分子流行病学概况.ppt

分子流行病学,EPIDEMOLOGY,起源于希腊词 EPI（在之中、之上）DEMO（人群）OLOGY（学问、学科）直译为“研究在人群中发生（事情）的学科。,庞迪亚克汽车与香草冰激凌的故事,美国通用汽车公司庞迪亚克厂收到一封投诉信：尊敬的总裁先生，您好。这是我第二次给您写信。我并不埋怨您不给我回信，因为我信中的投诉让人觉得我可能有点“神经”。但这确实是事实：我们家有个习惯，就是每天晚饭后大家都喜欢吃冰激淋。而且，喜欢饭后全家人投票决定吃什么类型的冰激淋。然后，我开车去超市买。,最近我买了贵厂的庞迪亚克新车。从此，我每次去买冰激淋就会发生一件怪事：我每次买香草素冰激淋，车就发动不了，买其他任何种类的冰激淋都没有问题，车照常发动。我想告诉您我不是没事找事和您开玩笑，这是真的。我想请教您：庞迪亚克轿车里有什么东西造成买香草素冰激淋车就发动不了，买其他任何种类的冰激淋都没有问题？难道庞迪亚克轿车对香草素冰激淋“过敏”？,庞迪亚克厂厂长很自然怀疑这封信是不是一个正常人写的。但他还是派了一个工程师去了解情况。工程师很惊奇地发现写信人是一个很有教养的成功人士，住在一个豪华小区。他于是晚饭后跟车主人一起去买冰激淋。正好，那天晚上是买香草素冰激淋。自然，车发动不起来。工程师又去了三个晚上。第一晚，买巧克力冰激淋。车顺利发动。第二晚，买草莓冰激淋。车顺利发动。第三晚，又买香草素冰激淋。车又发动不了了。难道他的轿车真的对香草素冰激淋“过敏”？！,工程师是个很理性的人。他不相信轿车会对香草素冰激淋“过敏”。怎么办？他决定每晚都跟车观察，直到解决问题。同时,他开始记录所有的观察过程：每天时间，汽油型号，来回所需时间，等等。在收集了几天的资料后，他发现一个规律：买香草素冰激淋的时间要比买其他的短。为什么？超市商品的摆放：香草素冰激淋放在前面。现在问题是为什么停车时间短就难发动而不是香草素冰激淋的问题了。工程师很快就有答案了：雾化装置需要足够时间冷却才能重新发动。,这个故事告诉我们：,亲眼看到的不一定是对的。但是经过科学武装的头脑却能够发现隐藏在现象背后的本质。Observation guided by scientific thinking are still the best safeguard against baloney and superstition.科学思维指导的观察至今仍然是抵抗胡说八道和迷信的最好保证。,什么是科学思维？,在人类健康和疾病问题上：许多时候我们碰到的是和上述故事相似的；人类疾病现在也不是单因素了，但可以通过系统调查找出病因或健康危险因素；流行病学可以为我们提供系统调查的思路和方法。什么思路？什么方法？,流行病学发展的历史,分子流行病学,（Molecular Epidemiology）,分子流行病学是近十几年才迅速发展起来的一门流行病学新分支，它是由传统流行病学学科发展的强烈需求和分子生物学理论和技术取得的巨大成就相结合的产物。,产生背景,(一)疾病预防控制中的需求传染性疾病 耐药性质粒；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。人群易感性 生物个体间的遗传和环境不同，易感性差异很大；传统流行病学无法有效测量。,产生背景,(二)分子生物学的快速发展 理论的突破 如：DNA双螺旋结构，遗传中心法则，遗传密码子，RNA逆转录，断裂基因，操纵子模型，限制性内切酶，DNA聚合酶，DNA连结酶，染色体外遗传物质等。技术的创新 凝胶电泳技术，核酸体外扩增，DNA测序，蛋白质测序，分子杂交，基因克隆，色谱技术，计算机应用。,发展历程 概念演变 国外 1972年，提出“流感分子流行病学”1977年，提出应用精细技术进行生物材料流行病 学研究,1986年，核心是运用实验室方法和分析流行病学，查明环境和宿主病因 1993年，提出流行病学中应用生物标志或生物学测量的功能定义 1996年，测量作为暴露和效应的生物标志即信息大分子如DNA、RNA和蛋白质,国内 1988年，从基因水平分析病原体特征，解决传染源和传播途径等流行病学问题 1992年，从分子至基因水平上研究医学事件分布及其决定因素和调控手段的学科,血清流行病学(seroepidemiology)应用血清学方法对血清中各种成分（包括抗原、抗体、生化物质等）的分布情况进行研究，以阐明疾病及健康状态在人群中的分布及其影响因素，并在采取预防措施后应用血清学方法来考核其效果。基于血清中生物标志，可列入分子流行病学的范畴。,人类基因组流行病学（human genome epidemiology,HuGE）将流行病学与基因组学相结合，研究人群中基因组信息与疾病和健康状态的关系。基于核酸生物标志的分子流行病学。,分子流行病学现状,研究内容更加丰富 传染病、慢性非传染病、健康状态。研究手段越来越多 主要是分子生物学方法和技术。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。,Numbers of Papers with Subject Words“Molecular Epidemiology”on Medline,1366,388,107,33,5,1,0,定义,分子流行病学 是研究人群中疾病/健康状态相关生物标志的分布及其影响因素、医学相关生物群体特征及其与人类疾病/健康的关系，制定防治疾病、促进健康的策略与措施的科学,定义注释 解决疾病或健康状态生物标志分布等 流行病学分支学科 研究对象 人群、医学相关生物群体等,三、与传统流行病学关系,健 康 者,“海平面”,疾病的“冰山现象”,亚临床者,患者,健 康 疾 病,主观感觉,客观指标,健康指标,疾病指标,模式I 暴露因素 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,健康疾病连续带示意图,亚健康态,潜在疾病态,健康态,临床态,亚临床态,临界疾病态,传统流行病学,暴露,疾病,分子流行病学,暴露,内剂量,生物有效剂量,早期生物效应,结构功能改变,临床疾病,疾病预后,暴露标志,疾病标志,易感标志,分子流行病学主要研究内容,疾病的病因探讨及病因致病机制的研究疾病易感性的测定 疾病防治措施的研究疾病治疗效果和预后评价,疾病的病因探讨及病因致病机制的研究,传染病病因及流行规律的探讨 已知传染病的病原体及流行特点 新发现传染病的病原体及流行特点非传染病病因及病因致病机制的研究 心血管病的研究 肿瘤的研究,传染病预防控制,病原体耐药、新病原体的出现、病原体变异、发病谱的变化、传染源的判定、传播途径复杂化、疫苗免疫效果下降等，大多需要应用分子流行病学来解决。病原体研究疫苗及免疫预防制剂的研究防治对策和措施研究及其效果评价,慢性非传染病预防控制,暴露测量更加科学、准确；如将暴露测量分为外暴露、内暴露、生物作用剂量等；易感性研究深入到基因和分子水平；防治措施效果评价更加有效。,健康状态研究,以生物标志为基础的健康状态分布及其影响因素研究正在受到人们的重视；由于健康相关生物标志的精确测量，使健康促进从模糊走向科学；随着分子流行病学对不同生物标志分布及其影响因素研究的深入，人们对健康和疾病的发生、发展过程将有更加深入、细致的了解。,生物标志,指能代表生物结构和功能的可识别物质。分子事件（molecular event）或分子生物标志（molecular biomarker）主要指代表生物结构和功能的生物大分子特征。如DNA、RNA、蛋白质等。,生物标志物,种类暴露标志 与疾病或健康状态有关的暴露因素的生物标志，包括外暴露标志和内暴露标志。效应标志 指宿主暴露后产生功能性或结构性变化的生物标志，如突变的基因、畸变的染色体等。易感标志 指宿主对疾病发生、发展易感程度的生物标志。,外环境暴露,生物性外暴露标志,非生物性外暴露标志,主要有细菌、病毒、寄生虫和毒素等,主要有空气、水、土壤、农药、电离辐射等理化因子。,一、暴露标志,内暴露剂量,内暴露标志的剂量是指被宿主吸收的外源性暴露物质的量，这是外源性物质进入人体的可靠依据。内剂量的测定（internal dose meters）已被广泛地应用于测定人体对外源性致癌物和有毒物的暴露水平。,高敏感度的分析方法和免疫测定使对不同细胞、组织和体液中的低浓度的化学致癌物及其代谢产物的测定成为可能。内暴露剂量生物标志可反映机体在吸收、代谢的生物转运过程中的个体差异，并可定量地显示体内组织和器官的实际暴露水平和分布。在进行研究设计时，要充分考虑暴露物在体内的半衰期。,内暴露剂量包括对化学毒物、饮食中的营养素和可能致癌剂以及微生物感染的测定。例如：,吸烟-血或尿中的烟草代谢产物可丁宁浓度多环芳烃-尿中的1-羟基芘水平饮食暴露-黄曲霉毒素B1(AFB1)和尿中N-亚硝基化合物（N-nitroso compounds）的浓度、血液中营养素水平工作暴露和环境污染-血清或脂肪组织中的杀虫剂DDT（dichloro-diphenyl-trichloroethane）、多氯联苯PCBs（polychlorinated biphenyl）、二氧杂芑（Dioxins）环氧化物含量吸烟和环境污染-尿中的致突变因子（mutagenicity）的测定。,二、效应标志,1、早期生物效应（early biological response）：反映疾病谱中多阶段致癌的结果。由于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。,早期生物效应包括体细胞的改变 如：染色体畸变（aberrations）小片段缺失（small deletion or less of heterozygosity）点突变（point mutation）体细胞基因突变的形式和特征的研究可提示特异性突变点与特异性环境暴露的关系，因此特异性的基因突变有可能作为特异性环境暴露的指征。,2.癌基因和抑癌基因,癌基因（oncogen）原癌基因（proto-oncogenes）抑癌基因(Tumor Suppressor Genes)对癌基因和抑癌基因的研究可加深我们对肿瘤生物学和致癌过程的认识。肿瘤癌基因（如Ras基因）和抑制基因(如P53基因)的点突变可能是不同类型的肿瘤及特异性环境暴露的指征。,Macmahon 致癌假设：,环境因素可能通过基因突变的机制来影响肿瘤的发生，而遗传因素在环境因素对肿瘤的作用中可能起修饰作用。,一些促癌剂、体外生物、自然和人工合成的雌、雄激素主要是通过引起基因表达和细胞生长、死亡、分化的紊乱导致癌。对这些物质生物效应的测定方法正在研究之中。机体组织结构或功能的改变引起疾病亚临床阶段和疾病发生过程中的效应标志和对进行筛检、诊断、治疗和预后判断有重要价值的疾病标志（Markers of disease）都是目前医学研究的热点。,三、易感性标志,易感性标志是指能够直接增加肿瘤危险性或者通过修饰环境因素暴露来增加肿瘤危险性的遗传多态性（polymorphism）基因及其基因产物，是机体在暴露前就已存在的遗传性或获得性的可测量指标。虽然这一类基因能够增加发病风险，是决定从暴露到发病整个进程的重要因素，但并非所有携带突变或多态性基因的人都会发生癌症。,高危险易感基因,高危险基因具有高度的外显性，即有突变基因的人其患肿瘤的危险很高，但此类基因的人群频率很低，环境暴露和此类基因产生交互作用的可能性比较小，所以人群的归因危险度低。对高危险基因突变的检测可用来评估个体发生肿瘤的危险性，有利于采取有针对性的预防措施，也可用于遗传咨询。,大肠癌与家族性腺癌息肉病（FAP),FAP:我国的发病率为1.5/10万20岁出现结直肠息肉40岁以上腺瘤癌变癌变率100%FAP与APC密切相关,低危险易感基因,低危险性易感基因一般都具有基因多态性，致癌危险性较小，主要通过与环境因素的协同作用使癌症的危险性增高，相对危险度一般小于2，外显率较低，但人群的基因多态的频率较高，一般大于2%，故人群归因危险性较高。,高危险易感基因和低危险易感基因的比较,代谢酶基因,这类基因在人群中具有不同的基因型，有些基因型可通过影响代谢过程，通过活化或解毒来增加或减少对致癌物暴露的效应。因为代谢酶基因多态在人群中的频率相对较高，而且一些肿瘤的危险因素（例如吸烟）在人群中也普遍存在，所以代谢酶基因-环境交互作用对人群归因危险性的影响较大。,I相代谢酶,生物转化的I相反应主要包括氧化（oxidation）、还原(reduction)和水解（hydrolysis）。通过I相反应，使化学毒物的分子暴露、增加其功能基团或增高其水溶性，成为适合于II相反应的底物。其代表如细胞色素P-450酶系，又称为单加氧酶(monooxygenase),属I相代谢酶，是一组能够代谢活化致癌物和细胞毒素的代谢酶。,II相代谢酶,通过II相反应，大部分化学毒物生成易于从机体内排泄的水溶性结合产物。其代表如谷胱甘肽硫转移酶系GST），是体内重要的解毒酶系，它可直接与亲电子化合物反应，增加其水溶性而有利于排出体外，从而达到解毒的目的。,个体间代谢酶特别是II相酶活性的差异可反映机体对肿瘤易感性的差异。,Figure.GSTM1 and GSTT1 genotyping from buccal cell DNA.Case 5 is null for the GSTT1 genotype.Case 2 is null for the GSTM1 genotype,GST T1,GST M1,beta-globin,Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5,生物标志的筛选,具有较好的特异性和稳定性检测方法具有较高的灵敏度，特异度高检测方法快速、简便,生物标志物特性,分子特性 化学结构、组成、物理特性和稳定性等时相特性 即生物标志在不同HDC阶段的表现和意义个体内变异 生物标本采集时间、部位等不同造成个体间变异 不同生物个体的检测结果不相同群体间变异 不同生物群体的检测结果不相同储存变异 生物标志的生物特性、储存条件、储存时间等都会影响其检测结果,生物标志检测方法,实用性研究样本一般较大一定的实验室条件可信性 可信性强有效性 灵敏度和特异度，注意区分流行病学的灵敏度和实验室测量中所谓的敏感性的不同,研究实例 1研究题目 波兰某工业区环境中芳香族化合物暴露人群的DNA加合物研究测量指标 DNA加合物/淋巴细胞DNA（介质）测量方法 荧光检测竞争ELISA法、DNA加合物32P后标记技术研究设计 横断面分析研究 暴露组 煤焦油作业工人 对照组 当地城市居民、近郊农民 排除年龄、吸烟、其他职业暴露等因素影响 比较3组DNA加合物水平,结果分析 当地城市居民（19例）与煤焦沥青作业工人（63例）的DNA加合物水平和谱型相似 近郊农民（15例）的DNA加合物水平仅为煤焦油作业工人的1/2或1/3 结论 环境中芳香族化合物（煤焦油）暴露可导致体内DNA加合物水平质量控制 每份标本同时在不同实验室检测 结果一致性好(r=0.66,p0.01),研究实例 2研究题目 应用HBV-DNA序列多态性研究HBV的传播测量标志 HBV 2551-2650位点核酸序列/血清HBV-DNA 测量方法 ELISA法和PCR法 研究设计 病例对照研究（病例病例研究）96名HBeAg阳性儿童和用ELISA检测HBV血清阳性的97名父母 假设该位点核酸序列在儿童与父母之间分配是随机的结果分析 该序列在儿童和父母之间是非随机分配的（P0.00005)结论 HBV具有家庭内传播质量控制 关于家庭成员之间1%的序列差异的解释 排除了PCR错配可能,