌中的产生耐药性的慨率和提高疗效。肿瘤新生血管形成在前列腺癌的发生、浸润和转移中起重要作用，随着对于肿瘤新生血管形成机制的不断深入研究，目前前列腺癌有了一些抗血管形成的方法。新近研究已证实，在多种细胞因子的作用下，骨髓来源的内皮前体细胞(EPC) 参与肿瘤组织中新生血管的形成，并且与肿瘤的分级、分期以及治疗反应存在相关性。因此，进一步明确EPC在前列腺癌新生血管形成中的作用及其机制，有望为前列腺癌的治疗提供新的途径。

4、 新一代泌尿外科医师需要关注分子外科

20世纪末，外科学发生了两件革命性事件，一是在外科学技术上形成的腔镜外科――机器人外科辅助系统，二是外科理论上兴起的分子外科学，它们正在对21世纪外科学的发展乃至生命科学的发展产生深刻的影响。

奥斯勒医师(William Osler, 1849-1919年)是对美国医学教育影响巨大的医学泰斗。他曾告诫我们：“外科医师是海里的一条船。只会开刀，不会做研究，就像船没有舵一样，在海里乱飘；而只会做研究，不会开刀，就像船没有下海一样，还停在岸上；而只有既会治病、开刀，又会做科学研究的外科医师，才是一条有舵的船，才能自由地航行在科学的海洋里。”

外科医师在多学科处理多数实体瘤的模式中，扮演着重要的角色。外科医师处在这样一个时代，应审时度势，在多学科模式诊断肿瘤的年代，掌握与筛查诊断以及术前、术中、术后的处理相关的分子外科学知识，调整策略，去迎合变化的治疗模式。

泌尿外科作为外科学的一个分支，作为微创治疗的前驱，在膀胱镜、输尿管镜、经皮肾镜、输尿管软镜、腹腔镜、单孔腹腔镜以及机器人外科辅助系统方面的业绩和创举，已成为外科学未来发展的一支重要的力量。而前列腺癌、肾癌、膀胱癌的靶向治疗，以及分子诊断、分子预后的判断等，又成为需要进一步探索的新领域。作为新一代的泌尿外科医师必须关注分子外科学。