流行病学分子流行病学思维导图

16分子流行病学

分子流行病学

分子流行病学是研究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，并研究防制疾病、促进健康的策略与措施的科学。

生物标志

生物标志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。

分子流行病学的研究首先必须确定生物标志。

分子流行病学在疾病防制中作用的主要表现

①研究内容更加丰富：

分子流行病学从最初研究传染病，后来逐渐扩展到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、预后分析及病原生物进化变异规律和检测手段等。

②研究手段越来越多。

③应用范围不断扩大。

④系统流行病学正在兴起：

系统流行病学的概念应运而生，已经逐渐成为一个由流行病学人群观察、干预研究与系统生物学概念交叉形成的新兴学科。

分子流行病学与传统流行病学的关系

①传统流行病学以观察病例发生或死亡为基础进行描述和分析，这种以“病例为基础”的研究只能涉及“冰山”的顶部，分子流行病学的发展，使得探索并阐明“海水下面的冰山”成为可能，即通过研究疾病发生发展过程中的各类分子事件(或分子生物标志)，将疾病的发生发展过程表现为一系列相关分子事件的相互作用及分布变迁，绘制分子水平的疾病自然史，即健康-疾病连续带(HDC)。

HDC对于深入了解疾病的发生、发展规律，防制疾病、促进健康等具有重要意义。

②传统流行病学在研究暴露与疾病关系时，通常从宏观出发观察人群是否暴露于某病因或危险因素，然后根据最终发病、死亡或出现其他事件的结果来推断疾病病因，难以得到暴露和疾病之间关系的直接证据，不能适应现代疾病防制的需要。而分子流行病学应用分子生物学技术从分子和基因水平阐明生物标志在人群中的分布及其与疾病/健康的关系和影响因素，可以全面阐明疾病自然史，打开传统流行病学中的“黑匣子”，为病因学研究和防治措施评价开辟新的途径。

③分子流行病学不是一门独立的学科，是传统流行病学研究的发展和深入。它虽然应用了许多分子生物学的技术进行生物标志物的检测，能比较客观地反映暴露水平，但是从课题设计直至资料分析仍沿用了传统流行病学的基本研究方法。

遗传流行病学

遗传流行病学是研究与遗传有关的疾病在人群中的分布、病因以及制定防制对策的学科，一般以家系研究为重点，着重关注所研究疾病是否存在家族聚集性及其产生原因，疾病在家系中的传递方式等问题，其观察指标有同病率、遗传度等。

当采用传统病例对照研究对复杂性疾病进行遗传(基因)与环境交互作用分析时，遗传流行病学与分子流行病学所采用的研究技术和分析方法基本一致。

分子流行病学研究中的生物标志的分类

分子流行病学研究中的生物标志总体上可分为三类：

暴露生物标志，简称暴露标志；

效应生物标志，简称效应标志；

易感生物标志，简称易感性标志。易感性标志可以潜在地修饰从暴露到疾病发生及预后的每一步骤。

生物标志的分类不是绝对的，就某一种生物标志而言，它们的概念是相对的；比如某基因的突变，当我们研究影响其分布的原因时，它是效应标志；但当我们研究其与疾病发病的关系时，该突变又成了影响因素或暴露标志。生物标志的分类应根据具体情况而定。

暴露标志

与疾病或健康状态有关的暴露因素的生物标志称为暴露标志，主要包括外暴露标志、内暴露剂量标志和生物有效剂量标志。

（1）外暴露标志

外暴露标志是指暴露因素进入机体之前的标志和剂量，可分为生物性的和非生物性的。

生物性因素主要有细菌、病毒、寄生虫和毒素等，主要用于病原生物的分子分型/分类和检测鉴定，病原生物进化变异规律研究，以及传染病病原体传播途径的研究等。

非生物性因素主要包括外在的化学、物理因素等，是确定与内暴露和早期生物效应相关的暴露剂量或比例，为进一步的内暴露和早期效应研究提供证据。

（2）内暴露剂量标志

内暴露剂量标志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，已被广泛应用于测定人体对外源性致癌物和有毒物的暴露水平。

内暴露剂量不仅能反映多种途径暴露的总水平，而且能避免机体在吸收、代谢的生物转运过程中个体差异的影响，定量地显示体内组织和器官的实际暴露水平和分布。

内暴露剂量标志包括对化学毒物、饮食中的营养素和可能致癌剂以及微生物感染的测定等。在进行研究设计时，要充分考虑暴露物在体内的半衰期。

（3）生物有效剂量标志

生物有效剂量指经吸收、代谢活化、转运，最终与靶组织细胞内或蛋白质相互作用的外源性物质或其反应产物的含量。

它是反映靶细胞分子内接触剂量的生物标志物，主要包括DNA加合物、蛋白质加合物、DNA蛋白交联物（DPC）等。

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称为效应标志，主要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。

（1）早期生物效应标志

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，称为早期生物效应标志。

由于早期生物效应常是暴露因素直接作用的结果，应用此类标志物可以更好地研究不同暴露因素的作用强度和作用机制。

早期生物效应标志主要包括细胞毒性反应，染色体畸变，DNA、RNA和蛋白表达，DNA甲基化水平，以及细胞功能的一些早期变化等。

（2）结构和（或）功能改变标志

主要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。此时，一些增生或癌前病变可能已经发生，通过标准的病理学方法即可检测。结构和（或）功能改变标志通常来自于靶器官的组织。

（3）临床疾病标志

指疾病发生后特有的分子生物标志，对于了解发病机制、进行早期诊断及选取个体化治疗方案等有着重大意义。

易感性标志

在暴露因素作用下，宿主对疾病发生、发展易感程度的生物标志，称之为易感性标志物。

疾病易感性研究主要关注遗传易感性，即由个体遗传背景差异所导致的不同个体对同一疾病易感程度或治疗反应的强弱。

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，这种生物标志可以是基因型的改变，也可以是功能学或者表型的改变。

遗传易感性研究根据其研究设计的不同特点，分为：

（1）候选基因策略的易感性研究

候选基因策略就是研究者根据已知的基因结构或功能特点，提出某个或某些（通常是几个或几十个）基因可能与待研究疾病易感性存在关联的科学假设。基于这样的科学假设，选择位于特定基因上的一定数量的遗传标志，并对其与疾病易感性的关系进行研究。这种研究设计的优点是比较容易开展，科学假设明确，便于阐述遗传标志与疾病易感性的潜在作用机制，缺点是单次研究所涉及的基因和遗传标志数量有限，效率不高。

（2）全基因组关联研究策略的易感性研究

日益降低的检测成本和不断提升的检测通量，促使遗传易感性研究不断衍生发展，全基因组关联研究（GWAS）应运而生。

全基因组关联研究利用高通量的基因分型平台同时检测几十万甚至上百万个，同时具有大样本量和多阶段验证的设计特点，研究效率很高。

分子流行病学研究设计

一般来说，流行病学描述性、分析性、实验（干预）性研究方法都可以应用于分子流行病学研究，可以根据不同的研究内容采用不同的研究设计。

①病例-对照研究

与传统病例-对照研究的设计和分析思路一样，需要尽可能选择合适、可比的对照和控制偏倚。

以基因多态性与遗传易感性研究为例，对照应该选自产生病例的人群，应具有较好的代表性。

②病例-病例研究：也称单纯病例研究。

其基本原理是：把不同临床类型或具有某些生物学标志的病例与无标志的病例按照病例对照研究的方式处理资料，以探讨不同临床类型的危险因素的差异或者这个生物学标志与该病的其他危险因素之间的关系和相互作用。

病例-病例研究的基本特征是仅用病例作为研究对象，对测定环境因素与遗传因素之间的交互作用评价具有独特的价值，所需样本量小，精确度相应提高，同时也避免了由于选择对照而可能产生的选择偏倚。

③巢式病例对照研究

巢式病例对照研究是基于大样本人群队列的病例对照研究，由于在基线调查时就已经收集暴露信息并采集了生物样本，可以避免选择偏倚和信息偏倚，使研究对象更具有代表性和可比性，非常适合分子流行病学研究。

④基于家系设计的连锁分析

连锁分析是在家系成员样本中进行基因分型，并运用遗传统计分析方法，通过绘制遗传关系图谱，判断遗传相关疾病的遗传方式和传递规律，鉴定表型相关基因或区域的重要流行病学分析方法。

生物标本库的概念

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（BSB），如血清库、组织库、病原生物库等。

生物标本库建立的要点

①在采集和储存过程中不能受到“污染”，包括外界生物的、化学的和其他标本的“交叉污染”；

②储存的生物标本在有效时间内进行检测都可以获得稳定一致的结果；

③所有的生物标本都应有详细的背景材料和鉴别标识。

分子流行病学研究中常见的生物标本

常用的生物标本有：病原生物标本、血液（血清、血浆、白细胞、红细胞）标本、组织标本、其他生物标本（如唾液、胃液、尿液、精液、头发、媒介生物等）。

生物标志选择的原则

（1）在分子流行病学研究中，应根据研究目的的不同，选择相应的生物标志。

①若要研究暴露及其水平与疾病的关系，则选择暴露标志物；

②探讨暴露引起的生物学效应及其与疾病的关系，可选择效应标志；

③研究易感性在疾病发生发展中的作用，则必须确定易感性标志；

④需要进行多方面的综合研究，就要选择多项(类)生物学标志等。

（2）生物标志应特异、稳定。

（3）标本采集、储存方便。

（4）检测方法简单、实用，而且操作规范，便于与同类研究结果比较。

（5）检测方法灵敏度和特异度高。

测量指标的选择

（1）暴露指标：

①选择能代表接触剂量的指标以便于进行大样本人群研究和制定疾病防制策略措施；

②选择能代表生物作用剂量的指标以便进一步研究早期生物效应。

（2）效应指标：

①一般以最早期生物效应标志作为探索暴露因素的致病作用或干预措施的短期效果评价指标；

②选择结构和功能改变作为确定暴露的致病作用和早期诊断、早期预防的指标；

③应用临床诊断标志作为干预措施长期效果评价或预后的指标。

（3）易感性指标：

①传染病易感性标志一般选择抗体水平；

②易感基因及其表达产物等可作为慢性非传染病的易感性标志。

生物标志特性

①分子特性即生物标志的化学结构和组成、物理特性、稳定性等；

②时相特性：即生物标志在不同进展阶段的表现和意义；

③个体内变异由于生物标本采集时间、部位等不同，即使同一个体生物标本检测的结果也可能具有一定差异；

④个体间变异：不同生物体之间生物标志检测结果的差异；

⑤群体间变异：不同生物群体(如年龄、性别、民族等)生物标志检测结果的差异；

⑥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。

实验中的质量控制要点

（1）标本采集和储存：

①采集的主要影响因素有采集部位、时间和方法；

②储存的影响因素有储存温度、时间和标本介质等。

（2）试剂和材料：

同一测定指标最好使用同一批次的试剂材料，确需使用两批及以上试剂材料时，则不同批次要进行对比分析和标准化。

（3）仪器：

原则上使用前对仪器进行统一调校，不要随意更换，特别是有量度的仪器设备。

（4）实验方法：

一项研究中，同一种生物标志的测量方法要统一。

（5）操作规范：

每一步骤都要制定操作规范，要保证操作者内(即同一操作者)和操作者间(即不同操作者)的可重复性。

（6）设立对照和重复实验也是进行实验室质量控制的重要原则。

分子流行病学的应用

（1）传染病防制：传染病的分子流行病学研究主要指对某一种传染病的病原体在基因水平上分析其特征；从而更准确地解决传染病相关的传染源、传播途径等流行病学问题。

①病原体的分离和检测

②病原生物进化变异规律研究

③传染源追踪

④确定传播途径

⑤传染病防制措施及其效果评价

⑥宏基因组学在病原体的鉴定中的应用和前景

（2）慢性非传染性疾病防治

①探索疾病的病因及发病机制

②评估个体易感性和确定高危人群

③慢性病防治措施的制定及其效果评价

④辅助疾病精准诊疗

（3）健康风险评估与预测

分子流行病学将面临的新挑战

①在流行病学设计上，强调严格的流行病学研究设计和质量控制，大规模的队列研究是最理想的。

②分子流行病学研究应该更加注重临床转化。

③医学或生命科学研究不仅仅要关注人体本身，还要充分认识人所处的环境。

④精准医学的理念被理解和认可，多组学、大数据等新兴理念和技术手段是精准医学得以实现的重要基石。

要使多维组学的海量数据充分发挥起作用，必须将其置于分子流行病学思想的框架之下。

因个人水平有限，以上总结如有不当之处，请批评指正。