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结直肠癌是我国常见的恶性肿瘤,死亡率在所有肿瘤中居第五位。术前同步放化疗联合手术切除是局部进展期直肠癌患者常用治疗方式。由于遗传变异和肿瘤异质性等因素的存在,不同个体对治疗的敏感性差异较大。放化疗作为一种选择压力能够杀死大部分的肿瘤细胞,但也能推动残余的直肠癌细胞克隆发生遗传进化产生抗性。本研究通过外显子测序技术研究术前同步放化疗对局部中晚期直肠癌肿瘤细胞基因组的影响,探索在治疗过程中直肠癌异质性演变与治疗抵抗机制;通过候选基因策略寻找与局部中晚期直肠癌术前同步放化疗敏感性以及生存相关的遗传变异,将为实现个体化医疗提供重要的研究基础。本研究入组符合条件的Ⅱ-Ⅲ期直肠癌患者进行以卡培他滨和奥沙利铂双药的术前同步放化疗,化疗结束后4～6周行直肠癌根治性切除手术。以术后病理评价肿瘤消退等级(Tumor Regression Grade,TRG)为3～5级视为对同步放化疗存在抵抗。31例对术前同步放化疗抵抗的直肠癌患者疗前、疗后肿瘤组织以及外周血合计93个样本进行全外显子组测序,在突变和拷贝数层面比较疗前和疗后样本间差异,从体细胞突变和拷贝数变异两个方面说明来自于同一患者疗前和疗后的样本之间是存在异质性的,而且放化疗能够使疗后样本中的基因组图谱发生改变。筛选到KRAS、APC、CTDSP2、TP53、TTN和CCDC168突变很可能与直肠癌术前同步放化疗抵抗相关。通过计算肿瘤组织中肿瘤细胞比例(Cancer Cell Fraction,CCF),分析直肠癌同步放化疗过程中克隆结构改变。从所有患者的CCF分布可推断直肠癌术前同步放化疗过程存在两种进化模式,一是分支进化模式,存在这种进化模式的疗前和疗后肿瘤之间有共有的祖先。二是线性进化模式,这种进化模式的疗前肿瘤中存在一小部分肿瘤细胞经受住治疗的选择压力,经过克隆扩展后变成主克隆。通过对突变特征的演变特点的分析,62例样本中存在5个突变特征A、B、C、D、E,疗后样本中富集的C>T的突变引起特征C和D形成,且5个特征相关突变在疗后样本中这两个特征相关的突变有明显富集,说明MMR缺陷可能是引起放化疗抵抗的机制并可能会推动晚期直肠癌的演变。最后研究了肿瘤异质性与总生存之间的关系,以亚克隆突变的比例作为衡量肿瘤异质性高低的指标,发现分别在疗前和疗后样本中肿瘤异质性越高,总生存时间越短,但是疗后样本中未达到显著性差异(Plog-rank = 0.018和Plog-rank=0.116)。校正了年龄、性别、KPS评分和TNM分期临床因素,发现治疗前肿瘤异质性高的患者死亡风险显著增加(HR=10.62,95%C/为 1.20-94.16,P = 0.029)。具有相同临床特征的患者对于术前同步放化疗敏感性差异较大,患者预后也不尽相同。单核苷酸多态(single nucleotide polymorphism,SNP)能在一定程度影响直肠患者对于术前同步放化疗的敏感性以及生存。MMR(mismatch repair)通路关键基因的遗传变异与直肠癌患者术前同步放化疗敏感性和生存相关研究罕见报道。通过对146例接受术前同步放化疗局部进展期直肠癌患者MMR通路的 MLH1(MutLhomologue1),MLH3(MutLhomologue3)和 MSH2(MutS homologue 2)三个基因的14个标签单核苷酸多态(tagging SNP,tagSNP)位点的遗传变异与患者敏感性和生存相关的研究,使用非条件Logistic回归模型和Cox比例风险回归模型计算影响局部进展期直肠癌患者术前同步放化疗敏感性和预后的独立因素。发现MLH3 rs175057和MSH2 rs13019654为影响局部进展期直肠癌患者术前同步放化疗敏感性的独立因素,加性模型多因素校正后OR值分别为 0.42(95%Cl= 0.19-0.91,P= 0.029)和 0.49(95%CI = 0.24-0.98,P=0.047)。MLH3rs175057 和 MSH2rs3771273、rs10188090、rs10191478 与局部进展期直肠癌患者术前同步放化疗总生存时间相关,加性模型多因素校正后的HR值分别为0.44(95%CQ = 0.20-0.96,P=0.038)、1.74(95%Cl=1.06-2.84,P = 0.028)、1.64(95%CI=1.01-2.66,P = 0.046)、1.71(95%CI= 1.01-2.91,P = 0.047)。本研究通过研究同步放化疗对局部中晚期直肠癌肿瘤细胞基因组的影响,发现KRAS、APC、CTDSP2、TP53、TTN和CCDC168的基因突变可能与直肠癌术前同步放化疗抵抗相关,在突变和拷贝数水平比较对治疗抵抗样本治疗前后异质性改变,发现未治疗肿瘤与疗后耐药肿瘤之间存在两种进化模式,治疗疗前肿瘤异质性的水平与患者生存时间相关。MMR缺陷可能是引起术前同步放化疗抵抗的机制之一,可能会推动晚期直肠癌的演变。MMR通路上多个标签单核苷酸多态与患者术前同步放化疗敏感性和总生存时间相关。这些研究结果对于深入理解直肠癌患者临床治疗抵抗的机制指导个体化治疗具有重要的理论意义和潜在的应用价值。