Molecular Epidemiology 第十六章 分子流行病学 Molecular Epidemiology

目录 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。

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。

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。

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。

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。

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”。

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。

人类基因组计划 1990年启动，2003年发表完整的基因序列图

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。

人类基因组流行病学网站 - HuGE Net

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。

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。

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。

与传统流行病学的关系 传统流行病学 ？ 分子流行病学 Exposure Cancer

患者 “海平面” 亚临床者 健 康 者 “冰山” 现象

（health-disease continuum，HDC） ┏━━━━┳━━━━━╋━━━━━┳━━━━┓ 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 健康态←→ 亚健康态←→ 潜在疾病态←→ 临界疾病态←→ 亚临床态←→ 临床态 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）

图16-2 传统流行病学与分子流行病学的关系（EDC模型） （Schulte,1993） 暴露 疾病 ？ 前瞻性研究 回顾性研究 传统流行病学 分子流行病学 疾病 暴露 图16-2 传统流行病学与分子流行病学的关系（EDC模型） （Schulte,1993）

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16-4 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16-5 易感性标志: GSTM1遗传缺陷导致的代谢能力的改变 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）

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。

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。

生物有效剂量标志 苯并（a）芘、亚硝胺 白细胞 生物学标志 环境暴露物质 生物材料 环氧乙烯 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。 DNA加合物 苯并（a）芘、亚硝胺 白细胞 生物学标志 环境暴露物质 生物材料 蛋白质加合物 （血红蛋白） 环氧乙烯 红细胞

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。

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。

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。

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。

表16-1 高危险易感基因和低危险易感基因的特征比较 外显性 高 低 相对危险度RR 归因危险度AP 人群归因危险度PAR 基因频率 ≤1% 1%~90% 分析方法 连锁分析（linkage） 关联分析（association） 环境影响 相对较小 非常重要

Genetic Diversity (遗传多样性) 单核苷酸多态性（SNPs）

指在人群中出现的频率≥1%的先天DNA突变。 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。

人类基因组计划 Biology SNPs Response Disease Prevention 单核苷酸多态性 （Nature, 2003）

第三节 主要研究方法 研究设计和分析 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 生物标志的选择和检测 生物标志的选择 生物标志的检测 实验中的质量控制

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

研究设计与实施 研究目的 调查方法与样本 测量指标 测量方法 结果与分析 质量控制 注意事项

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

表16-2 XRCC1 T>C多态性与肺癌易感性 基因型 病例组(710例) 对照组(710例) 粗OR (95%CI) No % No % 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)

人群 个体 易感性 基因－环境交互作用 环境 暴露 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 OR - a b OR00 =1.00 + c d OR01=cb/ad e f OR10=eb/af g h OR11=gb/ah * 1-暴露，0-非暴露。OR10为基因的主效应，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。

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 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)。

生物标本选择和储存 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 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

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

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

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

生物标志物的检测方法 酶学技术 核酸研究技术（DNA & RNA） 包括定性和定量检测，要求一定的条件。 多位点酶电泳法 核酸体外扩增 其它技术 免疫学技术、色谱技术、生物芯片技术等。 核酸研究技术（DNA & RNA） 核酸体外扩增 核酸电泳图谱 核酸酶切电泳图谱 核酸分子杂交 蛋白质研究技术 凝胶电泳、蛋白质转印杂交、 色谱分析、蛋白质测序等。

核酸分子杂交 DNA测序 蛋白质电泳 液相色谱 酶联免疫吸附

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。

Illumina高通量基因分型平台

实验中的质量控制 设立对照 一般实验质量控制 标准对照 标本采集和储存 空白对照 试剂和材料 重复对照 仪器 重复试验 实验方法 实验室内重复试验 实验室间重复试验 一般实验质量控制 标本采集和储存 试剂和材料 仪器 实验方法 操作规范

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

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

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

恶性肿瘤的形成过程及其影响因素 前致 癌物 终致 癌物 DNA 损伤 基因 突变 癌前 病变 恶性肿瘤 遗传因素 活化 解毒 凋亡 增生 修复 损伤 前致 癌物 终致 癌物 DNA 损伤 基因 突变 癌前 病变 恶性肿瘤 遗传因素

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

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