流行病學(xué)第十六章-分子流行病學(xué)ppt課件

1、流行病學(xué),胡志斌 南京醫(yī)科大學(xué) 杜江波 南京醫(yī)科大學(xué),第十六章 分子流行病學(xué)（Molecular Epidemiology,目錄,第一節(jié)：概述,第二節(jié)：生物標(biāo)志,第三節(jié)：主要研究方法,第四節(jié)：應(yīng)用和展望,01,02,03,04,重點(diǎn)難點(diǎn),分子流行病學(xué)的科學(xué)內(nèi)涵 分子標(biāo)志的范疇和應(yīng)用 分子流行病學(xué)研究設(shè)計(jì)與實(shí)施,第一節(jié) 概述,分子流行病學(xué)中的“分子”是指應(yīng)用分子生物學(xué)理論和技術(shù)來解決流行病學(xué)問題，而“流行病學(xué)”則是指從流行病學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，運(yùn)用流行病學(xué)研究方法探討分子生物學(xué)技術(shù)在人群生物樣本中所檢測(cè)到的結(jié)果，將實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為對(duì)人群中疾病病因、發(fā)病機(jī)制的詮釋,一）分子流行病學(xué)的定義,第一節(jié) 概述,

2、根據(jù)分子流行病學(xué)的研究?jī)?nèi)容，結(jié)合宏觀流行病學(xué)的定義，目前較為公認(rèn)的分子流行病學(xué)的定義為：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，并研究防治疾病、促進(jìn)健康的策略與措施的科學(xué),一）分子流行病學(xué)的定義,第一節(jié) 概述,分子流行病學(xué)的產(chǎn)生背景,二）發(fā)展簡(jiǎn)史,第一節(jié) 概述,1.傳染病的防制出現(xiàn)了一些新的課題。 2.分子生物學(xué)理論和技術(shù)的迅速發(fā)展,分子流行病學(xué)的發(fā)展歷程,二）發(fā)展簡(jiǎn)史,第一節(jié) 概述,1.分子流行病學(xué)概念的演變 2.人類基因組流行病學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展 3.分子流行病學(xué)在我國(guó)的發(fā)展 4.分子流行病學(xué)的應(yīng)用現(xiàn)狀,傳統(tǒng)流行病學(xué)以觀察病例發(fā)生或死亡為基礎(chǔ)進(jìn)

3、行流行病學(xué)描述和分析，這種以“病例為基礎(chǔ)”的流行病學(xué)所能研究的僅是“冰山”的頂部，而更大的、隱沒在“海水”中的部分“海水下面的冰山”則具有更重要的流行病學(xué)和公共衛(wèi)生意義。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，我們稱之為健康-疾病連續(xù)帶（health-disease continuum，HDC）。HDC對(duì)于深入了解疾病的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，防治疾病、促進(jìn)健康等具有重要意義,三）與傳統(tǒng)流行病學(xué)的關(guān)系,第一節(jié) 概述,三）與傳統(tǒng)流

4、行病學(xué)的關(guān)系,第一節(jié) 概述,三）與傳統(tǒng)流行病學(xué)的關(guān)系,第一節(jié) 概述,三）與傳統(tǒng)流行病學(xué)的關(guān)系,第一節(jié) 概述,分子流行病學(xué)研究實(shí)際上是將生物標(biāo)志的檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于常規(guī)的流行病學(xué)研究中。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（exposure biomarker），簡(jiǎn)稱暴露標(biāo)志（exposure marker，Mexp）；效應(yīng)生物標(biāo)志（effect biomarker），簡(jiǎn)稱效應(yīng)標(biāo)志（effect marker，Meff）；易感生物標(biāo)志（susceptibility biomarker），簡(jiǎn)稱易感標(biāo)志（susceptibility marker，Msus）。其中，易感性標(biāo)志可以潛

5、在地修飾從暴露到疾病發(fā)生及預(yù)后的每一步驟,三）與傳統(tǒng)流行病學(xué)的關(guān)系,第一節(jié) 概述,第二節(jié) 生物標(biāo)志,一）暴露標(biāo)志,第二節(jié) 生物標(biāo)志,與疾病或健康狀態(tài)有關(guān)暴露因素的生物標(biāo)志稱為暴露標(biāo)志，主要包括外暴露（external exposure）標(biāo)志、內(nèi)暴露劑量（internal dose）標(biāo)志和生物有效劑量（biologically effective dose）標(biāo)志。 1.外暴露標(biāo)志 2.內(nèi)暴露劑量標(biāo)志 3.生物有效劑量標(biāo)志,二）效應(yīng)標(biāo)志,第二節(jié) 生物標(biāo)志,宿主暴露后產(chǎn)生功能性或結(jié)構(gòu)性變化，并進(jìn)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)（early biolog

6、ical response）標(biāo)志、結(jié)構(gòu)和（或）功能改變（altered structure and function）標(biāo)志、臨床疾病（clinical disease）標(biāo)志等。 1.早期生物效應(yīng)標(biāo)志 2.結(jié)構(gòu)和（或）功能改變標(biāo)志 3.臨床疾病標(biāo)志,三）易感性標(biāo)志,第二節(jié) 生物標(biāo)志,在暴露因素作用下，宿主對(duì)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。遺傳與非遺傳因素如年齡、健康狀況、飲食等都可能影響個(gè)體對(duì)疾病的易感性。目前，疾病易感性研究主要關(guān)注遺傳易感性，即由個(gè)體遺傳背景差異所導(dǎo)致的不同個(gè)體對(duì)同一疾病易感程度或治療反應(yīng)的強(qiáng)弱,三）易感性標(biāo)志,第二節(jié) 生物標(biāo)志,遺傳易感性生物標(biāo)志是機(jī)體

7、穩(wěn)定存在的遺傳性的可測(cè)量指標(biāo)，這種生物標(biāo)志可以是基因型的改變，如某個(gè)基因的缺失，某段未知染色體片段的拷貝數(shù)變異（copy number variation，CNV）或者單核苷酸多態(tài)性；也可以是功能學(xué)或者表型的改變，如代謝表型、DNA修復(fù)能力等。隨著人類基因組計(jì)劃及環(huán)境基因組計(jì)劃的完成，越來越多的基因及其多態(tài)性被發(fā)現(xiàn)，這些基因大多行使機(jī)體的日常功能，多態(tài)性的改變可能影響其參與的多個(gè)生物學(xué)途徑，如細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞周期調(diào)控以及DNA修復(fù)等，從而導(dǎo)致一系列健康異常狀況的出現(xiàn),三）易感性標(biāo)志,第二節(jié) 生物標(biāo)志,目前，遺傳易感性研究根據(jù)其研究設(shè)計(jì)的不同特點(diǎn)，可以分為以下兩種主要類型： 1.候選基因

8、策略的易感性研究（文獻(xiàn)鏈接） 2.全基因組關(guān)聯(lián)研究策略的易感性研究（文獻(xiàn)鏈接,第三節(jié) 主要研究方法,一）研究設(shè)計(jì)和分析,第三節(jié) 主要研究方法,1.主要研究方法 病例-對(duì)照研究 病例-病例研究 巢式病例對(duì)照研究 基于家系設(shè)計(jì)的連鎖分析,第三節(jié) 主要研究方法,病例-對(duì)照研究 傳統(tǒng)的病例-對(duì)照研究的設(shè)計(jì)分析方法可直接應(yīng)用到分子流行病學(xué)研究中，因此，需要盡可能選擇合適、可比的對(duì)照和控制偏倚。以基因多態(tài)性與遺傳易感性研究為例，對(duì)照應(yīng)該選自產(chǎn)生病例的人群，應(yīng)具有較好的代表性。若某病病例來自攜帶基因多態(tài)頻率較高的人群，而對(duì)照選自攜帶基因多態(tài)頻率較低的另一個(gè)人群，則可產(chǎn)生“假陽性”結(jié)果,第三節(jié) 主要研究方法,

9、巢式病例對(duì)照研究 巢式病例對(duì)照研究是基于大樣本人群隊(duì)列的病例對(duì)照研究，由于在基線調(diào)查時(shí)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(duì)象更具有代表性和可比性，非常適合分子流行病學(xué)研究。其基本方法是：開始按照隊(duì)列研究進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，收集有關(guān)基線流行病學(xué)資料和生物標(biāo)本；在隨訪中發(fā)現(xiàn)新病例后，從同隊(duì)列中按性別和年齡等因素隨機(jī)選取對(duì)照；待目標(biāo)病例和對(duì)照收集到一定數(shù)量后，對(duì)生物標(biāo)本集中進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與基線流行病學(xué)資料等聯(lián)合進(jìn)行病例對(duì)照研究分析,第三節(jié) 主要研究方法,基于家系設(shè)計(jì)的連鎖分析 連鎖分析是在家系成員樣本中進(jìn)行基因分型，并運(yùn)用遺傳統(tǒng)計(jì)分析方法，通過繪制遺傳關(guān)系圖譜，

10、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。這種方法興起于20世紀(jì)下半葉，早期主要用于單基因遺傳病患者遺傳缺陷的鑒定，最近幾年，也開始嘗試在復(fù)雜疾病或性狀相關(guān)常見遺傳變異的鑒定中應(yīng)用。但是，這些常見變異的效應(yīng)通常很低，基于家系樣本的連鎖分析和基于病例-對(duì)照設(shè)計(jì)的GWAS研究相比沒有優(yōu)勢(shì)。近期有觀點(diǎn)認(rèn)為，罕見變異對(duì)于疾病易感性具有更強(qiáng)的影響，而隨著新一代測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，由于家系設(shè)計(jì)對(duì)分析罕見變異具有其特有的優(yōu)勢(shì)，促使家系連鎖分析的研究設(shè)計(jì)在外顯子組和全基因組測(cè)序的研究中重新受到重視,一）研究設(shè)計(jì)和分析,第三節(jié) 主要研究方法,2.研究設(shè)計(jì)與實(shí)施 研究目的 調(diào)

11、查方法與樣本 測(cè)量指標(biāo) 測(cè)量方法 結(jié)果與分析 質(zhì)量控制 注意事項(xiàng),一）研究設(shè)計(jì)和分析,第三節(jié) 主要研究方法,2.資料處理與分析 傳統(tǒng)流行病學(xué)指標(biāo)分析 組學(xué)海量數(shù)據(jù)的融合分析,二）生物標(biāo)本采集,第三節(jié) 主要研究方法,1.生物標(biāo)本庫的概念 分子流行病學(xué)需要從生物標(biāo)本這個(gè)載體中獲取信息，標(biāo)本來源一般包括病原標(biāo)本和人體的生物標(biāo)本，其采集過程應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)的操作流程開展，并按照規(guī)范的程序儲(chǔ)存于生物標(biāo)本庫，根據(jù)研究?jī)?nèi)容選擇相應(yīng)的標(biāo)本進(jìn)行指標(biāo)的檢測(cè)。通常將儲(chǔ)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,二）生物標(biāo)本采集,第三節(jié) 主要研究方法,1.生物標(biāo)本庫的概念 生物標(biāo)

12、本庫建立的要點(diǎn)有：在采集和儲(chǔ)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”；儲(chǔ)存的生物標(biāo)本在有效時(shí)間內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)都可以獲得穩(wěn)定一致的結(jié)果；所有的生物標(biāo)本都應(yīng)有詳細(xì)的背景材料和鑒別標(biāo)識(shí),二）生物標(biāo)本采集,第三節(jié) 主要研究方法,2.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(xì)胞、紅細(xì)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），其采集和儲(chǔ)存要盡可能保證標(biāo)本內(nèi)各種生物大分子、細(xì)胞結(jié)構(gòu)等不被破壞。生物標(biāo)本的儲(chǔ)存方法視生物標(biāo)本的性質(zhì)而定，一般應(yīng)低溫保存（-20短期或-80、液氮長(zhǎng)期儲(chǔ)存,二）生物標(biāo)本采集

13、,第三節(jié) 主要研究方法,3.大型人群隊(duì)列的生物樣本庫 大型人群隊(duì)列研究為系統(tǒng)化的收集生物樣本和信息提供了很好的平臺(tái)。國(guó)外在這一領(lǐng)域開展較早，比較著名的有EPIC（European prospective investigation into cancer and nutrition）項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目共納入了52萬人，分別來自10個(gè)歐洲國(guó)家，除了收集完備的環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)和疾病相關(guān)信息和隨訪數(shù)據(jù)以外，還同時(shí)保存了血漿、血清、紅細(xì)胞等生物樣本。UK Biobank 是另一個(gè)有代表性的人群研究項(xiàng)目，共納入40 69歲的英國(guó)人口約50萬人，收集了血液、尿液等生物樣本和完善的人群數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目計(jì)劃為未來30年的研

14、究提供高質(zhì)量的人群數(shù)據(jù)和樣本資源,二）生物標(biāo)本采集,第三節(jié) 主要研究方法,我國(guó)在上述領(lǐng)域的探索起步較晚，但進(jìn)步很快。其中以“中國(guó)慢性病前瞻性研究項(xiàng)目（China Kadoorie Biobank，簡(jiǎn)稱CKB項(xiàng)目）”最具代表性和國(guó)際影響力。該項(xiàng)目由中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院與英國(guó)牛津大學(xué)聯(lián)合開展。旨在通過建立基于血液的基礎(chǔ)健康數(shù)據(jù)庫，從遺傳、環(huán)境和生活方式等多個(gè)環(huán)節(jié)深入研究危害中國(guó)人群健康的各類重大慢性?。ㄈ缒X卒中、冠心病、癌癥、糖尿病、高血壓等）的致病因素、發(fā)病機(jī)制及流行規(guī)律和趨勢(shì)，為有效地制定慢性病預(yù)防和控制對(duì)策，開發(fā)新的治療和干預(yù)手段，提供科學(xué)依據(jù)。項(xiàng)目在中國(guó)10個(gè)省（區(qū)）開展，共涉及51萬余人，是目

15、前世界上最大的涉及長(zhǎng)期保存生物樣本的前瞻性人群隊(duì)列研究之一,三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,1. 生物標(biāo)志的篩選 機(jī)體在從暴露到產(chǎn)生結(jié)局的過程中，發(fā)生許多生物學(xué)特征的變化，但具有代表性且能夠作為生物標(biāo)志的可能只是其中很小一部分。因此，在不同階段需要根據(jù)候選生物標(biāo)志的特性、在疾病過程中的意義、檢測(cè)方法等情況結(jié)合其關(guān)聯(lián)程度進(jìn)行篩選,三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,2. 生物標(biāo)志選擇的原則 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。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；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；研究易

16、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；需要進(jìn)行多方面的綜合研究，就要選擇多項(xiàng)（類）生物學(xué)標(biāo)志等,三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,2. 生物標(biāo)志選擇的原則 生物標(biāo)志的選擇還需符合下列原則： （1）生物標(biāo)志應(yīng)特異、穩(wěn)定； （2）標(biāo)本采集、儲(chǔ)存方便； （3）檢測(cè)方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，而且操作規(guī)范，便于與同類研究結(jié)果比較； （4）檢測(cè)方法靈敏度和特異度高,三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,3. 測(cè)量指標(biāo)的選擇 （1）暴露指標(biāo)：暴露可以是內(nèi)暴露，也可是外暴露；可以是危險(xiǎn)因子也可是預(yù)防和治療等保護(hù)性因子。選擇何種生物標(biāo)志作為暴露指標(biāo)應(yīng)考慮：最好能代表接觸劑量或生物作用劑

17、量；前者便于以后進(jìn)行大樣本人群研究和制定疾病防制策略措施，后者對(duì)進(jìn)一步研究早期生物效應(yīng)等具有意義,三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,2）效應(yīng)指標(biāo)：宿主暴露以后會(huì)產(chǎn)生一系列相應(yīng)的生物效應(yīng)，直到最終結(jié)局。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(píng)價(jià)指標(biāo)，如抗體產(chǎn)生、代謝異常、基因表達(dá)異常等；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)；應(yīng)用臨床診斷標(biāo)志作為干預(yù)措施長(zhǎng)期效果評(píng)價(jià)或預(yù)后的指標(biāo),三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,3）易感性指標(biāo)：傳染病易感性標(biāo)志一般選擇抗體水平，而易感基因及其表達(dá)產(chǎn)物等可作為心腦血管病、惡性腫

18、瘤、糖尿病、遺傳病等慢性非傳染病的易感性標(biāo)志。目前，研究較多的易感性指標(biāo)主要有單核苷酸多態(tài)性，這類研究的研究方法比較成熟且結(jié)果可靠，人群研究更容易實(shí)現(xiàn)。而且，以基因組學(xué)為代表的眾多生物信息學(xué)數(shù)據(jù)庫均可以在線免費(fèi)獲取，從而為廣大分子流行病學(xué)研究人員在易感性標(biāo)志研究和篩選過程提供了更便捷高效的途徑,三）生物標(biāo)志的選擇和檢測(cè),第三節(jié) 主要研究方法,生物標(biāo)志的檢測(cè) 1. 生物標(biāo)志的特性 2. 生物標(biāo)志物的檢測(cè)方法 初步選定生物標(biāo)志以后，需要選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行檢測(cè)。由于流行病學(xué)研究樣本量一般較大，生物標(biāo)志檢測(cè)花費(fèi)較高，因此，應(yīng)選擇生物標(biāo)志檢測(cè)的“最佳”方法，即具有便捷、高效、穩(wěn)定的特性，而不應(yīng)盲目追求所謂的“最新”方法。 一般將分子流行病學(xué)技術(shù)分為分子生物學(xué)技術(shù)、血清學(xué)技術(shù)和免疫學(xué)技術(shù)，應(yīng)用最多的是分子生物學(xué)技術(shù)，如核酸研究技術(shù)、蛋白質(zhì)研究技術(shù)、酶學(xué)技術(shù)及生