绪论

随着细胞生物学和分子生物学研究的飞速发展，医学的各个学科均与之发生广泛的交叉和渗透，并由此诞生了许多新兴的分支学科。通过这种交叉和渗透，使人们对自身及疾病的认识出现了神奇的加速效应。分子病理学就是在这种背景下应运而生的病理学的一个新兴分支学科，已成为传统病理学学科发展的令人瞩目的新的增长点。

一、病理学与分子病理学的概念和性质

（一）病理学的概念和任务

病理学是探究疾病的原因（cause）、发病机制（pathogenesis）、病理变化（pathological change）、结局和转归，以及病变形成过程中引发的各种功能异常的医学基础学科。其宗旨是研究疾病（pathos），后者的原意是希腊语“痛苦（suffering）”的意思。但准确把握其科学含义，应从以下4个方面去考虑。①研究疾病的原因：有些疾病的病因是显而易见的，如细菌和病毒感染分别引起细菌和病毒性疾病，如众所周知的人类免疫缺陷病毒（human immunodeficiency virus，HIV）感染引起获得性免疫缺陷综合征（acquired immunodeficiency syndrome，AIDS）。但有相当一部分疾病的病因尚不清楚，因而被称为原因不明性或特发性疾病。②探索疾病的发生机制：各种致病因素作用于人体后，如何使机体的器官、组织或细胞从正常状态过渡到疾病状态的发生机制。③描述疾病发生发展过程中的形态学变化：在器官、组织、细胞或亚细胞水平可见的形态学变化及其转化规律。④揭示各种疾病所引起的功能异常：功能异常是疾病过程引起器官、组织及细胞损伤的客观标志。这种功能变化可以缺如或甚轻微，严重的功能异常则可导致躯体的死亡。

事实上，人类无论是个体还是群体，自其诞生之日起始终与疾病共存。这从考古学家挖掘的具有病变的古人类的骨骼化石上可找到足够的证据。当然这仅仅是肉眼所见到的形态变化。直到1761年意大利帕多瓦大学（University of Padua）的Margani医生通过大量的尸体检查，并详细记录了病变器官的肉眼变化之后，才正式提出了器官病理学的概念。在1个世纪之后的19世纪中叶，随着显微镜的发明和使用，人们可以应用光学显微镜研究正常和病变细胞的形态变化。由此，德国病理学家Virchow创立了细胞病理学，其巨著在1858年出版，直到今天其理论和技术仍在对医学科学的发展产生影响。

如今，病理学工作者仍然在用传统病理学技术研究动物和人类病变器官、组织、细胞和亚细胞水平的形态变化。用肉眼观察病变器官的大体变化，被称为大体所见或解剖病理学。借助于显微镜所进行的组织学或细胞学研究，被称为组织病理学或细胞病理学。用电子显微镜观察病变细胞的超微结构变化被称为超微病理学。

半个世纪以来，随着医学科学研究的飞速发展，病理学与医学各学科之间发生广泛的交叉和渗透，相继诞生了诸如超微结构病理学、分子病理学等的一些分支学科。由此使人们对疾病本质的认识也从观察组织细胞水平的变化进入到基因水平的解析。与学科的交叉渗透相反，一些新的医学学科逐渐从传统的病理学中独立出来。例如，人们从病变部位的组织、细胞进行培养以获得引起某些特异性疾病的细菌和病毒，由此形成现代的微生物学和病毒学；通过对体液如血液和尿液检查，分析体内各种成分的质和量的变化的理论和技术，已独立成为临床生物化学，又称化学病理学；研究机体血液和免疫系统的细胞和相关蛋白质变化的学科，也从病理学和微生物学中独立出来，成为今天的免疫学。可见传统病理学的进步，不仅使其学科的自身不断完善，对整个医学科学的进步也起到了极大的推动作用。也正是由于这些理论和技术的应用，才使人们对疾病本质认识与分子生物学同步进入到分子时代。回顾病理学的发展轨迹，目的在于强调，尽管疾病的细胞生物学和分子生物学的相互渗透发展迅猛，但病理学仍然是对疾病的认识、精准诊断及精准治疗提供科学依据的不可替代的医学基础学科。

（二）分子病理学的概念和任务

分子病理学是在蛋白质和核酸水平，应用分子生物学技术研究疾病发生发展过程的病理学的一个分支学科。通常人们将所有的生物分子分为两类：一类是水、无机盐、碳水化合物和寡核苷酸等的小分子，分子量一般小于500Da；另一类为生物大分子，其生物学特性与小分子截然不同，其结构复杂，不但是组装细胞的结构成分，而且是完成细胞各项功能的物质基础。体内最重要的生物大分子即蛋白质和核酸，它们是生命体结构和功能的核心物质。分子生物学是从此类大分子水平上研究生命现象的科学，它的核心内容是通过对蛋白质和核酸等生物大分子的结构、功能及其相互作用等规律的研究来阐明生命的分子基础，从而探索生命和疾病乃至生与死的奥秘。

分子病理学发展于20世纪70年代，病理学家创造性地将分子生物学理论及相关技术引入到自己的领域，在与生物化学、生物合成、细胞生物学和遗传学（genetics）、基因组学（genomics）及蛋白质组学（proteomics）的交叉融合中逐渐形成。其理论和技术的每一项突破，自始至终与分子生物学的发展有着千丝万缕的联系。如质粒（plasmid）的提取和纯化、基因工程（genetic engineering）技术的定型、体细胞核移植（somatic cell nuclear transfer，SCNT）技术的完善、干细胞（stem cell）及其诱导分化、细胞重编程（cell reprogramming）技术的进步，都极大地推进了分子病理学的发展。

分子病理学是在研究正常生命现象的基础上，探索疾病状态及其修复过程中出现的细胞生物学和分子生物学机制。正如继光学显微镜之后，电子显微镜的应用使我们对病理过程的了解不断深入一样，分子病理学及其相关技术的应用使我们能够解释以前不能解释的病理现象。可以认为分子病理学的诞生是传统病理学发展的必然阶段。但是，必须强调分子病理学并不是解释所有病理现象的万能钥匙。寻求分子病理学与其他相关学科相结合的新的增长点，仍是病理学工作者今后为之奋斗的目标。

二、分子病理学的研究内容

就病理学的学科体系而言，凡是传统病理学，如疾病发生的原因、发病机制、病理变化、转化规律及相应的功能变化所涉及的领域，几乎都是分子病理学研究的内容。分子生物学研究所涉及的实验技术和方法，自然成为分子病理学技术的重要组成部分。

以下我们将从《分子病理学》一书的设计，逐一阐释分子病理学的学科体系和研究内容。全书分绪论及四篇（27章）正文。绪论，重点介绍分子病理学的内涵和外延、进展及未来发展趋势，为本书的纲要。第一篇人类疾病密切相关的分子基础，即本书的第一章至第五章。重点介绍和人类疾病密切相关的细胞和分子生物学基础。从细胞的遗传物质以及细胞基本结构入手，内容涉及人类基因组的结构和功能、基因的表达与调控，DNA复制、转录、表达、突变、损伤与修复等基本理论及其与某些人类疾病发生发展的关系。其中，细胞器、细胞内外信号转导、转录组学（transcriptomics）、表观遗传学（epigenetics）等为本书新增加的内容，对其在疾病发生发展中的作用和意义，给出一些前瞻性的认识和理解。

第二篇病理学基本病变及其发病过程的分子机制，即本书第六章至第十三章。重点介绍病理学总论中基本病变形成和转化过程所涉及的共性分子问题。在损伤修复中强调了细胞分化、细胞死亡的病理意义；将血管发生、器官纤维化和感染作为独立章节出现在此部分内容中；遗传、免疫等基本病变过程也各自作为独立章节列出，此内容既拓宽了传统病理学总论中基本病变形成与转化的分子问题，又为后续学习起到举一反三的效果。

第三篇病理学各系统或器官主要疾病病理变化的分子机制，即本书第十四章至第二十五章。重点阐述各系统重大或主要疾病的分子病理学研究进展，相当于病理学的各论部分。疾病及其发生机制的阐述，突出发病学中有突破性进展的疾病，而不是面面俱到。目的是在分子水平认识疾病本质的基础上，聚焦疾病的精准诊断、靶向治疗的应用前景。

第四篇人类疾病的分子病理诊断及其个体化医疗，即本书第二十六、二十七章。提纲挈领地阐述人类疾病的分子诊断、质量监控及药物基因组学与个体化医疗等的转化应用问题。通过阐述人类疾病的分子诊断、质量监控，着重介绍分子生物学领域的新技术及新兴交叉领域，如基因检测（gene test）、蛋白质组学（proteomics）、生物信息学（bioinformatics）、系统生物学（system biology）以及人工智能（artificial intelligence，AI）等与传统病理学的有机融合，推进分子病理学的快速发展；药物基因组学与个体化医疗的转化应用问题，重点阐述分子和遗传病理学的实验室研究成果向临床应用的转化，为将分子病理学诊断应用于临床治疗策略的设计，实现个体化治疗提供理论和技术指导。

书中涉及的分子生物学技术，如自显影、DNA提取和纯化、DNA探针（DNA probe）、DNA测序（DNA sequencing）、原位杂交（in situ hybridization）、突变（mutation）、核酸电泳、限制性片段长度多态性（restriction fragment length polymorphism，RFLP），仅在应用方面结合具体问题做相应的介绍。

总之，从以上内容的设计中可以得出这样的印象，即无论是病理学的基础研究还是应用研究及实践，病理学的各个领域都迫不及待地从分子生物学中吸取营养。例如人类基因组计划（human genome project，HGP）的实施及后基因组计划（genome project）的提出将给病理学知识的增长带来新的契机：首先，我们对疾病本质的认识更加深化，尤其是多基因疾病，人们过去无法对其深入研究，现在发现其中许多疾病的发生本质上是由相关基因的结构和功能异常所致；其次，致病基因和相关基因被大量发现，并将逐步阐明其在疾病发病学中的意义；再次，肿瘤基因诊断和基因治疗（gene therapy）将取得突破性进展。其体细胞遗传突变、多基因参与和多阶段遗传变化的发病机制将得到全面解释；最后，人类基因组计划实施过程中创造发明的新技术和新方法将在病理学中广泛应用，并导致出现更加迅猛的知识增长趋势。

三、分子病理学的发展趋势

分子生物学的发展简史实际上也是分子病理学的发展过程。此间，DNA分离和双链螺旋结构的确定，限制性内切酶（restriction enzyme）的发现，DNA测序及PCR等生物技术的问世，为打开遗传信息的复制和转录秘密奠定了基础。随着核酸分子生物学迅猛发展，其相关技术，如质粒的提取和纯化及人类基因组计划的启动到完成，使分子生物学成为医学乃至生命科学中的领先学科，分子生物学技术也成为21世纪的先导技术。毫不夸张地讲，分子生物学的所有理论和技术，均可在分子病理学的研究中加以运用并彰显优势。

（一）病因学研究中的分子问题

在基因水平上探讨某些疾病的原因，为病理学开辟了广阔的前景。除了单基因遗传病以外，绝大多数疾病都是多基因和多因素疾病。即使是单基因疾病，也不仅仅存在单一基因的损伤。一些常见慢性疾病如原发性高血压、冠心病和糖尿病等具有家族聚集倾向，其遗传性状受多个易感基因（susceptible gene）控制，属于多基因遗传病（polygenic disease），又称为复杂性状疾病。目前发现的复杂疾病易感基因多为微效基因（minor gene），每个基因对于疾病的贡献相对较小。现代研究认为，这些疾病均为若干微效基因和环境因素共同作用的结果。这些微效基因的发现对阐明复杂性疾病的发病机制及疾病的诊断治疗具有非常积极的意义。

例如，1型糖尿病（diabetes mellitus type 1）属于自身免疫性疾病，目前已发现10多个基因的变异可增加1型糖尿病的易感性。但其易感基因（susceptible gene）只大致解释了20%~50%的疾病易感性。2型糖尿病的候选微效基因包括葡萄糖转运体蛋白基因、胰岛素受体基因、胰岛素受体底物（insulin receptor substrate，IRS）基因、胰岛素抵抗（insulin resistance，IR）因子基因等。2型糖尿病（diabetes mellitus type 2）的易感基因也只能解释10%~30%的疾病易感性。

又如，家族性高胆固醇血症（familial hypercholesterolemia，FH）涉及低密度脂蛋白（low density lipoprotein，LDL）基因及载脂蛋白E（apolipoprotein E，ApoE）、载脂蛋白A（ApoA）、载脂蛋白B（ApoB）等多种基因，因此单基因遗传病实际上也是多基因疾病。对于精神分裂症（schizophrenia）、哮喘（athma）、关节炎（arthritis）、脑血管病（cerebral vascular disease）、原发性高血压（essential hypertension，EH）及冠心病（coronary heart disease）等多基因疾病，涉及的基因更多更广。

再如，过去将牛海绵状脑病（bovine spongiform encephalopathy，BSE），俗称疯牛病，归为慢性病毒感染所致的传染性疾病，现在发现是一类既有传染性又缺乏核酸的朊粒蛋白（prion protein，PrP）导致的散发性中枢神经系统变性疾病。这类疾病特征性病理改变是脑海绵状变性，故称为海绵状脑病。已知人类PrP病主要有克-雅病（creuzfeldt-jakob disease，CJD）、库鲁病（kuru disease）、格斯特曼-施特劳斯勒尔-沙因克尔综合征（Gerstmann-Straussler-Scheinker syndrome，GSS综合征）、致死性家族型失眠症（fatal familial insomnia，FFI）、无特征性病理改变的PrP痴呆和PrP痴呆伴痉挛性截瘫等。该类疾病临床虽属罕见，但传染性PrP作为新的致病因子已引起极大关注。

（二）发病机制研究中的分子问题

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）的基因定位已获成功，为揭示遗传性AD发病机制及治疗奠定了基础。信使RNA（messenger RNA，mRNA）是基因转录的产物，任何多肽和蛋白质合成时都需经过相应的mRNA的编码。通过测定mRNA水平，确证了肾素-血管紧张素系统（renin-angiotensin system，RAS）在遗传性原发性高血压的发病中起着重要作用。根据乙肝病毒DNA资料，发现肝癌细胞整合有HBV-DNA，认为乙肝与肝癌发生有密切关系。最近还发现，Alport综合征是由X染色体上COL4A5基因发生突变所致，因突变部位不同，其临床表现也出现差异。

新发及重大传染病的跨宿主传播、靶细胞感染及其损伤的机制研究是世界范围内的重大课题，由此确定干预及防控策略又是人类面对的共同任务。2002—2020年国内和国际上多次发生流行性感冒病毒（influenza virus）疫情，2002年严重急性呼吸综合征（severe acute respiratory syndrome，SARS）疫情暴发，导致全球五大洲的26个国家至少8 096人发病，其中774人死亡，病死率高达9.56%。2012年中东呼吸综合征（Middle East respi-ratory syndrome，MERS）疫情，也造成几百人的死亡。2019年在全世界暴发的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情，据美国约翰斯·霍普金斯大学（Johns Hopkins University）发布的新冠疫情统计数据显示，截止本书终稿时间（2022年10月），全球累计确诊病例62 967万例，累计死亡病例658万例，发病人数和死亡人数仍有逐日上升的趋势。从SARS到新型冠状病毒肺炎，病毒性肺炎从未走远。所以新型冠状病毒如何跨宿主传播、感染机体靶细胞后如何引起组织细胞损伤及炎症的机制，既涉及应急状态的精准施救，又关乎急性损伤后并发症的发生、预防及临床治疗。同时，对病毒引起机体损伤的本质的认识又具有重要的科学意义。

表观遗传是指DNA序列不发生变化的可遗传性改变。表观遗传在基因表达调控中具有重要作用，在不同发育阶段、不同组织类型以及不同疾病的细胞中具有显著的特征。肿瘤发生、发展是一个涉及遗传和表观遗传改变的多步骤过程。表观遗传变化在肿瘤发生、发展过程中频繁发生。由于表观遗传修饰是可逆的，这就为肿瘤预防、临床诊断与药物开发提供了新的方向。且DNA甲基化酶（DNA methyltransferase，DNMT）抑制剂、组蛋白脱乙酰酶（histone deacetylase，HDAC）抑制剂在临床上已成功治疗了肿瘤患者。预计更准确的表观遗传高通量方法、更明确的表观遗传机制、更精确的表观遗传调控剂（活化剂或抑制剂）、对更复杂疾病的探索将有助于肿瘤预防、临床诊断、药物开发与联合疗法的临床转化。

（三）病理学诊断中的分子问题

通过基因突变的检测、基因连续分析、mRNA的检测、核酸分子杂交及PCR等技术，可对遗传性疾病、传染性疾病、病毒性疾病、细菌性疾病、寄生虫疾病和肿瘤进行检测和诊断。近年来发展起来的DNA芯片技术，将人体内成百上千种，乃至10万个基因全部密集排布在一张芯片上，可以同时检测人类不同时期、不同细胞、不同组织及不同疾病诱发因素作用所引起的基因时空表达谱，用于疾病的诊断、发病机制的研究和药物的筛选。此外，利用芯片技术（chip technology）以制备出免疫芯片、蛋白质芯片和检查突变的芯片，用于大规模检测体内多种基因的表达、蛋白质与蛋白质、蛋白质与DNA的关系及单个基因和群体基因的多态性和基因突变位点，确定人体的基因型，这些均大大助推了病理学的研究和诊断水平提高。

随着分子病理学理论和技术的日臻完善，诊断分子病理学已成为近年来临床病理的最热门领域。对遗传性疾病的诊断，通过检测人染色体上基因是最可靠的。对感染性疾病（infectious diseases）的诊断，不仅可检出正在生长的病原体（pathogen），也能检出潜伏的病原体以及既往感染的痕迹。对于以基因改变为病因的肿瘤而言是最准确的，是分子靶向治疗的基础。对组织器官移植领域，在组织抗原匹配，免疫受抑制患者出现威胁生命的感染的快速检测等方面彰显优势。在刑事案件中，DNA指纹技术，已广泛应用于法医学鉴定，其精确度达到了一个细胞、一根毛发和一个精子，就可取得个体特征性的基因图谱（gene map）。

（四）疾病治疗及治疗后反应的分子问题

1.疾病的精准治疗

分子病理学的最大优势是能对获取的组织标本进行基因诊断（gene diagnosis）和分子分型（molecular typing），为疾病的精准治疗提供依据。早期仅针对单基因遗传病（single gene disease），现将治疗范围扩大到肿瘤、心血管、自身免疫性疾病及病毒感染等危害较大而且少有治疗手段的疾病。以非小细胞肺癌（non-small cell lung cancer，NSCLC）的精准治疗为例，可在以下三个方面大有作为。一是突变基因的确定。突变基因又称驱动基因。根据基因检测和分子分型，检测出具体的突变基因，进行有针对性的治疗。如果表皮生长因子受体（epidermal growth factor receptor，EGFR）基因突变则进行吉非替尼、埃克替尼、厄洛替尼的治疗。间变性淋巴瘤激酶（anaplastic lymphoma kinase，ALK）融合基因突变，可用克唑替尼等治疗。根据程序性死亡配体-1（programmed death-ligand1，PD-L1）的检测结果，给予免疫的治疗。二是驱动基因的诱导。PD-L1高表达的NSCLC免疫治疗已收到很好的效果。γ干扰素（interferon-γ，IFN-γ）是PD-L1最好的单独诱导剂。经IFN-γ诱导，经治疗观察患者的活检材料中，T细胞生成增加，表达上调，并显示出很好的治疗效果。三是更深地挖掘基因突变。在努力形成个体化治疗时，基因检测不仅仅是在诊断时使用，在肺癌患者的初始诊断和复发时取得个体的组织样本，更有助于指导治疗。分子检测先是识别EGFR和BRAF突变以及ALK和ROS1的融合，随后就可确定哪种治疗可能是有效的。目前大约20%的患者有所谓的可操作的基因突变，为余下80%患者提供个体化治疗方法正是研究人员努力的目标。

2.预测药物治疗效果

有人估计，人体内有6 000余种基因与药物的吸收、代谢、排泄和作用有关，检测其中某些基因在用药以后的变化，可以判定患者对治疗的反应以指导正确用药，实现个体化治疗。如第一代和第二代EGFR酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitors，TKIs）同时针对突变和野生型受体，具有典型EGFR抑制剂毒性，表现为皮疹和腹泻。而第三代EGFR抑制剂特异性地针对EGFR突变，不是野生型EGFR，因而具有较少的皮肤和胃肠道毒性。简言之，这是药物作用于体内引起基因反应的动态变化，今后工作的重点仍然是找到预测治疗反应的生物标记物，以保证只有在体内产生治疗性应答反应的确切指标，才对患者实施治疗。

四、结语

分子病理学是在蛋白质和核酸水平，应用分子生物学理论、技术和方法研究疾病发生发展过程的病理学的一个分支学科。就学科内涵而言，凡是传统病理学，如疾病发生的原因、发病机制、病理变化、转化规律及相应的功能变化所涉及的领域，几乎都是分子病理学研究的内容。随着医学科学研究的不断深入，学科间的交叉融合及分离独立推动了病理学的进步与发展。分子病理学的优势是能对获取的组织标本进行精准的基因诊断和分子分型，将疾病的病因学、发病机制、病理诊断及其治疗及治疗后反应等的研究推进到分子水平。另外，发育分子生物学、衰老分子生物学、神经分子生物学和肿瘤分子生物学等新型领域与分子病理学交叉融合，又进一步丰富了分子病理学的内涵，并加深了人们对疾病本质的认知和理解。

（李玉林）

主要参考文献

[1]李玉林.分子病理学[M].北京：人民卫生出版社，2002.

[2]李玉林.病理学[M].8版.北京：人民卫生出版社，2012.

[3]HORST A.Molecular Pathology[M].New York：CRC Press，2018.

[4]KILLEEN A A.Principles of Molecular Pathology[M].Totowa：Human Press，2004.

[5]COLEMAN W B.Diagnostic Molecular Pathology[M].London：Academic Press，2017.

[6]COLEMAN W B，TSONGALIS G J.Molecular Pathology：The Molecular Basis of Human Disease[M].2nd Edition.London：Academic Press，2018.