第十二章分子流行病学

第十二章分子流行病学MolecularEpidemiology近20年来，由于分子生物学理论和技术的快速发展，使得分子生物学在各个领域被广泛应用，分子流行病学(molecularepidemiology)作为一门新兴的边缘学科也逐渐为人们所熟知。目前，分子流行病学主要用于传染病的研究，也用于慢性病、遗传及代谢疾病、健康状态及医学有关事件的研究，其研究内容在不断丰富，研究手段也在不断增多，对人类健康所起的重大作用将越来越受到人们的重视。分子流行病学现在正处于发展和形成的阶段，它代表着流行病学发展的一个重要方向，成为流行病学的一个重要分支。【案例】1986年6月7日至26日在以色列海法市(Haifa)Rambam医学中心有4例暴发性乙型肝炎(患者①～④)入院，均死亡；8月17日又有l例(患者⑥)同样入院后病故。查阅实验室记录，1985年9月至1986年8月一年中仅检测11名急性乙肝，其中包括上述5例暴发性乙肝。并发现患者①～④于同年4月23日至5月8日同住在一个病房，而患者⑥于6月7日至6月28日曾与已发病的患者①～④同住一个病房。因此初步判断这5例暴发性乙肝很可能是一次乙肝爆发流行。经过血清学调查又发现1例亚临床型乙肝(患者⑤)抗-HBclgM阳性，6个月后转阴，出现高滴度抗-HBs，其与患者①～④同时期住同一病房，有共同暴露史，因此考虑为同一爆发事件中的患者。作者进行了描述性与分析性流行病学调查，确定这是一次乙肝的爆发流行，共发生上述6例患者或亚临床患者；患者①～⑤的传播媒介很可能是冲洗heparin-lock用的注射器或冲洗液；传播时间很可能在4月29日；传染源为一名HBsAg携带者，当时也住在同一病房。推测整个传播过程是这样的：护士先用针筒抽取冲洗液冲洗了传染源(HBsAg携带者)的heparin-lock，然后，未换针筒，用同一针筒抽取冲洗液去冲洗患者①～⑤的heparin-lock；而患者⑥可能是通过患者①～④污染血引起的接触传播所致。此后研究者又考虑到本次爆发中的5名患者均为致死性的暴发性肝炎，且潜伏期非常短；而传染源，即那名HBsAg携带者为抗-HBe阳性的慢性肝病患者，故决心对引起这次爆发的病毒株进行研究，以弄清其基因是否具有特殊的突变。结果意外地发现，传染源、患者①～④、⑥这5人的HBV的前C区1898与1901位核苷酸均发生了点突变，此外在X、前C与C区还有很多突变，与已报道的ayw野生株的异质率达5.6%；而患者⑤与4名对照患者(4名该医学中心的急性自限性乙肝患者)的病毒株却无此突变。结果提示：(1)此次爆发是由HBV突变株引起的；(2)患者⑤不是这次爆发中的病例，引起其发病的病毒株不同于传染源及其他4名患者。【问题的提出】问题1什么是分子流行病学及其用途?问题2分子流行病学研究什么内容及如何选择标本？分子流行病学常用的研究方法有哪些？问题3分子流行病学的设计及实施?一、分子流行病学概述（一）分子流行病学概念分子流行病学的概念于1972年首先由Kilboure提出，他通过运用分子生物学技术探讨了流感病毒抗原变异与流感大流行之间的关系，旨在通过研究病毒的分子结构来阐明流感大流行的原因。由于目前分子流行病学的变化日新月异，其研究内容也日趋丰富，使得其内涵和外延尚难于明确界定。1993年Schulte在其流行病学专著中给出的定义是：“在流行病学研究中，应用生物学标志，包括生化的、分子的、生理学的、免疫学的、遗传学的等信号，这些事件信号代表致病因子与所致疾病之间连续过程中一个个相关的环节”。而我国刘汉明于1995年对分子流行病学给出的定义是：“分子流行病学研究疾病相关分子的分布和变迁与疾病现象的发生与发展趋势之间的关系。也就是说，它从分子或亚分子水平上研究疾病以及环境和宿主诸因素在疾病发生、发展、减少和预防控制中的规律”。1998年，徐徳忠给出的定义是：“分子流行病学是应用先进的实验技术测量生物学标志，结合流行病学现场研究方法，从分子水平阐明疾病的病因及其相关的治病过程，并提出与评价相应防治措施的科学。”而结合分子流行病学发展现状和疾病防治、健康促进的要求，我们将分子流行病学定义为：“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。”（二）与传统流行病学的关系分子流行病学与传统流行病学既相互联系，又有各自不同的特征。暴露-------------------------------------------------暴露与剂量E&ED↓健康疾病连续带-----------------------------健康态←···机体···→临床态暴露生物标志----------外暴露标志与剂量----EEM&EED↓内暴露标志与剂量----IEM&IED↓生物作用标志与剂量----BAM&BAD_________________________|_________________________↓↓↓↓↓健康疾病连续带：健康态←→亚健康态←→潜在疾病态←→临界疾病态←→亚临床态←→临床态效应生物标志：HCMEBEMASFMPMSCCMCDM↑__________↑____________↑____________↑__________↑|易感生物标志-------------------------------------易感标志与水平------SM&SL图12-1分子流行病学与健康疾病连续带(HDC)的关系E&ED(exposure&exposuredose)；CD(clinicaldisease);HC(healthcondition);EEM&EED(externalexposuremarker&dose)；IEM&IED(internalexposuremarker&dose)；BAM&BAD(biologicallyactivemarker&dose)；HCM(healthconditionmarker)；EBEM(earlybiologicaleffectmarker)；ASFM(alteredstructureandfunctionmarker)；PM(pathologicalmarker)；SCCM(sub-clinicalconditionmarker)；CDM(clinicaldiseasemarker)；SM&SL(susceptibilitymarkerandlevel)；HDC(healthdiseasecontinuum)由上图可以看出，传统流行病学在研究暴露与疾病之间的关系时，常常使用“黑箱”理论，而分子流行病学就是要解开疾病与暴露之间的“黑箱”之谜。发病和死亡的指标可以直接反映人群疾病和健康状况，但由于暴露和疾病之间“黑箱”的存在，难以得到暴露与疾病之间关系的直接证据。分子流行病学通过研究疾病不同阶段的生物标志及影响因素研究，来全面阐明疾病的自然史，从而揭示传统流行病不能解决的“黑箱”秘密，为制定更有效的防治疾病、促进健康的策略与措施提供证据，并能更好的评价其效果。（三）分子流行病学的产生与发展分子流行病学产生的背景主要有两方面，一是流行病学自身发展的需求，二是分子生物学发展的理论和方法基础。流行病学在疾病预防控制中曾作出了巨大贡献，如消灭了天花、基本消灭了脊髓灰质炎、控制了烈性传染病的流行等。然而，20世纪70年代开始分子生物学理论和技术的飞速发展，从分子及基因水平上提出很多病因假设，如在肿瘤研究中，毒物与生物大分子的加合物、癌基因、抑癌基因等与肿瘤发生的关系等，这些都需要流行病学在人群中进行深入研究，这就使流行病学遇到了一些新的挑战，因此，分子流行病学的出现就成为必然。分子流行病学的概念已产生多年，但其快速发展却是近30年来的事。20世纪80年代初，我国开始进行分子流行病学研究，如对轮状病毒腹泻、大肠杆菌腹泻等的研究。到90年代，我国分子流行病学研究尚不广泛，其研究内容也很局限，有关文献每年不超过10篇。但自90年代中期以后，分子流行病学的研究对象发生了改变，从人群扩展到人群和生物群体，研究内容也从传染病扩展到医学相关事件，包括传染病、慢性非传染病等，分子流行病学得到了长足的发展，我国有关分子流行病学的研究论文每年几乎成倍增长。目前，分子,,流,行病学已具有比较完整的理论和方法体系，其研究内容更加丰富，研究手段也越来越多，应用范围在不断扩大。分子流行病学既能从群体水平又能从分子或基因水平阐明疾病的病因、发病机制、流行规律等，因而具有广阔的发展前景。二、分子流行病学的用途在传统流行病学研究中常发现一些难以解决的问题，需要运用分子流行病学研究方法加以解决。分子流行病学目前已经广泛应用于传染病预防控制，但进一步的研究和应用将主要表现在以下几个方面：1.病原体因研究分子流行病学可以研究病原体的分布及其影响因素、病原体的流行病学分类和检测鉴定、病原体群体进化变异规律及影响因素等。2.传染源研究确定感染类型及群体发病谱，传染源的确定与追踪等。3.传播途径研究如传播途径的确认与流行传播规律、传染来源追踪等；4.疫苗及免疫预防制剂的研究以往使用的疫苗多采用死疫苗或减毒活疫苗，随着对病原学研究的深入．从分子水平分析病原体的蛋白与核酸，利用已知蛋白与核酶的特性制备疫苗。如高效安全的基因工程多价疫苗研究等；5.人群易感性研究包括对病原体的体异性免疫水平和遗传易感性的研究两方面，如在群体中对重要传染病的特异抗体进行检测、易感基因分布及其与流行的关系等研究；6.防治对策和措施研究及其效果评价如干预对感染率的影响、对发病率的影响、对发病谱的影响，免疫预防效果评价、疫苗相关病例的研究、疫苗逃逸病例的研究等；此外，分子流行病学虽然最初主要用于传染病研究，但目前更使慢性非传染病防治研究进入一个新阶段，分子流行病学研究使暴露测量更加科学、准确；更能察觉细微效应，测定健康疾病连续带不同阶段的效应指标；且在非传染性的慢性病的易感性研究种，更深入到基因和分子水平，易感群体确定后，即可做到早预防早诊断，并对治疗和预后提供依据，使得防治措施效果评价更加有效。三、研究内容与标本采集分子流行病学的研究首先要确定需测定的生物标志，其次要收集生物标本，进行生物标志测定，另外还需结合现代流行病学的方法来综合分析暴露因素和生物标志对疾病谱的影响。所谓生物标志(biologicalmarkers)是指能代表生物结构和功能的可识别(即可检测)物质特征。生物的生命现象非常复杂，可以说任何生命现象都具有物质基础，因此生物标志的范围非常广泛，包括细胞的、生化与分子生物学的、免疫学的、遗传的、甚或生理功能的等等。(一)生物标志的种类分子流行病学研究中的生物标志一般分为三类，即暴露生物标志(exposurebiomarker)，简称暴露标志；效应生物标志(effectbiomarker)，简称效应标志；易感生物标志(susceptibilitybiomarker)，简称易感标志。1.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，包括外暴露标志和内暴露标志两种。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、生物毒素等。内暴露标志是指暴露因素进入机体之后的标志，对于生物性病原因子来说，内暴露标志可以是生物病原因子本身，也可是其代谢产物或与宿主体内生物大分子结合产物，例如病毒整合基因、生物毒素-DNA加合物等；对于非生物性病原因子，内暴露标志可以是体内转运分子、代谢产物或与宿主靶体结合物等。2.效应标志效应标志是指宿主暴露后产生的功能性或结构性变化的生物标志，如突变基因、畸变染色体、特异蛋白等。其包括疾病标志(diseasemarker,MD)和健康状态标志(healthmarker,MH)。机体在暴露于有关危险因子到发病的这个阶段，会产生与之相对应的生物学效应。3.易感标志易感标志是指宿主对疾病的发生、发展和易感程度的生物标志。有研究显示，HLA-DQB1-non-Asp-57和DQA1-Arg-52基因是胰岛素依赖型糖尿病