バイオマーカー

生物医学の文脈では、バイオマーカー、または生物学的マーカーとは、何らかの生物学的状態または状況の測定可能な指標です。バイオマーカーは、正常な生物学的プロセス、病原性プロセス、または治療介入に対する薬理学的反応を調べるために、血液、尿、または軟組織を使用して測定および評価されることがよくあります^{[ 1 ]}。^{[ 2 ]}バイオマーカーは、多くの科学分野で使用されています。

医療分野で使用されるバイオマーカーは、臨床応用によって分類される比較的新しい臨床ツールセットの一部です。主な4つのクラスは、分子バイオマーカー、生理学的バイオマーカー、組織学的バイオマーカー、および放射線学的バイオマーカーです。^{[ 3 ]} 4種類のバイオマーカーはすべて、治療決定を絞り込んだり導いたりする臨床的役割を果たし、予測的、予後的、または診断的のいずれかに分類されます。

診断

証明責任を満たす診断バイオマーカーは、診断を絞り込む上で役割を果たすことができる。これにより、個々の患者に対してより特異的な診断が可能になる。バイオマーカーとは、臓器機能やその他の健康状態を調べる手段として生体内に導入される追跡可能な物質である。^{[ 6 ]}

また、検出することで特定の疾患状態を示す物質である場合もある。例えば、抗体の存在は感染症を示す可能性がある。^{[ 6 ]}より具体的には、バイオマーカーは、疾患のリスクや進行、あるいは特定の治療に対する疾患の感受性と相関するタンパク質の発現や状態の変化を示す。^{[ 6 ]}

医学で一般的に使用されるバイオマーカーの一例として、前立腺特異抗原（PSA）が挙げられます。このマーカーは前立腺の大きさの指標として測定でき、急速な変化は癌を示唆する可能性があります。最も極端な例としては、選択反応モニタリング（SRM）によって癌特異的バイオマーカーとして変異タンパク質を検出することが挙げられます。変異タンパク質は既存の腫瘍からのみ生じるため、最終的には医療目的において最高の特異性を提供します。^{[ 7 ]}

一例として、外傷性脳損傷（TBI）の血液ベースのバイオマーカー検査では、中等度から軽度のTBI患者における頭蓋内病変の存在を診断するのに役立つ神経細胞ユビキチンカルボキシ末端ヒドロラーゼL1（UCH-L1）および グリア線維性酸性タンパク質（GFAP）のレベルを測定します。これらの病変は、頭部CTスキャンを使用することによってのみ診断可能です。 ^{[ 8 ]}

別の例としては、いくつかのシグナル伝達経路に関与するGTPaseをコードする癌遺伝子であるKRASがある。精密腫瘍学のバイオマーカーは、通常、慢性骨髄性白血病、結腸癌、乳癌、肺癌、およびメラノーマの分子診断に利用される。^{[ 9 ]}

予後

予後バイオマーカーは、治療や治療介入の有無に関わらず、患者の全体的な転帰に関する情報を提供します。^{[ 5 ]}臨床研究における予後バイオマーカーの一例として、転移性乳がんの研究における変異型PIK3CAの使用が挙げられます。グラフで示されているように、この変異は、患者における変異の存在が、使用される治療法に関わらず同じ転帰をもたらすため、予後因子となります。治療前にPIK3CA変異を持っていた女性は、平均生存率が最も低くなりました。変異体を含むグループでは、生存率の低下がより速く、はるかに急激に起こりました。予後因子の独立した性質により、研究者は疾患や状態を自然な状態で研究することができます。これにより、これらの異常な生物学的プロセスを観察し、それらを修正する方法について推測することが容易になります。予後因子は、治療研究において予測変数と組み合わせて使用​​されることが多く、さまざまな治療法が特定の疾患や癌の治療にどれほど効果的かを調べます。予測バイオマーカーとは異なり、予後因子は説明変数に依存しないため、基礎疾患や状態を独立して調べることができます。^{[ 18 ]}

栄養バイオマーカー（摂取量の生化学的マーカー）は、栄養研究、特に栄養疫学において食事摂取量を推定するために使用されていますが、信頼できる食事情報が必要とされる考古学などの他の分野でも使用されています。 ^{[ 19 ] [ 20 ]}栄養バイオマーカーは、食事成分の摂取量を反映し、十分に特異的なあらゆる試料である可能性があります。^{[ 21 ] [ 22 ]}多くのバイオマーカーは、糖類や植物化学物質などの食品に含まれる化合物、またはメタボロミクスを使用したそれらの組み合わせから得られます。^{[ 19 ] [ 23 ]}考古学で特に一般的な別のタイプの栄養バイオマーカーは、安定同位体比です。^{[ 24 ]}

精密医療のためのバイオマーカーは、比較的新しい行動および臨床ツールセットの一部です。行動ツールセットの観点から、バイオマーカーは、特に糖尿病、心血管疾患、肥満の研究において、健康行動の変化を促すためにますます使用されています。^{[ 25 ]}これまでの研究のほとんどは、体重、血圧、血糖値など、簡単に測定できるバイオマーカーを使用しています。これらのバイオマーカーは、食事、身体活動、喫煙量の減少の影響を反映している可能性があります。しかし、介入研究でバイオマーカーからのフィードバックを使用する方法は多様であり、その有効性は依然として不明です。^{[ 25 ]}

臨床ツールセットに関して言えば、転移性大腸がんの場合、臨床的に実施されている予測バイオマーカーは2つだけです。^{[ 4 ]}この場合、後向き研究やバイオマーカー主導型アプローチの成功例以外のデータが不足していることが、臨床試験における被験者の脱落によるバイオマーカー研究の使用を阻害する要因となっている可能性があります。^{[ 26 ]}

バイオマーカー研究の分野は、複数の情報源からバイオマーカーを特定するための組み合わせアプローチを含むように拡大しています。さまざまなデータからのバイオマーカーを組み合わせることで、一度に多くのバイオマーカーに基づいて治療反応を評価するパネルを開発することが可能になります。多因子バイオマーカーの研究が拡大している分野の一つがミトコンドリアDNAシーケンスです。ミトコンドリアDNAの変異は、頭頸部扁平上皮癌のリスク、進行、および治療反応と相関することが示されています。^{[ 27 ]}この例では、比較的低コストのシーケンスパイプラインが、腫瘍関連細胞内の低頻度変異を検出できることが示されました。これは、ミトコンドリアDNAベースのバイオマーカーが、個体間の異質性を捉える一般的なスナップショット能力を強調しています。^{[ 27 ]}

早期発見研究ネットワーク（EDRN）は、臨床検証を効率化するためにバイオマーカーを評価するための7つの基準のリストを作成しました。^{[ 28 ]}

1997年、国立衛生研究所は、バイオマーカー研究の倫理的側面を規制するガイドラインと法整備の必要性を提唱した。^{[ 28 ]}

プロジェクトの各段階（計画、実施、結果の集計など）に含まれるすべての参加者が、プロジェクト開始前に定められた倫理原則の保護を受けられるようにすること。これらの倫理的保護は、研究の参加者だけでなく、非参加者、研究者、スポンサー、規制当局、および研究に関与するその他のすべての人やグループも保護するべきである。^{[ 28 ]}倫理的保護には、以下のようなものが含まれるが、これらに限定されない。^{[ 28 ]}

• 参加者のインフォームドコンセント
• 人種、社会経済的地位、性別、性的指向などに関係なく、参加機会へのアクセスが確保されていること（実験プロトコルで認められている範囲内）。
• 科学的誠実性
• データの機密性（匿名性）
• 特定のスポンサーによる資金提供およびスポンサーシップに関する利益相反の認識
• 参加に伴う健康面および法的リスクの透明性と認識

細胞生物学において、バイオマーカーとは、特定の細胞型の検出と分離を可能にする分子のことである（例えば、タンパク質Oct-4は胚性幹細胞を識別するためのバイオマーカーとして使用される）。^{[ 33 ]}

遺伝学において、バイオマーカー（遺伝子マーカーとも呼ばれる）とは、疾患を引き起こす、あるいは疾患への感受性に関連するDNA配列のことである。これらは、研究対象となる生物の遺伝子地図を作成するために利用できる。

バイオマーカーは、過去または現在の生物の存在を示すあらゆる種類の分子である。地質学および宇宙生物学の分野では、バイオマーカーは、ジオマーカーと対比して、バイオシグネチャーとしても知られている。バイオマーカーという用語は、石油の生成における生物学的関与を説明するためにも使用される。バイオマーカーは、1988年にカリフォルニア州サンフランシスコ湾で発生した石油流出の地球化学的調査で使用された。^{[ 34 ]} 4月22～23日、シェル石油会社の製油所および製造複合施設により、約40万ガロンの原油がサンホアキンバレーに誤って流出した。この油は周辺の多くの地域に影響を与えた。流出したさまざまな地域で原油のサンプルが採取され、流出していないサンプルと比較され、流出した油と流出地域に存在する石油起源の背景を区別しようとした。^{[ 34 ]}質量スペクトルは、サンプル中のバイオマーカーと環状脂肪族炭化水素を特定するために実施された。原油サンプルと堆積物の構成成分の濃度にばらつきが見られた。^{[ 34 ]}

バイオマーカーは、水質汚染が水生生物に及ぼす影響を特定するために使用されています。底生大型無脊椎動物は、多くの汚染物質が沈殿する河川底の堆積物に生息しています。これらの生物は汚染に高い頻度で曝露されるため、汚染物質濃度や生態系への汚染の影響を検出する際の優れた研究対象種となります。^{[ 35 ]}汚染物質や反応に応じて、水生生物内には測定可能なさまざまなバイオマーカーが存在します。水域内にもさまざまな汚染物質が存在します。汚染物質が生物に及ぼす影響を分析するには、バイオマーカーが特定の時間枠内または特定の濃度で特定の汚染物質に反応する必要があります。^{[ 36 ]}水生生物の汚染を検出するために使用されるバイオマーカーは、酵素的または非酵素的である可能性があります。^{[ 37 ] [ 38 ]}

『沈黙の春』の著者であるレイチェル・カーソンは、有機塩素系農薬の使用の問題を取り上げ、これらの農薬が生物に及ぼす可能性のある悪影響について論じた。^{[ 39 ]}彼女の著書は、農薬が環境に及ぼす影響についての一般的な認識をコントロールしていた化学企業に対する倫理的問題を提起し、生態毒性学的研究の必要性を先導した。生態毒性学的研究は、バイオマーカー研究の前身とみなすことができる。^{[ 40 ]}バイオマーカーは、環境や生物中に存在する異種物質への曝露またはその影響を示すために使用される。バイオマーカーは、外部物質自体（例えば、アスベスト粒子やタバコ由来のNNK）である場合もあれば、体内で処理された外部物質の変異体（代謝物）であり、通常は定量化できる。

「バイオマーカー」という用語が広く使われるようになったのは、1980年頃に遡ります。^{[ 41 ]} 1980年代後半の環境の監視と研究方法は、依然として主に、水、堆積物、水生生物中に中程度の濃度で存在すると危険または有毒とみなされる化学物質の研究に依存していました。^{[ 40 ]}これらの化学物質を特定するために使用された方法は、クロマトグラフィー、分光光度法、電気化学、放射化学でした。^{[ 40 ]}これらの方法は、環境中に存在する汚染物質や問題の化合物の化学組成と濃度を明らかにするのに成功しましたが、特定の汚染物質や化学物質が生物や生態系に与える影響に関する情報を提供するデータは得られませんでした。バイオマーカーを特徴づけることで、汚染物質や化合物がシステムに大混乱を引き起こす前に、個体群や生態系の健全性をチェックする警告システムを構築できると提案されました。現在、バイオマーカー研究の発展により、バイオマーカーはヒト医療分野や疾患の検出に利用・応用できるようになっている。^{[ 40 ]}

デ・コックとクレイマーは1994年にアクティブバイオモニタリングの概念を開発した。アクティブバイオモニタリングとは、元の環境とは異なる条件を持つ新しい環境に移されたサンプルの化学的/生物学的特性を比較することである。^{[ 50 ]}

• BiomarkerKBは、複数の公開情報源からのバイオマーカーデータを統合・整理するオープンアクセス型の知識ベースであり、ジョージ・ワシントン大学によって2025年に設立されました。