16分子流行病學(xué)

分子流行病學(xué)

分子流行病學(xué)是研究人群和生物群體中醫(yī)學(xué)相關(guān)生物標(biāo)志的分布及其與疾病/健康的關(guān)系和影響因素，并研究防制疾病、促進健康的策略與措施的科學(xué)。

生物標(biāo)志

生物標(biāo)志主要指從暴露到疾病這個連續(xù)過程中可測量的、能反映功能或結(jié)構(gòu)變化的細胞、亞細胞、分子水平的物質(zhì)。

分子流行病學(xué)的研究首先必須確定生物標(biāo)志。

分子流行病學(xué)在疾病防制中作用的主要表現(xiàn)

①研究內(nèi)容更加豐富：

分子流行病學(xué)從最初研究傳染病，后來逐漸擴展到疾病和健康狀態(tài)相關(guān)生物標(biāo)志的分布、影響因素、人群易感性、防治效果評價、預(yù)后分析及病原生物進化變異規(guī)律和檢測手段等。

②研究手段越來越多。

③應(yīng)用范圍不斷擴大。

④系統(tǒng)流行病學(xué)正在興起：

系統(tǒng)流行病學(xué)的概念應(yīng)運而生，已經(jīng)逐漸成為一個由流行病學(xué)人群觀察、干預(yù)研究與系統(tǒng)生物學(xué)概念交叉形成的新興學(xué)科。

分子流行病學(xué)與傳統(tǒng)流行病學(xué)的關(guān)系

①傳統(tǒng)流行病學(xué)以觀察病例發(fā)生或死亡為基礎(chǔ)進行描述和分析，這種以“病例為基礎(chǔ)”的研究只能涉及“冰山”的頂部，分子流行病學(xué)的發(fā)展，使得探索并闡明“海水下面的冰山”成為可能，即通過研究疾病發(fā)生發(fā)展過程中的各類分子事件(或分子生物標(biāo)志)，將疾病的發(fā)生發(fā)展過程表現(xiàn)為一系列相關(guān)分子事件的相互作用及分布變遷，繪制分子水平的疾病自然史，即健康-疾病連續(xù)帶(HDC)。

HDC對于深入了解疾病的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，防制疾病、促進健康等具有重要意義。

②傳統(tǒng)流行病學(xué)在研究暴露與疾病關(guān)系時，通常從宏觀出發(fā)觀察人群是否暴露于某病因或危險因素，然后根據(jù)最終發(fā)病、死亡或出現(xiàn)其他事件的結(jié)果來推斷疾病病因，難以得到暴露和疾病之間關(guān)系的直接證據(jù)，不能適應(yīng)現(xiàn)代疾病防制的需要。而分子流行病學(xué)應(yīng)用分子生物學(xué)技術(shù)從分子和基因水平闡明生物標(biāo)志在人群中的分布及其與疾病/健康的關(guān)系和影響因素，可以全面闡明疾病自然史，打開傳統(tǒng)流行病學(xué)中的“黑匣子”，為病因?qū)W研究和防治措施評價開辟新的途徑。

③分子流行病學(xué)不是一門獨立的學(xué)科，是傳統(tǒng)流行病學(xué)研究的發(fā)展和深入。它雖然應(yīng)用了許多分子生物學(xué)的技術(shù)進行生物標(biāo)志物的檢測，能比較客觀地反映暴露水平，但是從課題設(shè)計直至資料分析仍沿用了傳統(tǒng)流行病學(xué)的基本研究方法。

遺傳流行病學(xué)

遺傳流行病學(xué)是研究與遺傳有關(guān)的疾病在人群中的分布、病因以及制定防制對策的學(xué)科，一般以家系研究為重點，著重關(guān)注所研究疾病是否存在家族聚集性及其產(chǎn)生原因，疾病在家系中的傳遞方式等問題，其觀察指標(biāo)有同病率、遺傳度等。

當(dāng)采用傳統(tǒng)病例對照研究對復(fù)雜性疾病進行遺傳(基因)與環(huán)境交互作用分析時，遺傳流行病學(xué)與分子流行病學(xué)所采用的研究技術(shù)和分析方法基本一致。

分子流行病學(xué)研究中的生物標(biāo)志的分類

分子流行病學(xué)研究中的生物標(biāo)志總體上可分為三類：

暴露生物標(biāo)志，簡稱暴露標(biāo)志；

效應(yīng)生物標(biāo)志，簡稱效應(yīng)標(biāo)志；

易感生物標(biāo)志，簡稱易感性標(biāo)志。易感性標(biāo)志可以潛在地修飾從暴露到疾病發(fā)生及預(yù)后的每一步驟。

生物標(biāo)志的分類不是絕對的，就某一種生物標(biāo)志而言，它們的概念是相對的；比如某基因的突變，當(dāng)我們研究影響其分布的原因時，它是效應(yīng)標(biāo)志；但當(dāng)我們研究其與疾病發(fā)病的關(guān)系時，該突變又成了影響因素或暴露標(biāo)志。生物標(biāo)志的分類應(yīng)根據(jù)具體情況而定。

暴露標(biāo)志

與疾病或健康狀態(tài)有關(guān)的暴露因素的生物標(biāo)志稱為暴露標(biāo)志，主要包括外暴露標(biāo)志、內(nèi)暴露劑量標(biāo)志和生物有效劑量標(biāo)志。

（1）外暴露標(biāo)志

外暴露標(biāo)志是指暴露因素進入機體之前的標(biāo)志和劑量，可分為生物性的和非生物性的。

生物性因素主要有細菌、病毒、寄生蟲和毒素等，主要用于病原生物的分子分型/分類和檢測鑒定，病原生物進化變異規(guī)律研究，以及傳染病病原體傳播途徑的研究等。

非生物性因素主要包括外在的化學(xué)、物理因素等，是確定與內(nèi)暴露和早期生物效應(yīng)相關(guān)的暴露劑量或比例，為進一步的內(nèi)暴露和早期效應(yīng)研究提供證據(jù)。

（2）內(nèi)暴露劑量標(biāo)志

內(nèi)暴露劑量標(biāo)志是指被宿主吸收的外源性暴露物質(zhì)的量，這是外源性物質(zhì)進入人體的可靠依據(jù)，已被廣泛應(yīng)用于測定人體對外源性致癌物和有毒物的暴露水平。

內(nèi)暴露劑量不僅能反映多種途徑暴露的總水平，而且能避免機體在吸收、代謝的生物轉(zhuǎn)運過程中個體差異的影響，定量地顯示體內(nèi)組織和器官的實際暴露水平和分布。

內(nèi)暴露劑量標(biāo)志包括對化學(xué)毒物、飲食中的營養(yǎng)素和可能致癌劑以及微生物感染的測定等。在進行研究設(shè)計時，要充分考慮暴露物在體內(nèi)的半衰期。

（3）生物有效劑量標(biāo)志

生物有效劑量指經(jīng)吸收、代謝活化、轉(zhuǎn)運，最終與靶組織細胞內(nèi)或蛋白質(zhì)相互作用的外源性物質(zhì)或其反應(yīng)產(chǎn)物的含量。

它是反映靶細胞分子內(nèi)接觸劑量的生物標(biāo)志物，主要包括DNA加合物、蛋白質(zhì)加合物、DNA蛋白交聯(lián)物（DPC）等。

效應(yīng)標(biāo)志

宿主暴露后產(chǎn)生功能性或結(jié)構(gòu)性變化，并進一步引起疾病亞臨床階段和疾病發(fā)生過程的生物標(biāo)志稱為效應(yīng)標(biāo)志，主要包括早期生物效應(yīng)標(biāo)志、結(jié)構(gòu)和（或）功能改變標(biāo)志、臨床疾病標(biāo)志等。

（1）早期生物效應(yīng)標(biāo)志

由于結(jié)合到靶組織上的外源性物質(zhì)的持續(xù)作用，引起組織細胞的生物改變，從而產(chǎn)生疾病前期的生物標(biāo)志，稱為早期生物效應(yīng)標(biāo)志。

由于早期生物效應(yīng)常是暴露因素直接作用的結(jié)果，應(yīng)用此類標(biāo)志物可以更好地研究不同暴露因素的作用強度和作用機制。

早期生物效應(yīng)標(biāo)志主要包括細胞毒性反應(yīng)，染色體畸變，DNA、RNA和蛋白表達，DNA甲基化水平，以及細胞功能的一些早期變化等。

（2）結(jié)構(gòu)和（或）功能改變標(biāo)志

主要指形態(tài)學(xué)或功能學(xué)的改變，是在暴露-疾病連續(xù)帶中更接近觀察終點，即疾病發(fā)生的標(biāo)志物。此時，一些增生或癌前病變可能已經(jīng)發(fā)生，通過標(biāo)準(zhǔn)的病理學(xué)方法即可檢測。結(jié)構(gòu)和（或）功能改變標(biāo)志通常來自于靶器官的組織。

（3）臨床疾病標(biāo)志

指疾病發(fā)生后特有的分子生物標(biāo)志，對于了解發(fā)病機制、進行早期診斷及選取個體化治療方案等有著重大意義。

易感性標(biāo)志

在暴露因素作用下，宿主對疾病發(fā)生、發(fā)展易感程度的生物標(biāo)志，稱之為易感性標(biāo)志物。

疾病易感性研究主要關(guān)注遺傳易感性，即由個體遺傳背景差異所導(dǎo)致的不同個體對同一疾病易感程度或治療反應(yīng)的強弱。

遺傳易感性生物標(biāo)志是機體穩(wěn)定存在的遺傳性的可測量指標(biāo)，這種生物標(biāo)志可以是基因型的改變，也可以是功能學(xué)或者表型的改變。

遺傳易感性研究根據(jù)其研究設(shè)計的不同特點，分為：

（1）候選基因策略的易感性研究

候選基因策略就是研究者根據(jù)已知的基因結(jié)構(gòu)或功能特點，提出某個或某些（通常是幾個或幾十個）基因可能與待研究疾病易感性存在關(guān)聯(lián)的科學(xué)假設(shè)?；谶@樣的科學(xué)假設(shè)，選擇位于特定基因上的一定數(shù)量的遺傳標(biāo)志，并對其與疾病易感性的關(guān)系進行研究。這種研究設(shè)計的優(yōu)點是比較容易開展，科學(xué)假設(shè)明確，便于闡述遺傳標(biāo)志與疾病易感性的潛在作用機制，缺點是單次研究所涉及的基因和遺傳標(biāo)志數(shù)量有限，效率不高。

（2）全基因組關(guān)聯(lián)研究策略的易感性研究

日益降低的檢測成本和不斷提升的檢測通量，促使遺傳易感性研究不斷衍生發(fā)展，全基因組關(guān)聯(lián)研究（GWAS）應(yīng)運而生。

全基因組關(guān)聯(lián)研究利用高通量的基因分型平臺同時檢測幾十萬甚至上百萬個，同時具有大樣本量和多階段驗證的設(shè)計特點，研究效率很高。

分子流行病學(xué)研究設(shè)計

一般來說，流行病學(xué)描述性、分析性、實驗（干預(yù)）性研究方法都可以應(yīng)用于分子流行病學(xué)研究，可以根據(jù)不同的研究內(nèi)容采用不同的研究設(shè)計。

①病例-對照研究

與傳統(tǒng)病例-對照研究的設(shè)計和分析思路一樣，需要盡可能選擇合適、可比的對照和控制偏倚。

以基因多態(tài)性與遺傳易感性研究為例，對照應(yīng)該選自產(chǎn)生病例的人群，應(yīng)具有較好的代表性。

②病例-病例研究：也稱單純病例研究。

其基本原理是：把不同臨床類型或具有某些生物學(xué)標(biāo)志的病例與無標(biāo)志的病例按照病例對照研究的方式處理資料，以探討不同臨床類型的危險因素的差異或者這個生物學(xué)標(biāo)志與該病的其他危險因素之間的關(guān)系和相互作用。

病例-病例研究的基本特征是僅用病例作為研究對象，對測定環(huán)境因素與遺傳因素之間的交互作用評價具有獨特的價值，所需樣本量小，精確度相應(yīng)提高，同時也避免了由于選擇對照而可能產(chǎn)生的選擇偏倚。

③巢式病例對照研究

巢式病例對照研究是基于大樣本人群隊列的病例對照研究，由于在基線調(diào)查時就已經(jīng)收集暴露信息并采集了生物樣本，可以避免選擇偏倚和信息偏倚，使研究對象更具有代表性和可比性，非常適合分子流行病學(xué)研究。

④基于家系設(shè)計的連鎖分析

連鎖分析是在家系成員樣本中進行基因分型，并運用遺傳統(tǒng)計分析方法，通過繪制遺傳關(guān)系圖譜，判斷遺傳相關(guān)疾病的遺傳方式和傳遞規(guī)律，鑒定表型相關(guān)基因或區(qū)域的重要流行病學(xué)分析方法。

生物標(biāo)本庫的概念

通常將儲存有一種類型或多種類型生物標(biāo)本，并能保持它們的生物活性以供研究之用的系統(tǒng)稱為生物標(biāo)本庫（BSB），如血清庫、組織庫、病原生物庫等。

生物標(biāo)本庫建立的要點

①在采集和儲存過程中不能受到“污染”，包括外界生物的、化學(xué)的和其他標(biāo)本的“交叉污染”；

②儲存的生物標(biāo)本在有效時間內(nèi)進行檢測都可以獲得穩(wěn)定一致的結(jié)果；

③所有的生物標(biāo)本都應(yīng)有詳細的背景材料和鑒別標(biāo)識。

分子流行病學(xué)研究中常見的生物標(biāo)本

常用的生物標(biāo)本有：病原生物標(biāo)本、血液（血清、血漿、白細胞、紅細胞）標(biāo)本、組織標(biāo)本、其他生物標(biāo)本（如唾液、胃液、尿液、精液、頭發(fā)、媒介生物等）。

生物標(biāo)志選擇的原則

（1）在分子流行病學(xué)研究中，應(yīng)根據(jù)研究目的的不同，選擇相應(yīng)的生物標(biāo)志。

①若要研究暴露及其水平與疾病的關(guān)系，則選擇暴露標(biāo)志物；

②探討暴露引起的生物學(xué)效應(yīng)及其與疾病的關(guān)系，可選擇效應(yīng)標(biāo)志；

③研究易感性在疾病發(fā)生發(fā)展中的作用，則必須確定易感性標(biāo)志；

④需要進行多方面的綜合研究，就要選擇多項(類)生物學(xué)標(biāo)志等。

（2）生物標(biāo)志應(yīng)特異、穩(wěn)定。

（3）標(biāo)本采集、儲存方便。

（4）檢測方法簡單、實用，而且操作規(guī)范，便于與同類研究結(jié)果比較。

（5）檢測方法靈敏度和特異度高。

測量指標(biāo)的選擇

（1）暴露指標(biāo)：

①選擇能代表接觸劑量的指標(biāo)以便于進行大樣本人群研究和制定疾病防制策略措施；

②選擇能代表生物作用劑量的指標(biāo)以便進一步研究早期生物效應(yīng)。

（2）效應(yīng)指標(biāo)：

①一般以最早期生物效應(yīng)標(biāo)志作為探索暴露因素的致病作用或干預(yù)措施的短期效果評價指標(biāo)；

②選擇結(jié)構(gòu)和功能改變作為確定暴露的致病作用和早期診斷、早期預(yù)防的指標(biāo)；

③應(yīng)用臨床診斷標(biāo)志作為干預(yù)措施長期效果評價或預(yù)后的指標(biāo)。

（3）易感性指標(biāo)：

①傳染病易感性標(biāo)志一般選擇抗體水平；

②易感基因及其表達產(chǎn)物等可作為慢性非傳染病的易感性標(biāo)志。

生物標(biāo)志特性

①分子特性即生物標(biāo)志的化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成、物理特性、穩(wěn)定性等；

②時相特性：即生物標(biāo)志在不同進展階段的表現(xiàn)和意義；

③個體內(nèi)變異由于生物標(biāo)本采集時間、部位等不同，即使同一個體生物標(biāo)本檢測的結(jié)果也可能具有一定差異；

④個體間變異：不同生物體之間生物標(biāo)志檢測結(jié)果的差異；

⑤群體間變異：不同生物群體(如年齡、性別、民族等)生物標(biāo)志檢測結(jié)果的差異；

⑥儲存變異：生物標(biāo)志的生物特性、儲存條件、儲存時間等都會影響其檢測結(jié)果。

實驗中的質(zhì)量控制要點

（1）標(biāo)本采集和儲存：

①采集的主要影響因素有采集部位、時間和方法；

②儲存的影響因素有儲存溫度、時間和標(biāo)本介質(zhì)等。

（2）試劑和材料：

同一測定指標(biāo)最好使用同一批次的試劑材料，確需使用兩批及以上試劑材料時，則不同批次要進行對比分析和標(biāo)準(zhǔn)化。

（3）儀器：

原則上使用前對儀器進行統(tǒng)一調(diào)校，不要隨意更換，特別是有量度的儀器設(shè)備。

（4）實驗方法：

一項研究中，同一種生物標(biāo)志的測量方法要統(tǒng)一。

（5）操作規(guī)范：

每一步驟都要制定操作規(guī)范，要保證操作者內(nèi)(即同一操作者)和操作者間(即不同操作者)的可重復(fù)性。

（6）設(shè)立對照和重復(fù)實驗也是進行實驗室質(zhì)量控制的重要原則。

分子流行病學(xué)的應(yīng)用

（1）傳染病防制：傳染病的分子流行病學(xué)研究主要指對某一種傳染病的病原體在基因水平上分析其特征；從而更準(zhǔn)確地解決傳染病相關(guān)的傳染源、傳播途徑等流行病學(xué)問題。

①病原體的分離和檢測

②病原生物進化變異規(guī)律研究

③傳染源追蹤

④確定傳播途徑

⑤傳染病防制措施及其效果評價

⑥宏基因組學(xué)在病原體的鑒定中的應(yīng)用和前景

（2）慢性非傳染性疾病防治

①探索疾病的病因及發(fā)病機制

②評估個體易感性和確定高危人群

③慢性病防治措施的制定及其效果評價

④輔助疾病精準(zhǔn)診療

（3）健康風(fēng)險評估與預(yù)測

分子流行病學(xué)將面臨的新挑戰(zhàn)

①在流行病學(xué)設(shè)計上，強調(diào)嚴格的流行病學(xué)研究設(shè)計和質(zhì)量控制，大規(guī)模的隊列研究是最理想的。

②分子流行病學(xué)研究應(yīng)該更加注重臨床轉(zhuǎn)化。

③醫(yī)學(xué)或生命科學(xué)研究不僅僅要關(guān)注人體本身，還要充分認識人所處的環(huán)境。

④精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)的理念被理解和認可，多組學(xué)、大數(shù)據(jù)等新興理念和技術(shù)手段是精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)得以實現(xiàn)的重要基石。

要使多維組學(xué)的海量數(shù)據(jù)充分發(fā)揮起作用，必須將其置于分子流行病學(xué)思想的框架之下。

因個人水平有限，以上總結(jié)如有不當(dāng)之處，請批評指正。