流行病学第十六章分子流行病学ppt课件.ppt

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1、流行病学,胡志斌 南京医科大学杜江波 南京医科大学,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：应用和展望,01,02,03,04,重点难点,分子流行病学的科学内涵 分子标志的范畴和应用 分子流行病学研究设计与实施,第一节 概述,分子流行病学中的“分子”是指应用分子生物学理论和技术来解决流行病学问题，而“流行病学”则是指从流行病学的观点出发，运用流行病学研究方法探讨分子生物学技术在人群生物样本中所检测到的结果，将实验室数据转化为对人群中疾病病因、发病机制的诠释。,（一）分子流行病学的定义,第一节 概

2、述,根据分子流行病学的研究内容，结合宏观流行病学的定义，目前较为公认的分子流行病学的定义为：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，并研究防治疾病、促进健康的策略与措施的科学。,（一）分子流行病学的定义,第一节 概述,分子流行病学的产生背景：,（二）发展简史,第一节 概述,1.传染病的防制出现了一些新的课题。2.分子生物学理论和技术的迅速发展。,分子流行病学的发展历程：,（二）发展简史,第一节 概述,1.分子流行病学概念的演变2.人类基因组流行病学的产生和发展3.分子流行病学在我国的发展4.分子流行病学的应用现状,传统流行病学以观察病例发生或死

3、亡为基础进行流行病学描述和分析，这种以“病例为基础”的流行病学所能研究的仅是“冰山”的顶部，而更大的、隐没在“海水”中的部分“海水下面的冰山”则具有更重要的流行病学和公共卫生意义。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，我们称之为健康-疾病连续带（health-disease continuum，HDC）。HDC对于深入了解疾病的发生、发展规律，防治疾病、促进健康等具有重要意义。,（三）与传统流行病学的关系,第一节 概述

4、,（三）与传统流行病学的关系,第一节 概述,（三）与传统流行病学的关系,第一节 概述,（三）与传统流行病学的关系,第一节 概述,分子流行病学研究实际上是将生物标志的检测技术应用于常规的流行病学研究中。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（exposure biomarker），简称暴露标志（exposure marker，Mexp）；效应生物标志（effect biomarker），简称效应标志（effect marker，Meff）；易感生物标志（susceptibility biomarker），简称易感标志（susceptibility marker，Msus）。其

5、中，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。,（三）与传统流行病学的关系,第一节 概述,第二节 生物标志,（一）暴露标志,第二节 生物标志,与疾病或健康状态有关暴露因素的生物标志称为暴露标志，主要包括外暴露（external exposure）标志、内暴露剂量（internal dose）标志和生物有效剂量（biologically effective dose）标志。1.外暴露标志2.内暴露剂量标志3.生物有效剂量标志,（二）效应标志,第二节 生物标志,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（e

6、arly biological response）标志、结构和（或）功能改变（altered structure and function）标志、临床疾病（clinical disease）标志等。1.早期生物效应标志2.结构和（或）功能改变标志3.临床疾病标志,（三）易感性标志,第二节 生物标志,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。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。目前，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。,（三）易感性标志,第二节 生物标志,遗

7、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，如某个基因的缺失，某段未知染色体片段的拷贝数变异（copy number variation，CNV）或者单核苷酸多态性；也可以是功能学或者表型的改变，如代谢表型、DNA修复能力等。随着人类基因组计划及环境基因组计划的完成，越来越多的基因及其多态性被发现，这些基因大多行使机体的日常功能，多态性的改变可能影响其参与的多个生物学途径，如细胞分化、细胞凋亡、细胞周期调控以及DNA修复等，从而导致一系列健康异常状况的出现。,（三）易感性标志,第二节 生物标志,目前，遗传易感性研究根据其研究设计的不同特点，可以分为以下两

8、种主要类型：1.候选基因策略的易感性研究（文献链接）2.全基因组关联研究策略的易感性研究（文献链接）,第三节 主要研究方法,（一）研究设计和分析,第三节 主要研究方法,1.主要研究方法 病例-对照研究 病例-病例研究 巢式病例对照研究 基于家系设计的连锁分析,第三节 主要研究方法,病例-对照研究 传统的病例-对照研究的设计分析方法可直接应用到分子流行病学研究中，因此，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。若某病病例来自携带基因多态频率较高的人群，而对照选自携带基因多态频率较低的另一个人群，则可产生“假阳性”结

9、果。,第三节 主要研究方法,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。其基本方法是：开始按照队列研究进行设计实施，收集有关基线流行病学资料和生物标本；在随访中发现新病例后，从同队列中按性别和年龄等因素随机选取对照；待目标病例和对照收集到一定数量后，对生物标本集中进行检测，并将检测结果与基线流行病学资料等联合进行病例对照研究分析。,第三节 主要研究方法,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

10、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。这种方法兴起于20世纪下半叶，早期主要用于单基因遗传病患者遗传缺陷的鉴定，最近几年，也开始尝试在复杂疾病或性状相关常见遗传变异的鉴定中应用。但是，这些常见变异的效应通常很低，基于家系样本的连锁分析和基于病例-对照设计的GWAS研究相比没有优势。近期有观点认为，罕见变异对于疾病易感性具有更强的影响，而随着新一代测序技术的发展，由于家系设计对分析罕见变异具有其特有的优势，促使家系连锁分析的研究设计在外显子组和全基因组测序的研究中重新受到重视。,（一）研究设计和分析,第三节 主要研究方法

11、,2.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,（一）研究设计和分析,第三节 主要研究方法,2.资料处理与分析传统流行病学指标分析组学海量数据的融合分析,（二）生物标本采集,第三节 主要研究方法,1.生物标本库的概念 分子流行病学需要从生物标本这个载体中获取信息，标本来源一般包括病原标本和人体的生物标本，其采集过程应按照标准的操作流程开展，并按照规范的程序储存于生物标本库，根据研究内容选择相应的标本进行指标的检测。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。,（二）生物标本采集,第三节 主要研究方法,1.

12、生物标本库的概念 生物标本库建立的要点有：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”；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；所有的生物标本都应有详细的背景材料和鉴别标识。,（二）生物标本采集,第三节 主要研究方法,2.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），其采集和储存要尽可能保证标本内各种生物大分子、细胞结构等不被破坏。生物标本的储存方法视生物标本的性质而定，一般应低温保存（-20短期或-80、液

13、氮长期储存）。,（二）生物标本采集,第三节 主要研究方法,3.大型人群队列的生物样本库 大型人群队列研究为系统化的收集生物样本和信息提供了很好的平台。国外在这一领域开展较早，比较著名的有EPIC（European prospective investigation into cancer and nutrition）项目，这个项目共纳入了52万人，分别来自10个欧洲国家，除了收集完备的环境、营养和疾病相关信息和随访数据以外，还同时保存了血浆、血清、红细胞等生物样本。UK Biobank 是另一个有代表性的人群研究项目，共纳入40 69岁的英国人口约50万人，收集了血液、尿液等生物样本和完善的人

14、群数据。该项目计划为未来30年的研究提供高质量的人群数据和样本资源。,（二）生物标本采集,第三节 主要研究方法,我国在上述领域的探索起步较晚，但进步很快。其中以“中国慢性病前瞻性研究项目（China Kadoorie Biobank，简称CKB项目）”最具代表性和国际影响力。该项目由中国医学科学院与英国牛津大学联合开展。旨在通过建立基于血液的基础健康数据库，从遗传、环境和生活方式等多个环节深入研究危害中国人群健康的各类重大慢性病（如脑卒中、冠心病、癌症、糖尿病、高血压等）的致病因素、发病机制及流行规律和趋势，为有效地制定慢性病预防和控制对策，开发新的治疗和干预手段，提供科学依据。项目在中国10

15、个省（区）开展，共涉及51万余人，是目前世界上最大的涉及长期保存生物样本的前瞻性人群队列研究之一。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,1.生物标志的筛选 机体在从暴露到产生结局的过程中，发生许多生物学特征的变化，但具有代表性且能够作为生物标志的可能只是其中很小一部分。因此，在不同阶段需要根据候选生物标志的特性、在疾病过程中的意义、检测方法等情况结合其关联程度进行筛选。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,2.生物标志选择的原则 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。若要研究暴露及其水平与疾病的关系，则选择暴露标志物；探讨暴露引起的生物学效

16、应及其与疾病的关系，可选择效应标志；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；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。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,2.生物标志选择的原则生物标志的选择还需符合下列原则：（1）生物标志应特异、稳定；（2）标本采集、储存方便；（3）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；（4）检测方法灵敏度和特异度高。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,3.测量指标的选择（1）暴露指标：暴露可以是内暴露，也可是外暴露；可以是危险因子也可是预防和治疗等保护性因子。选择何种生物标志作为暴露指标应考

17、虑：最好能代表接触剂量或生物作用剂量；前者便于以后进行大样本人群研究和制定疾病防制策略措施，后者对进一步研究早期生物效应等具有意义。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,（2）效应指标：宿主暴露以后会产生一系列相应的生物效应，直到最终结局。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，如抗体产生、代谢异常、基因表达异常等；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；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。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,（3）易感性指标：传染病易感性标志一般选择抗体水平，而

18、易感基因及其表达产物等可作为心脑血管病、恶性肿瘤、糖尿病、遗传病等慢性非传染病的易感性标志。目前，研究较多的易感性指标主要有单核苷酸多态性，这类研究的研究方法比较成熟且结果可靠，人群研究更容易实现。而且，以基因组学为代表的众多生物信息学数据库均可以在线免费获取，从而为广大分子流行病学研究人员在易感性标志研究和筛选过程提供了更便捷高效的途径。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,生物标志的检测1.生物标志的特性2.生物标志物的检测方法 初步选定生物标志以后，需要选择适当的方法进行检测。由于流行病学研究样本量一般较大，生物标志检测花费较高，因此，应选择生物标志检测的“最佳”方法，即具

19、有便捷、高效、稳定的特性，而不应盲目追求所谓的“最新”方法。一般将分子流行病学技术分为分子生物学技术、血清学技术和免疫学技术，应用最多的是分子生物学技术，如核酸研究技术、蛋白质研究技术、酶学技术及生物芯片技术等。,（三）生物标志的选择和检测,第三节 主要研究方法,实验中的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,（一）传染病预防与控制,第四节 应用与展望,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,（二）慢性非传染性疾病防治,第四节 应用与展望,1.探索

20、疾病的病因及发病机制2.评估个体易感性和确定高位人群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,（三）分子流行病学展望,第四节 应用与展望,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。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.当前，大数据时代的序幕已经拉开，精准医学的理念正在被越来越多的研究人员和医务人员所理解和认可。,试述分子流行病学与传统流行病学的联系及区别。在疾病的防治中，分子流行病学具有哪些优势？分子流行病学在传染性疾病及慢性非传染性疾病的防治中各有什么应用？分子流行病学有哪些常用的生物学检测技术？人类基因组计划对分子流行病学的发展有何影响？,思考题,思考题,网络资源链接,1.中国慢性病前瞻性研究2.UK biobank3.TCGA数据库4.系统流行病学相关文献,