Transcript 第十六章分子流行病学

第
十
六
章
第7版 流行病学
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第一节 概述
第二节 生物标志
第三节 主要研究方法
第四节 应用与展望
第7版 流行病学
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第一节 概述
分子流行病学(molecular eidemiology)是传统流行
病学与新兴的生物学技术相结合而产生的一个新的流
行病学分支，主要从分子水平阐明疾病发生、发展的
规律及其影响因素，有效的解决传统流行病学遇到的
一系列困难，使得疾病的预防及干预手段更加先进、
有效。
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分子流行病学的定义
 分子流行病学是阐明人群和生物群体中医学相关生物标志的
分布及其与疾病/健康的关系和影响因素，并研究防治疾病、
促进健康的策略与措施的科学。
 生物标志 (biological markers或biomarkers)主要指从暴露到
疾病这个连续过程中可测量的、能反映功能或结构变化的细
胞、亚细胞、分子水平的物质。
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分子流行病学的发展简史
 分子流行病学的产生背景
 疾病防制中出现的新问题
传染性疾病 耐药性病原体；病原体变异；新发现传染
病。
慢性非传染病 多病因、多阶段、多基因、长潜隐期。
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人群易感性或治疗反应
生物个体间的遗传
和环境不同，对于疾病的易感性或者治疗的
反应差别甚大。
基础医学
基础医学的快速发展，从分子及
基因水平上提出很多发病机制及病因假设。
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分子生物学理论和技术的迅速发展
理论的突破
如：DNA双螺旋模型、遗传中心法则、遗
传密码、RNA逆转录、表观遗传修饰、微小RNA等。
技术的创新
各种凝胶电泳、体外核酸扩增、DNA测序、
蛋白质测序、分子杂交、基因克隆、色谱分析、生物芯
片技术等。
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 分子流行病学的发展历程
 分子流行病学概念的演变
国外：
1972年，提出“流感的分子流行病学”的名词。
1977年，法国学者Higginson：分子流行病学是应用
精细技术进行生物材料的流行病学研究。
1982年，Perera和Weinstein提出“癌症分子流行病
学”。
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1986年定义：分子流行病学的核心在于把先进的实
验室方法和分析流行病学结合起来，从而查明环境
和（或）宿主病因。
1993年定义：分子流行病学是在流行病学中应用生
物标志或生物学测量。
1996年定义：分子流行病学狭义上讲是测量作为暴
露和效应的生物标志——信息大分子：DNA、RNA
和蛋白质。
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人类基因组计划
1990年启动，2003年发表完整的基因序列图
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 人类基因组流行病学（human genome epidemiology，HuGE）
的产生和发展
 1998年，Khoury和Dorman首次提出了人类基因组流行病学的概
念：应用流行病学与基因组信息相结合的研究方法，开展以人群
为基础的研究，评价基因组信息对人群健康和疾病的流行病学意
义，是遗传流行病学与分子流行病学交叉的前沿领域。
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人类基因组流行病学网站 - HuGE Net
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 分子流行病学在我国的发展
20世纪80年代初开始进行分子流行病学研究，
当时仅限于传染病，如对轮状病毒腹泻、大肠
杆菌腹泻等的研究。
90年代中后期，分子流行病学研究开始得到了
长足的发展，逐渐推广到流行病学的各个领域。
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1995年以后，我国有关分子流行病学的研究论
文逐渐增多。
1997年第四届中华流行病学会委员会首次设立
分子流行病学学组，次年召开了第一次全国分
子流行病学学术会议。
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 分子流行病学的应用现状
 研究内容更加丰富 包含疾病和健康状态相关生物标
志的分布、影响因素、人群易感性、防治效果评价、
预后分析等。
 研究手段越来越多 质粒图谱、核酸分子杂交、抗原
抗体技术、生物芯片技术、质谱技术....
 应用范围不断扩大 流行病学、预防医学、基础医学、
生物学、遗传学、环境科学和人类学等。
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与传统流行病学的关系
传统流行病学
Exposure
？
Cancer
分子流行病学
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“海平面”
患者
亚临床者
健 康 者
“冰山” 现象
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模式I
暴露因素
┏━━━━┳━━━━━╋━━━━━┳━━━━┓
健康态←→
亚健康态←→潜在疾病态←→
临界疾病态←→ 亚临床态←→ 临床态
健康态←→
潜在疾病态←→临界疾病态←→亚临床态←→临床态
┗━━━━┻━━━━━╋━━━━━┻━━━━┛
机体易感性因素
模式II
健
康
疾
病
主观感觉
健康指标
客观指标
疾病指标
图16-1 健康－疾病连续带示意图
（health-disease continuum，HDC）
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前瞻性研究
传统流行病学
暴露
？
疾病
回顾性研究
分子流行病学
暴露
疾病
图16-2 传统流行病学与分子流行病学的关系（EDC模型）
（Schulte,1993）
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图16-3 传统流行病学主要是探讨E-D
之间是否存在关联，但无法解释此类
关联的机制
图16-5
易感性标志: GSTM1遗传缺陷导
致的代谢能力的改变
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图16-4 暴露标志: 血清可替宁或者尿液中的
NNAL衡量吸烟者的暴露水平，PAH加合物估计
吸烟产生致癌物的实际剂量
图16-6 疾病或效应标志: 包括抑癌基因的
突变，细胞学或表遗传的改变，表达异常等
（Elston RC, 2002）
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第二节 生物标志
暴露标志 与疾病或健康状态有关的暴露因素的生物标志。
包括外暴露标志、内暴露标志和生物有效剂量标志。
效应标志 宿主暴露后产生功能性或结构性变化，并进一
步引起疾病亚临床阶段和疾病发生过程的生物标志。包括
早期生物效应标志、结构和（或）功能改变标志、临床疾
病标志等。
易感性标志 指宿主对疾病发生、发展易感程度的生物标
志。
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暴露标志
 外暴露标志
 是指暴露因素进入机体之前的标志和剂量。
 如病毒、细菌、生物毒素、吸烟烟雾、环境物质等。
 内暴露标志
 指被宿主吸收的外源性暴露物质的量。
 包括对化学毒物、饮食中的营养素和可能致癌剂以及
微生物感染的测定等。
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 生物有效剂量标志
 指经吸收、代谢活化、转运，最终与靶组织细胞内DNA或蛋白质
相互作用的外源性物质或其反应产物的含量。
 包括DNA 加合物、蛋白质加合物、DNA 蛋白交联物等。
生物学标志
环境暴露物质
生物材料
DNA加合物
苯并（a）芘、
亚硝胺
白细胞
蛋白质加合物
（血红蛋白）
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环氧乙烯
红细胞
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效应标志
 早期生物效应标志
 指结合到靶组织上的外源性物质的持续作用，引起组织细胞的生
物改变，从而产生疾病前期的生物标志。
 包括细胞毒性反应，染色体畸变，DNA、RNA和蛋白表达，以及
细胞功能的一些早期变化（如DNA修复以及免疫功能的改变）等。
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诱变剂敏感性检测（mutagen sensitivity assay）
 结构和（或）功能改变标志
指形态学或功能学的改变，是在暴露-疾病连续
带中更接近观察终点，即疾病发生的标志物。
结构和（或）功能改变标志通常来自于靶器官
的组织。
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 临床疾病标志
指疾病发生后特有的分子生物标志。
具有一定辅助诊断价值的标志物，如血清甲胎
蛋白（AFP）、癌胚抗原（CEA）、前列腺特异
性抗原（PSA）、血清谷草转氨酶（AST）等。
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易感性标志
 遗传与非遗传因素如年龄、健康状况、饮食等都可能影响
个体对疾病的易感性。
 遗传易感性生物标志是机体稳定存在的遗传性的可测量指
标。可以是基因型的改变，也可以是功能学或者表型的改
变。
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表16-1 高危险易感基因和低危险易感基因的特征比较
高危险易感基因
低危险易感基因
外显性
高
低
相对危险度RR
高
低
归因危险度AP
高
低
人群归因危险度PAR
低
高
基因频率
≤1%
1%~90%
分析方法
连锁分析（linkage）
环境影响
相对较小
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关联分析（association）
非常重要
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Genetic Diversity
(遗传多样性)
单核苷酸多态性（SNPs）
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单核苷酸多态性: SNPS=Single Nucleotide Polymorphisms
指在人群中出现的频率≥1%的先天DNA突变。
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Biology
SNPs
Response
Disease
Prevention
单核苷酸多态性
（Nature, 2003）
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第三节 主要研究方法
研究设计和分析
生物标志的选择和检测
 主要的研究方法
 生物标志的选择
 研究设计与实施
 生物标志的检测
 资料处理与分析
 实验中的质量控制
生物标本的采集
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研究设计和分析
主要的研究方法
 病例对照研究
 病例-病例研究
 巢式病例对照研究
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研究设计与实施
 研究目的
 结果与分析
 调查方法与样本
 质量控制
 测量指标
 注意事项
 测量方法
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资料处理与分析
 传统流行病学指标分析
疾病率、暴露率、比值比OR和
相对危险度RR....
 基因多态性与疾病关联研究分析 通过分析目标等位基因
和基因型频率在病例组和对照组中分布的差异，判断基因
多态性是否与疾病风险存在关联。
 基因-环境交互作用分析
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表16-2 XRCC1 T>C多态性与肺癌易感性
XRCC1(T>C)
基因型
病例组(710例)
No
%
对照组(710例)
No
%
粗OR
(95%CI)
TT
500 70.4
558 78.6
1.00
CT
198 27.9
148 20.9
1.49(1.17~1.91)
CC
12 1.7
4
0.5
3.55(1.07~10.45)
CT/CC vs TT
(显性模型)
-
-
-
-
1.54(1.21~1.96)
CC vs CT/TT
(隐性模型)
-
-
-
-
3.03(0.97~9.45)
相加模型
-
-
-
-
1.54(1.23~1.93)
（Hu et al, 2005)
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环境
暴露
个体
易感性
人群
表16-3 病例对照研究基因环境交互作用分析*
基因
暴露
因素
病
例
对
照
-
-
a
b
OR00 =1.00
-
+
c
d
OR01=cb/ad
+
-
e
f
OR10=eb/af
+
+
g
h
OR11=gb/ah
OR
* 1-暴露，0-非暴露。OR10为基因的主效应，
基因－环境交互作用
OR01为环境的主效应，OR11为环境-基因的联
合作用，交互作用的相对比值比ORint可由公
式 ORint = OR11 /（ OR01 × OR10）计算获得。
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生物标本的采集
 生物标本
包括病原和人体的生物标本。常用的有：微生
物标本、血液（血清）标本、组织标本、其他生物标本。
 生物标本库
通常将储存有一种类型或多种类型生物标本，
并能保持它们的生物活性以供研究之用的系统称为生物标
本库(biological specimen bank, BSB)。
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生物标本选择和储存
分子流行病学研究成功的关键
 要求
 在采集和储存过程中不能受到“污染”
 储存的生物标本在任何时候进行检测都可以获得一
致的结果
 所有的生物标本都应有详细的背景材料和鉴别标识
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生物标志的选择
 生物标志选择的原则
 生物标志应特异、稳定
 标本采集、储存方便
 检测方法比较简单、实用，而且操作规范，便于与同
类研究结果比较
 检测方法灵敏度和特异度高
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 测量指标的选择
 暴露指标 最好能代表接触剂量或生物作用剂量
 效应指标
 最早期生物效应标志、结构和功能改变、临床诊断标
志
 易感性指标
 一般选择抗体水平作为传染病易感性指标
 易感基因及其表达产物等作为慢性非传染病的易感性
标志
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生物标志的检测
 生物标志的特性
 分子特性
 时相特性
 个体内变异
 个体间变异
 群体间变异
 储存变异
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 生物标志物的检测方法
 核酸研究技术（DNA & RNA）
核酸体外扩增
 酶学技术
包括定性和定量检测，要
核酸电泳图谱
求一定的条件。
核酸酶切电泳图谱
多位点酶电泳法
核酸分子杂交
 蛋白质研究技术
 其它技术
免疫学技术、色谱技术、
生物芯片技术等。
凝胶电泳、蛋白质转印杂交、
色谱分析、蛋白质测序等。
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核
酸
分
子
杂
交
D
N
A
测
序
蛋
白
质
电
泳
液
相
色
谱
酶
联
免
疫
吸
附
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SNP 检测技术
凝胶时代：
主要技术和方法 ：限制性片段酶切多态
性（RFLP），单链构象多态性（SSCP），
寡核苷酸连接分析（OLA）等。
高通量时代：
按技术原理分 ：特异位点杂交
（ASH），特异位点引物延伸（ASPE），
特异位点切割（ASC）和特异位点连接
（ASL）等。
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Illumina高通量基因分型平台
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实验中的质量控制
 一般实验质量控制
 设立对照
 标本采集和储存
 标准对照
 试剂和材料
 空白对照
 仪器
 重复对照
 实验方法
 操作规范
 重复试验
 实验室内重复试验
 实验室间重复试验
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第四节 应用与展望
传染病的预防与控制
慢性非传染性疾病的预防与控制
健康风险评估与预测
展望
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传染病的预防与控制
 病原体的分离和检测
 病原生物进化变异规律研究
 传染源追踪
 确定传播途径
 传染病防制措施及其效果评价
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慢性非传染性疾病的预防与控制
 探索疾病的病因及发病机制
 评估个体易感性和确定高危人群
 慢性病防制措施的制定及其效果评价
 辅助疾病早期诊断及临床个体化治疗
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恶性肿瘤的形成过程及其影响因素
活化
前致
癌物
解毒
终致
癌物
损伤
DNA
损伤
修复
基因
突变
增生
凋亡
癌前
病变
恶性
肿瘤
遗传因素
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健康风险评估与预测
 随着分子生物学技术的发展，
人们对利用遗传标志来预测健
康个体患病风险的兴趣也越来
越浓厚。
 遗传标志用于健康风险评估与
预测的意义还存在诸多争议。
基因检测危险度评价
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展望
 随着基因组学、蛋白质组学、
生物信息学等学科的发展和
融合，以及先进的生物标志
检测技术、计算机技术、信
息技术和统计学方法等不断
引入，分子流行病学将面临
许多发新的发展机遇，但同
样也面临着一些新的挑战。
从科学研究
临床实践
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