生物標誌物一般是指可供客觀測定和評價的一個普通生理或病理或治療過程中的某種特徵性的生化指標，通過對它的測定可以獲知機體當前所處的生物學過程中的進程。檢查一種疾病特異性的生物標誌物，對於疾病的鑑定、早期診斷及預防、治療過程中的監控可能起到幫助作用。非小細胞肺癌(NSCLC)的生物標誌物主要分為腫瘤相關性抗原、酶類、分子生物學標記物。其中臨床常見的NSCLC生物標誌物如下。
一、抗原性標記
1、癌胚抗原(CEA)CEA是最具特異性的癌胚蛋白之一，也是目前套用最廣的腫瘤標誌物之一，40%-80%的肺癌患者可出現CEA升高，對腺癌有較高的敏感性。血清CEA升高程度與癌病灶的廣泛程度有關，其動態變化能反映患者對治療的反應和預後，其側量值進行性升高者多預後不良，下降後再升高者多是腫瘤復發的標誌。
2、鱗狀細胞癌相關抗原(SCC)肺鱗癌陽性率為46%-90%。SCC與腫瘤的分期呈正相關，其血清濃度隨病情的加重而升高。
3、細胞角質蛋白21-1片段(CYFRA21-1)肺癌患者中其陽性率為50%-60%，對肺鱗癌的敏感性最高，陽性率約60%-80%，其次是腺癌。
4、癌抗原125(CA125)在非小細胞肺癌中可見升高，陽性率44%，尤其晚期病人升高者預後差，陽性者分化差，易發生浸潤和轉移。若聯合測細胞角質蛋白21-1片段，CEA和SCC,NSE,CA125，肺癌診斷陽性率更高。
二、酶類
1神經元特異性烯醇化酶(NSE)小細胞肺癌患者NSE陽性率約為60%-80%,非小細胞肺癌患者陽性率<20%。NSE也是肺癌化療效果觀察隨訪的有效指標，對化療產生反應者NSE會下降，完全緩解者NSE可達正常水平。
2谷胱甘膚-S-轉移酶-π(GST-π)在非小細胞肺癌患者中多升高明顯。此酶升高顯示腫瘤對放化療不敏感，預後差。
3芳烴羥化酶(AHH)外周血淋巴細胞AHH活性顯著升高對肺鱗癌有較好的靈敏度及特異性(均在80%以上)，可用於肺癌的臨床診斷斷、病情監測和預後估計。
4端粒酶在小細胞肺癌早期即可發現升高，在非小細胞肺癌患者多出現於中晚期。
三、分子生物學標記物
1p53基因在腫瘤發生中，p53基因突變十分常見。90%的小細胞肺癌病人組織標本中可檢測到p53基因突變，非小細胞肺癌患者約60%突變。p53基因突變常發生在腫瘤發生的早期，因此若能及時獲取標本，對早期診斷有幫助。p53基因突變者多對放化療有不同程度的抵抗，也易發生腫瘤轉移。故是治療效果和預後判定的指標。
2KRAS基因KRAS突變主要見於非小細胞肺癌，約20%，其中又以腺癌最多見，占腺癌的30%-50%。檢測KRAS基因突變是估計肺癌（主要是腺癌）復發、判斷預後的良好指標。有突變者往往預後差。與p53基因相似，突變者也多預示放化療的療效較差。目前針對KRAS突變的在研靶向藥物主要有Antroquinonol（安卓健）和AZD6244（司美替尼）。其中AZD6244主要作用於RAS基因下游調控因子MEK1/2，而Antroquinonol直接作用於RAS，為該通路中訊息傳遞上游因子，調控整個RAS通路。
3p16基因由於p16基因比p53基因小得多，特異性強，易於標記，可作為非小細胞肺癌和其他腫瘤的標記物用於診斷和治療。將合成的野生型p16基因替代突變型基因阻止瘤細胞生長，也為肺癌治療提供了新途徑。4多藥耐藥基因(MDR)MDR的編碼P-糖蛋白(P-170)位於細胞膜上，有藥物泵作用，將進人細胞內的藥物泵出細胞外而使細胞產生耐藥，這種耐藥針對多種藥物。許多非小細胞肺癌的初期和小細胞肺癌的後期都會發生耐藥性。如P-170在未治療的非小細胞肺癌中的陽性表達率可達53.7%，但未治療的小細胞肺癌多無。MDR陽性即表示肺癌的耐藥，而且為多藥耐藥。
