1、生物标志物与危险度评定生物标志物与危险度评定Biomarker and Risk Assessment 南京医科大学公共卫生学院张正东1/41提提 纲纲一、生物标志物二、危险度评价三、生物标志物在危险度评价中作用四、生物标志物有效性及评价五、问题与展望2/41生物标志物生物标志物Biomarker反应生物体系与环境因子(化学、物理或生物学)相互作用所引发任何可测定改变,包含生化、生理、免疫和遗传等多方面改变,这些改变可发生在整体、器官、细胞、亚细胞和分子水平上。3/41生物标志物分类生物标志物分类n n暴露生物标志物Biomarkers of Exposuren n效应生物标志物Biomark
2、ers of Effectsn n易感性生物标志物Biomarkers of Susceptibility4/41Stages linking exposure to chemicals with clinical disease.5/41Relation of events and biomarker classification(Albertini,)Chromosome aberrations：染色体损伤；Micronuclei:微核；Aneuploidy：非整倍体；Sister chromatid exchange:姊妹染色单体交换Somatic mutation:体细胞突变；Muta
3、tion spectra:突变谱6/41暴露生物标志物暴露生物标志物Biomarkers of exposure n n暴露生物暴露生物标标志物志物指机体内可指机体内可测测量外源性物量外源性物质质、代、代谢产谢产物、外源性物物、外源性物质质或其代或其代谢产谢产物与靶分子或靶物与靶分子或靶细细胞相互作用胞相互作用产产物物。n n暴露生物暴露生物标标志物与内志物与内剂剂量（量（internal doseinternal dose）生物指）生物指标标本本质质上意上意义义相同，后者更相同，后者更强调强调其与主要器官或其与主要器官或组织组织有害作用（有害作用（adverse effectsadverse
4、 effects）间间关系。关系。7/411.Very short:phenol for benzene exposure2.Short:2,5-hexanedione（2,5-己二酮）for hexane（正己烷)exposure3.Long:heavy metals such as lead,mercury and cadmium in blood or adducts to DNA and haemoglobin for electrophilic compounds or metabolites4.Very long:heavy metals in bone.暴露生物标志物类别依据生物
5、半衰期分为四种主要类型：8/41效应生物标志物效应生物标志物Biomarkers of Effects指机体内可测量生化、生理、行为或其它改变，这些改变可引发确定或潜在健康损害或疾病。9/41Examples of biomarkers of early biological effects from exposure to mutagenic agents in human populations接触致突变物人群早期生物效应标志物举例Hemizygous gene:半合子基因10/41易感性生物标志物易感性生物标志物Biomarker of Susceptibilityn n指能使个体易于受
6、化学、物理等有害原因影响一些改变指能使个体易于受化学、物理等有害原因影响一些改变,是是因为其先天遗传性或后天取得性缺点而反应出其反应能力因为其先天遗传性或后天取得性缺点而反应出其反应能力一类标志物一类标志物,其特点是在暴露前就已经存在。其特点是在暴露前就已经存在。n n人群对环境有害原因有不一样易感性人群对环境有害原因有不一样易感性,个体对环境原因所致个体对环境原因所致疾病易感性受遗传原因和非遗传原因影响疾病易感性受遗传原因和非遗传原因影响,后者如年纪、疾后者如年纪、疾病情况、营养等病情况、营养等,多数情况下指遗传易感性。多数情况下指遗传易感性。n n基因多态性常作为易感性生物标志物基因多态性
7、常作为易感性生物标志物,机体机体DNA DNA 修复能力修复能力和代谢酶基因是影响机体易感性主要原因。和代谢酶基因是影响机体易感性主要原因。11/41易感性差异影响原因12/41理想生物标志物特征理想生物标志物特征n n与机制与机制紧紧密相关密相关n n敏感性和特异性敏感性和特异性n n标标准化方法准化方法n n便于便于现场现场使用使用n n方法方法难难度度n n非非创伤创伤性性n n高通量分析高通量分析n n费费用适当用适当13/41Steps to Develop Biomarker发展一个生物标志物大致步骤Selection of type:risk factor vs.disease
8、surrogate （危险原因危险原因vs.疾病替换物）疾病替换物）Validity of relation to disease（与疾病相关有效性）（与疾病相关有效性）Field methods（现场方法）（现场方法）Dose-response（剂量反应）（剂量反应）Modifiers（修正）（修正）（敏感性和特异性）（敏感性和特异性）Sensitivity&specificity（人群差异）（人群差异）Population variation14/41二、危险度评价二、危险度评价15/41危险度评价危险度评价Risk Assessment在人群水平上，定性和定量地评定危害原因造成人类不良健
9、康效应可能性。主要由四部分组成：1.1.危害判定2.2.剂量-反应关系评价3.3.接触评定4.4.危险度描述16/41可接收危险度（10-6）线性超线性次线性反应几率剂量实际安全剂量致癌物致癌物17/41非致癌物非致癌物毒代动力学和毒效动力学毒代动力学和毒效动力学 种属间和个体间差异种属间和个体间差异18/41n 从动物到人n 从高剂量到低剂量n 从小样本到大样本危险度评定中不确定原因危险度评定中不确定原因Uncertainty19/41三、生物标志物在危险度三、生物标志物在危险度评价中作用评价中作用 20/41生物标志物能够降低危险度评价过程中不确定原因，主要是围绕剂量反应（效应）关系评价进
10、行。21/41暴露生物标志物暴露生物标志物n n降低外暴露评价造成不确定原因n n降低了种属间外推时毒代动力学差异造成不确定原因n n测定与反应（效应）终点直接相关暴露生物标志物水平，提升接触评价特异性。22/41效应生物标志物效应生物标志物n n效效应应生生物物标标志志物物可可在在造造成成发发病病、死死亡亡、肿肿瘤瘤发发生生、体体重重减减轻轻和和组组织织病病理学改理学改变变低暴露下低暴露下发发生改生改变变，可提升危可提升危可提升危可提升危险险度度度度评评价敏感性。价敏感性。价敏感性。价敏感性。n n种种属属间间或或种种属属内内，个个体体间间相相同同效效应应生生物物标标志志物物改改变变所所需需
11、要要接接触触剂剂量量差差异异，能能够够用用来来估估算算种种属属间间和和种种属属内内毒毒代代动动力力学学差差异异带带来来不不确确定定原原因因水水平，从而平，从而降低种属降低种属降低种属降低种属间间外推外推外推外推时时，毒代，毒代，毒代，毒代动动力学差异造成不确定原因。力学差异造成不确定原因。力学差异造成不确定原因。力学差异造成不确定原因。n n能能能能够够降低高降低高降低高降低高剂剂量向低量向低量向低量向低剂剂量外推造成不确定原因量外推造成不确定原因量外推造成不确定原因量外推造成不确定原因n n经经过过造造成成早早期期效效应应机机制制能能够够推推断断低低剂剂量量时时剂剂量量反反应应（效效应应）关
12、关系系曲曲线线形状形状n n直直接接研研究究普普通通人人群群暴暴露露珠珠平平下下（低低暴暴露露）剂剂量量反反应应（效效应应）关关系系曲曲线线23/41易感性生物标志物易感性生物标志物n n现现阶阶段段，增增加加对对个个体体易易感感性性差差异异研研究究，能能够够减减减减低低低低小小小小样样本向大本向大本向大本向大样样本外推本外推本外推本外推时时不确定原因。不确定原因。不确定原因。不确定原因。n n个个体体间间毒毒代代动动力力学学和和毒毒效效动动力力学学差差异异机机制制说说明明，有有利利于于危危险险度度评评价价模模式式由由人人群群向向亚亚人人群群甚甚至至个个体体水平水平过过渡，渡，显显然然提升了危
13、提升了危提升了危提升了危险险度度度度评评价精度。价精度。价精度。价精度。24/41四、生物标志物有效性及评价四、生物标志物有效性及评价 25/41生物标志物有效性生物标志物有效性n n有效性指是在特定生物系有效性指是在特定生物系统统中，一个生物中，一个生物标标志物在多志物在多大程度上反大程度上反应应了要求其反了要求其反应应生物学事件生物学事件，比如暴露、，比如暴露、效效应应和易感性：和易感性：n n对对于于试验试验室研究科学家而言，有效性包含生物室研究科学家而言，有效性包含生物标标志物本志物本质质和和测试测试方法特征，方法特征，试验试验方法敏感性和特异性，及影响方法敏感性和特异性，及影响测试测
14、试方法方法原因。原因。n n对对于流行病学家而言，有效性包含于流行病学家而言，有效性包含测试测试阳性阳性预测值预测值和人群和人群归归因危因危险险度百分比，人群使用可行性，度百分比，人群使用可行性，现场现场条件下方法条件下方法稳稳定性，定性，影响影响该该效效应应混混杂杂原因或效原因或效应应修修饰饰因子。因子。n n只只有有经经过过了了有有效效性性评评价价生生物物标标志志物物方方可可用用于于危危险险度度评评价。价。26/41五、问题与展望五、问题与展望 27/41生物标志物不足生物标志物不足n n有化学物找不到适当生物标志物n n新化学物无人群暴露资料n n替换生物标志物与靶组织n n造成社会、伦
15、理和经济问题n n个体个体遗传损伤遗传损伤增高怎增高怎样处样处理？理？n n易感性生物易感性生物标标志物怎志物怎样样使用？使用？28/41在生物标志物和危险度评价研在生物标志物和危险度评价研究中需要注意几个问题究中需要注意几个问题 n n环境接触和人体效应研究并举n n流行病学研究与机制研究有机结合n n多个生物标志物综合分析n n适宜合理流行病学设计29/41环境接触和人体效应研究并重环境接触和人体效应研究并重 n n以基因以基因环环境交互作用模式研究境交互作用模式研究环环境原因致病是基因境原因致病是基因组时组时代代预预防医学研究特色之一防医学研究特色之一。应该应该同同时时重重视环视环境与基
16、因在疾境与基因在疾病病发发生（或者健康危害）生（或者健康危害）过过程中作用，片面程中作用，片面强调遗传强调遗传原因原因或或环环境原因境原因观观点都是缺乏科学基点都是缺乏科学基础础。n n应该认识应该认识到到基因不可能基因不可能处处理全部理全部问题问题，要，要对对基因多基因多态态性研性研究不足有足究不足有足够认识够认识，基因不可能回答全部，基因不可能回答全部问题问题。n n只有将只有将机体与机体与环环境原因研究境原因研究亲亲密密结结合合，才能找到答案。，才能找到答案。30/41流行病学研究与机制研究有机结合流行病学研究与机制研究有机结合 n n环环境原因致病机制研究是境原因致病机制研究是认识认识
17、基因基因环环境交互作用基境交互作用基础础。n n伴随在伴随在细细胞和分子水平上胞和分子水平上对环对环境原因造成疾病境原因造成疾病过过程和机程和机体反体反应认识应认识深入，深入，首先首先为为人群研究提供生物人群研究提供生物标标志物，另志物，另首先人群分子流行病学研究首先人群分子流行病学研究发觉发觉也也为为机制研究提供有益机制研究提供有益线线索索。n n理理论论上，二者能上，二者能够够很好地相互促很好地相互促进进，然而当前两方面研，然而当前两方面研究工作究工作还还没有有机地没有有机地结结合。合。n n将人群研究与机制研究有机地将人群研究与机制研究有机地联络联络起来，需要起来，需要预预防医学防医学和
18、基和基础础医学研究者共同努力。医学研究者共同努力。31/41多个生物标志物综合分析多个生物标志物综合分析 n n应该应该从三从三类类生物生物标标志物志物结结合合为为基基础础人群分子流行病研究人群分子流行病研究。n n将暴露生物将暴露生物标标志物以及效志物以及效应标应标志物与易感性志物与易感性标标志物有机志物有机结结合，合，经过经过探索三者之探索三者之间间内在关系，内在关系，结结合合对应对应机制研究，机制研究，实实现创现创新和突破新和突破。n n连续变连续变量效量效应应生物生物标标志物比以疾病志物比以疾病为观为观察察终终点有点有许许多多优优点点，比如比如观观察察终终点同点同质质性更高、研究需要性
19、更高、研究需要样样本量更小，更本量更小，更轻轻易易探探讨讨功效功效联络联络和表述和表述剂剂量效量效应应关系。关系。32/41适宜合理流行病学设计适宜合理流行病学设计 n n分子流行病学研究分子流行病学研究设计设计必需遵照流行病学基本必需遵照流行病学基本标标准准。n n分子生物学技分子生物学技术术和生物和生物标标志物本身并不能填志物本身并不能填补补流流行病学研究行病学研究设计设计缺点。所以缺点。所以严严格流行病学格流行病学设计设计是是高高质质量研究根基。量研究根基。n n重重视对视对暴露珠平暴露珠平评评价价（外暴露和内暴露）（外暴露和内暴露）n n严严格控制混格控制混杂杂和偏倚和偏倚n n足足够
20、样够样本量本量33/41展展 望望n n细细胞胞与与分分子子生生物物学学理理论论与与技技术术，尤尤其其是是基基因因组组学学飞飞速速发发展展赋赋予予预预防防医医学学工工作作者者新新启启迪迪和和机机遇遇，实实现现了了从从整整体体和和器器官官水水平平向向细细胞胞和和分分子子水水平平飞飞跃跃，从从组组织织细细胞胞中中个个别别或或少少数数内内容容物物检检测测到到全全方方面面审审阅阅机机体体全全部部基基因因、蛋蛋白白质质和和代代谢谢物物水水平平各各种种“组组学学（-omics-omics）”技技术术发发展展，并并与与生生物物信信息息学学整整合合，创创造造了了预预防医学全新局面。防医学全新局面。n n建建立
21、立和和发发展展了了许许多多新新分分子子生生物物标标志志物物，成成为为沟沟通通机机制制研研究究与与人人群群流流行行病病学学调调查查“共共同同语语言言”，使使宏宏观观与与微微观观研研究究有有机机地地结结合起来。合起来。34/41应用实例TNT-血红蛋白加合物在危险度评价中应用35/41三硝基甲苯（三硝基甲苯（TNT）理化性理化性质质 MW227.13 MW227.13 密度密度1.654g/L1.654g/L熔点熔点80.6580.65沸点沸点240(240(爆炸爆炸)不溶于水，溶于油脂不溶于水，溶于油脂 职业职业接触接触:接触路径接触路径:吸收、分布和排泄吸收、分布和排泄:皮肤皮肤,呼吸道呼吸道
22、.生物半减期生物半减期:0.81:0.81天天可能非可能非职业职业性接触性接触36/41TNT代谢路径代谢路径2A2A4A4-氨基-2，6二硝基甲苯（4A）2-氨基-2，6二硝基甲苯（2A）37/414-A血红蛋白加合物血红蛋白加合物 n nTNT经过体内代谢后，其代谢产物4A能够与血红蛋白(Hb)结合形成4AHb加合物；n n4A-Hb加合物与红细胞生命周期一致，能够在体内存留4个月；n n4AHb 加合物结构判定；n n发觉4AHb与工人接触剂量亲密相关；n n脱离TNT接触两个月后，其体内4A血红蛋白加合物仍维持在相当水平。38/41TNT接触水平与 4A-Hb之间接触-效应关系对112名接触不一样水平TNT 作业工人研究发觉，在高暴露装药、过筛、球磨和压药等工种中4-A血红蛋白加合物水平显著高于包装和维修等低暴露工种。39/41生物监测指标生物监测指标生物限值生物限值采样时间采样时间4-4-氨基氨基-2-2，6 6二硝基二硝基甲苯（甲苯（4A4A）-血红血红蛋白加合物蛋白加合物200 ng/g Hb200 ng/g Hb接触接触TNTTNT作业后作业后4 4个月内个月内职业性接触三硝基甲苯职业性接触三硝基甲苯生物限值生物限值 40/41Thank You!41/41
