(生物學)生物標志物與危險度評定課件

1、生物標志物與危險度評定Biomarker and Risk Assessment 南京醫(yī)科大學公共衛(wèi)生學院張正東第1頁，共41頁。提 綱一、生物標志物二、危險度評價三、生物標志物在危險度評價中的作用四、生物標志物的有效性及評價五、問題與展望第2頁，共41頁。生物標志物Biomarker反映生物體系與環(huán)境因子(化學的、物理的或生物學的) 相互作用所引起的任何可測定的改變,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、細胞、亞細胞和分子水平上。第3頁，共41頁。生物標志物的分類暴露生物標志物Biomarkers of Exposure效應生物標志物Biomarkers of

2、 Effects易感性生物標志物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、細胞突變；Mutation spectra: 突變譜第6頁，共41頁。暴露生物標志物Biomarkers of exposure 暴露生物標志物指機體內(nèi)可測量的外源性物質(zhì)、代謝產(chǎn)物、外源性物質(zhì)或其代謝產(chǎn)物與靶分子或靶細胞相互作用的產(chǎn)物。暴露生物標志物與內(nèi)劑量（internal dose）生物指標本質(zhì)上意義相同，后者更強調(diào)其與重要器官或組織有害作用（adverse effects）間的關系。 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。效應生物標志物Biomarkers of Effects指機體內(nèi)可測量的生化、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標志物舉例Hemizygous gene:半合子基因第10頁，共41頁。易感性生物標志物Biomarker of Susceptibility指能使個體易于受化學、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能力的一類標志物,其特點是在暴露前就已經(jīng)存在。人群對環(huán)境有害因素有不同的易感性,個體對環(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志物,機體DNA 修復能力和代謝酶基因是影響機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。理想的生物標志物的特征與機制緊密相關敏感性和特異性標準化的方法便于現(xiàn)場使用方法難度非創(chuàng)傷性高通量分析費用適當?shù)?3頁，共41頁。Steps to Develop Biomarker發(fā)展一個生物標志物的大體步驟Selection of type: risk factor vs. disease surrogate （危險因素vs.疾病的替代物）Validity of relation to dis

7、ease（與疾病相關的有效性）Field methods（現(xiàn)場方法）Dose-response（劑量反應）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、危險度評價第15頁，共41頁。危險度評價Risk Assessment在人群水平上，定性和定量地評估危害因素導致人類不良健康效應的可能性。主要由四部分組成：危害鑒定劑量-反應關系評價接觸評定危險度描述第16頁，共41頁?？山邮芪ｋU度（10-6）線性超線性次線性反應幾率劑量實際安全劑量致癌物第17頁，共41頁。非致癌物毒代動

8、力學和毒效動力學 種屬間和個體間差異第18頁，共41頁。 從動物到人 從高劑量到低劑量 從小樣本到大樣本危險度評定中的不確定因素Uncertainty第19頁，共41頁。三、生物標志物在危險度評價中的作用 第20頁，共41頁。生物標志物可以降低危險度評價過程中的不確定因素，主要是圍繞劑量反應（效應）關系評價進行。第21頁，共41頁。暴露生物標志物降低外暴露評價導致的不確定因素減少了種屬間外推時毒代動力學差異導致的不確定因素測定與反應（效應）終點直接相關的暴露生物標志物的水平，提高接觸評價的特異性。第22頁，共41頁。效應生物標志物效應生物標志物可在導致發(fā)病、死亡、腫瘤發(fā)生、體重減輕和組織病理學

9、改變低的暴露下發(fā)生改變，可提高危險度評價的敏感性。種屬間或種屬內(nèi)，個體間相同效應生物標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)毒代動力學差異帶來的不確定因素的水平，從而降低種屬間外推時，毒代動力學差異導致的不確定因素?？梢越档透邉┝肯虻蛣┝客馔茖е碌牟淮_定因素通過導致早期效應的機制可以推斷低劑量時劑量反應（效應）關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（效應）關系曲線第23頁，共41頁。易感性生物標志物現(xiàn)階段，增加對個體易感性差異的研究，可以減低小樣本向大樣本外推時的不確定因素。個體間毒代動力學和毒效動力學的差異機制的闡明，有利于危險度評價模式由人群向亞人群

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

11、27頁，共41頁。生物標志物的局限性有的化學物找不到合適的生物標志物新化學物無人群暴露資料替代生物標志物與靶組織導致的社會、倫理和經(jīng)濟問題個體遺傳損傷增高如何處理？易感性生物標志物如何使用？第28頁，共41頁。在生物標志物和危險度評價研究中需要注意的幾個問題 環(huán)境接觸和人體效應研究并舉 流行病學研究與機制研究有機結(jié)合 多個生物標志物綜合分析適宜合理的流行病學設計第29頁，共41頁。環(huán)境接觸和人體效應研究并重 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代的預防醫(yī)學研究的特色之一。應當同時重視環(huán)境與基因在疾病發(fā)生（或者健康危害）過程中的作用，片面強調(diào)遺傳因素或環(huán)境因素的觀點都是缺乏科學基礎的

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

13、分析 應當從三類生物標志物結(jié)合為基礎的人群分子流行病研究。將暴露生物標志物以及效應標志物與易感性標志物的有機結(jié)合，通過探索三者之間的內(nèi)在關系，結(jié)合相應的機制研究，實現(xiàn)創(chuàng)新和突破。連續(xù)變量的效應生物標志物比以疾病為觀測終點有許多優(yōu)點，例如觀測終點的同質(zhì)性更高、研究需要的樣本量更小，更容易探討功能聯(lián)系和表述劑量效應關系。 第32頁，共41頁。適宜合理的流行病學設計 分子流行病學研究設計必需遵循流行病學的基本原則。分子生物學技術(shù)和生物標志物本身并不能彌補流行病學研究設計的缺陷。因此嚴格的流行病學設計是高質(zhì)量研究的根基。重視對暴露水平的評價（外暴露和內(nèi)暴露）嚴格控制混雜和偏倚足夠的樣本量第33頁，共4

14、1頁。展 望細胞與分子生物學理論與技術(shù)，特別是基因組學的飛速發(fā)展賦予預防醫(yī)學工作者新的啟迪和機遇，實現(xiàn)了從整體和器官水平向細胞和分子水平的飛躍，從組織細胞中個別或少數(shù)內(nèi)容物的檢測到全面審視機體所有基因、蛋白質(zhì)和代謝物水平的各種“組學（-omics）”技術(shù)的發(fā)展，并與生物信息學整合，創(chuàng)造了預防醫(yī)學的全新局面。建立和發(fā)展了許多新的分子生物標志物，成為溝通機制研究與人群流行病學調(diào)查的“共同語言”， 使宏觀與微觀研究有機地結(jié)合起來。第34頁，共41頁。應用實例TNT-血紅蛋白加合物在危險度評價中的應用第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80.65沸點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加合物與紅細胞的生命周期一致，可以在體內(nèi)存留4個月； 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；脫離TNT接觸兩個月后，其體內(nèi)4A血紅蛋白加合物仍維持在相