(生物學(xué))生物標(biāo)志物與危險(xiǎn)度評(píng)定課件

1、生物標(biāo)志物與危險(xiǎn)度評(píng)定Biomarker and Risk Assessment 南京醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院張正東第1頁，共41頁。提 綱一、生物標(biāo)志物二、危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)三、生物標(biāo)志物在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的作用四、生物標(biāo)志物的有效性及評(píng)價(jià)五、問題與展望第2頁，共41頁。生物標(biāo)志物Biomarker反映生物體系與環(huán)境因子(化學(xué)的、物理的或生物學(xué)的) 相互作用所引起的任何可測(cè)定的改變,包括生化、生理、免疫和遺傳等多方面的改變,這些改變可發(fā)生在整體、器官、細(xì)胞、亞細(xì)胞和分子水平上。第3頁，共41頁。生物標(biāo)志物的分類暴露生物標(biāo)志物Biomarkers of Exposure效應(yīng)生物標(biāo)志物Biomarkers of

2、 Effects易感性生物標(biāo)志物Biomarkers of Susceptibility第4頁，共41頁。Stages linking exposure to chemicals with clinical disease.第5頁，共41頁。Relation of events and biomarker classification (Albertini, 2001) Chromosome aberrations：染色體損傷；Micronuclei:微核；Aneuploidy：非整倍體；Sister chromatid exchange:姊妹染色單體交換Somatic mutation: 體

3、細(xì)胞突變；Mutation spectra: 突變譜第6頁，共41頁。暴露生物標(biāo)志物Biomarkers of exposure 暴露生物標(biāo)志物指機(jī)體內(nèi)可測(cè)量的外源性物質(zhì)、代謝產(chǎn)物、外源性物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物與靶分子或靶細(xì)胞相互作用的產(chǎn)物。暴露生物標(biāo)志物與內(nèi)劑量（internal dose）生物指標(biāo)本質(zhì)上意義相同，后者更強(qiáng)調(diào)其與重要器官或組織有害作用（adverse effects）間的關(guān)系。 第7頁，共41頁。Very short: phenol for benzene exposureShort: 2,5-hexanedione（2,5-己二酮 ）for hexane（正己烷) exposur

4、eLong: heavy metals such as lead, mercury and cadmium in blood or adducts to DNA and haemoglobin for electrophilic compounds or metabolitesVery long: heavy metals in bone. 暴露生物標(biāo)志物的類別根據(jù)生物半衰期分為四種主要類型：第8頁，共41頁。效應(yīng)生物標(biāo)志物Biomarkers of Effects指機(jī)體內(nèi)可測(cè)量的生化、生理、行為或其它改變，這些改變可引起確定的或潛在的健康損害或疾病。第9頁，共41頁。Examples of

5、biomarkers of early biological effects from exposure to mutagenic agents in human populations接觸致突變物人群早期生物效應(yīng)標(biāo)志物舉例Hemizygous gene:半合子基因第10頁，共41頁。易感性生物標(biāo)志物Biomarker of Susceptibility指能使個(gè)體易于受化學(xué)、物理等有害因素影響的一些改變,是由于其先天遺傳性或后天獲得性缺陷而反映出其反應(yīng)能力的一類標(biāo)志物,其特點(diǎn)是在暴露前就已經(jīng)存在。人群對(duì)環(huán)境有害因素有不同的易感性,個(gè)體對(duì)環(huán)境因素所致疾病的易感性受遺傳因素和非遺傳因素影響,后者如

6、年齡、疾病狀況、營(yíng)養(yǎng)等,多數(shù)情況下指遺傳易感性?；蚨鄳B(tài)性常作為易感性生物標(biāo)志物,機(jī)體DNA 修復(fù)能力和代謝酶基因是影響機(jī)體易感性的重要因素。第11頁，共41頁。易感性差異的影響因素第12頁，共41頁。理想的生物標(biāo)志物的特征與機(jī)制緊密相關(guān)敏感性和特異性標(biāo)準(zhǔn)化的方法便于現(xiàn)場(chǎng)使用方法難度非創(chuàng)傷性高通量分析費(fèi)用適當(dāng)?shù)?3頁，共41頁。Steps to Develop Biomarker發(fā)展一個(gè)生物標(biāo)志物的大體步驟Selection of type: risk factor vs. disease surrogate （危險(xiǎn)因素vs.疾病的替代物）Validity of relation to dis

7、ease（與疾病相關(guān)的有效性）Field methods（現(xiàn)場(chǎng)方法）Dose-response（劑量反應(yīng)）Modifiers（修正）（敏感性和特異性）Sensitivity & specificity（人群差異）Population variation第14頁，共41頁。二、危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)第15頁，共41頁。危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)Risk Assessment在人群水平上，定性和定量地評(píng)估危害因素導(dǎo)致人類不良健康效應(yīng)的可能性。主要由四部分組成：危害鑒定劑量-反應(yīng)關(guān)系評(píng)價(jià)接觸評(píng)定危險(xiǎn)度描述第16頁，共41頁。可接受危險(xiǎn)度（10-6）線性超線性次線性反應(yīng)幾率劑量實(shí)際安全劑量致癌物第17頁，共41頁。非致癌物毒代動(dòng)

8、力學(xué)和毒效動(dòng)力學(xué) 種屬間和個(gè)體間差異第18頁，共41頁。 從動(dòng)物到人 從高劑量到低劑量 從小樣本到大樣本危險(xiǎn)度評(píng)定中的不確定因素Uncertainty第19頁，共41頁。三、生物標(biāo)志物在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的作用 第20頁，共41頁。生物標(biāo)志物可以降低危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)過程中的不確定因素，主要是圍繞劑量反應(yīng)（效應(yīng)）關(guān)系評(píng)價(jià)進(jìn)行。第21頁，共41頁。暴露生物標(biāo)志物降低外暴露評(píng)價(jià)導(dǎo)致的不確定因素減少了種屬間外推時(shí)毒代動(dòng)力學(xué)差異導(dǎo)致的不確定因素測(cè)定與反應(yīng)（效應(yīng)）終點(diǎn)直接相關(guān)的暴露生物標(biāo)志物的水平，提高接觸評(píng)價(jià)的特異性。第22頁，共41頁。效應(yīng)生物標(biāo)志物效應(yīng)生物標(biāo)志物可在導(dǎo)致發(fā)病、死亡、腫瘤發(fā)生、體重減輕和組織病理學(xué)

9、改變低的暴露下發(fā)生改變，可提高危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的敏感性。種屬間或種屬內(nèi)，個(gè)體間相同效應(yīng)生物標(biāo)志物改變所需要接觸劑量的差異，可以用來估算種屬間和種屬內(nèi)毒代動(dòng)力學(xué)差異帶來的不確定因素的水平，從而降低種屬間外推時(shí)，毒代動(dòng)力學(xué)差異導(dǎo)致的不確定因素?？梢越档透邉┝肯虻蛣┝客馔茖?dǎo)致的不確定因素通過導(dǎo)致早期效應(yīng)的機(jī)制可以推斷低劑量時(shí)劑量反應(yīng)（效應(yīng)）關(guān)系曲線的形狀直接研究一般人群暴露水平下（低暴露）的劑量反應(yīng)（效應(yīng)）關(guān)系曲線第23頁，共41頁。易感性生物標(biāo)志物現(xiàn)階段，增加對(duì)個(gè)體易感性差異的研究，可以減低小樣本向大樣本外推時(shí)的不確定因素。個(gè)體間毒代動(dòng)力學(xué)和毒效動(dòng)力學(xué)的差異機(jī)制的闡明，有利于危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)模式由人群向亞人群

10、甚至個(gè)體水平過渡，顯然提高了危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)的精度。第24頁，共41頁。四、生物標(biāo)志物的有效性及評(píng)價(jià) 第25頁，共41頁。生物標(biāo)志物有效性有效性指的是在特定生物系統(tǒng)中，一個(gè)生物標(biāo)志物在多大程度上反映了要求其反映的生物學(xué)事件，例如暴露、效應(yīng)和易感性：對(duì)于實(shí)驗(yàn)室研究的科學(xué)家而言，有效性包括生物標(biāo)志物的本質(zhì)和測(cè)試方法的特征，試驗(yàn)方法的敏感性和特異性，及影響測(cè)試方法的因素。對(duì)于流行病學(xué)家而言，有效性包括測(cè)試的陽性預(yù)測(cè)值和人群歸因危險(xiǎn)度百分比，人群使用的可行性，現(xiàn)場(chǎng)條件下方法的穩(wěn)定性，影響該效應(yīng)的混雜因素或效應(yīng)修飾因子。只有經(jīng)過了有效性評(píng)價(jià)的生物標(biāo)志物方可用于危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)。第26頁，共41頁。五、問題與展望 第

11、27頁，共41頁。生物標(biāo)志物的局限性有的化學(xué)物找不到合適的生物標(biāo)志物新化學(xué)物無人群暴露資料替代生物標(biāo)志物與靶組織導(dǎo)致的社會(huì)、倫理和經(jīng)濟(jì)問題個(gè)體遺傳損傷增高如何處理？易感性生物標(biāo)志物如何使用？第28頁，共41頁。在生物標(biāo)志物和危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)研究中需要注意的幾個(gè)問題 環(huán)境接觸和人體效應(yīng)研究并舉 流行病學(xué)研究與機(jī)制研究有機(jī)結(jié)合 多個(gè)生物標(biāo)志物綜合分析適宜合理的流行病學(xué)設(shè)計(jì)第29頁，共41頁。環(huán)境接觸和人體效應(yīng)研究并重 以基因環(huán)境交互作用模式研究環(huán)境因素致病是基因組時(shí)代的預(yù)防醫(yī)學(xué)研究的特色之一。應(yīng)當(dāng)同時(shí)重視環(huán)境與基因在疾病發(fā)生（或者健康危害）過程中的作用，片面強(qiáng)調(diào)遺傳因素或環(huán)境因素的觀點(diǎn)都是缺乏科學(xué)基礎(chǔ)的

12、。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到基因不可能解決所有問題，要對(duì)基因多態(tài)性研究的局限性有足夠認(rèn)識(shí)，基因不可能回答所有問題。只有將機(jī)體與環(huán)境因素的研究密切結(jié)合，才能找到答案。第30頁，共41頁。流行病學(xué)研究與機(jī)制研究有機(jī)結(jié)合 環(huán)境因素致病機(jī)制研究是認(rèn)識(shí)基因環(huán)境交互作用的基礎(chǔ)。隨著在細(xì)胞和分子水平上對(duì)環(huán)境因素導(dǎo)致疾病過程和機(jī)體反應(yīng)的認(rèn)識(shí)深入，一方面為人群研究提供的生物標(biāo)志物，另一方面人群分子流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)也為機(jī)制研究提供有益的線索。理論上，兩者可以很好地相互促進(jìn)，然而目前兩方面的研究工作還沒有有機(jī)地結(jié)合。將人群研究與機(jī)制研究有機(jī)地聯(lián)系起來，需要預(yù)防醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)研究者的共同努力。第31頁，共41頁。多個(gè)生物標(biāo)志物的綜合

13、分析 應(yīng)當(dāng)從三類生物標(biāo)志物結(jié)合為基礎(chǔ)的人群分子流行病研究。將暴露生物標(biāo)志物以及效應(yīng)標(biāo)志物與易感性標(biāo)志物的有機(jī)結(jié)合，通過探索三者之間的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)合相應(yīng)的機(jī)制研究，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新和突破。連續(xù)變量的效應(yīng)生物標(biāo)志物比以疾病為觀測(cè)終點(diǎn)有許多優(yōu)點(diǎn)，例如觀測(cè)終點(diǎn)的同質(zhì)性更高、研究需要的樣本量更小，更容易探討功能聯(lián)系和表述劑量效應(yīng)關(guān)系。 第32頁，共41頁。適宜合理的流行病學(xué)設(shè)計(jì) 分子流行病學(xué)研究設(shè)計(jì)必需遵循流行病學(xué)的基本原則。分子生物學(xué)技術(shù)和生物標(biāo)志物本身并不能彌補(bǔ)流行病學(xué)研究設(shè)計(jì)的缺陷。因此嚴(yán)格的流行病學(xué)設(shè)計(jì)是高質(zhì)量研究的根基。重視對(duì)暴露水平的評(píng)價(jià)（外暴露和內(nèi)暴露）嚴(yán)格控制混雜和偏倚足夠的樣本量第33頁，共4

14、1頁。展 望細(xì)胞與分子生物學(xué)理論與技術(shù)，特別是基因組學(xué)的飛速發(fā)展賦予預(yù)防醫(yī)學(xué)工作者新的啟迪和機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)了從整體和器官水平向細(xì)胞和分子水平的飛躍，從組織細(xì)胞中個(gè)別或少數(shù)內(nèi)容物的檢測(cè)到全面審視機(jī)體所有基因、蛋白質(zhì)和代謝物水平的各種“組學(xué)（-omics）”技術(shù)的發(fā)展，并與生物信息學(xué)整合，創(chuàng)造了預(yù)防醫(yī)學(xué)的全新局面。建立和發(fā)展了許多新的分子生物標(biāo)志物，成為溝通機(jī)制研究與人群流行病學(xué)調(diào)查的“共同語言”， 使宏觀與微觀研究有機(jī)地結(jié)合起來。第34頁，共41頁。應(yīng)用實(shí)例TNT-血紅蛋白加合物在危險(xiǎn)度評(píng)價(jià)中的應(yīng)用第35頁，共41頁。三硝基甲苯（TNT）理化性質(zhì) MW227.13 密度1.654g/L熔點(diǎn)80.65沸點(diǎn)240(爆炸)不溶于水，溶于油脂 職業(yè)接觸: 接觸途徑:吸收、分布和排泄: 皮膚,呼吸道. 生物半減期: 0.81天 可能的非職業(yè)性接觸 第36頁，共41頁。TNT代謝途徑2A4A4-氨基-2，6二硝基甲苯（4A）2-氨基-2，6二硝基甲苯（2A）第37頁，共41頁。4-A血紅蛋白加合物 TNT經(jīng)過體內(nèi)代謝后，其代謝產(chǎn)物4A可以與血紅蛋白(Hb)結(jié)合形成4AHb加合物；4A-Hb加合物與紅細(xì)胞的生命周期一致，可以在體內(nèi)存留4個(gè)月； 4AHb 加合物結(jié)構(gòu)鑒定；發(fā)現(xiàn)4AHb與工人的接觸劑量密切相關(guān)；脫離TNT接觸兩個(gè)月后，其體內(nèi)4A血紅蛋白加合物仍維持在相