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 zdzhangnjmu.edu.cn提 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的作用 四、生物标志物的有效性及评价 五、问题与展望生物标志物 Biomarker反映生物体系与环境因子(化学的、物理的或 生物学的) 相互作用所引起的任何可测定的 改变,包括生化、生理、免疫和遗传等多方 面的改变,这些改变可发生在整体、器官、细胞、亚细胞和分子水平上。生物标志物的分类n暴露生物标志物 Biomarkers of Exposuren效应生物标志物 Biomarkers of Effectsn易感性生物标志物 Biomarkers of SusceptibilityStages linking exposure to chemicals with clinical disease.Relation of events and biomarker classification (Albertini, 2001) 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；Mutation spectra: 突变谱暴露生物标志物 Biomarkers of exposure n暴露生物标志物指机体内可测量的外源性物质、代谢产物、外源性物质或其代谢产物与靶分子或靶细胞相互作用的产物。n暴露生物标志物与内剂量（internal dose）生物指标本质上意义相同，后者更强调其与重要器官或 组织有害作用（adverse effects）间的关系。 1. Very short: phenol for benzene exposure 2. Short: 2,5-hexanedione（2,5-己二酮 ）for hexane（ 正己烷) exposure 3. Long: heavy metals such as lead, mercury and cadmium in blood or adducts to DNA and haemoglobin for electrophilic compounds or metabolites 4. Very long: heavy metals in bone. 暴露生物标志物的类别根据生物半衰期分为四种主要类型：效应生物标志物 Biomarkers of Effects指机体内可测量的生化、生理、行为或其它改变，这些改变可引起确定的或潜 在的健康损害或疾病。Examples 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:半合子基因易感性生物标志物 Biomarker of Susceptibilityn指能使个体易于受化学、物理等有害因素影响的一些改变,是由于其先天遗传性或后天获得性缺陷而反映出其反应能 力的一类标志物,其特点是在暴露前就已经存在。n人群对环境有害因素有不同的易感性,个体对环境因素所致 疾病的易感性受遗传因素和非遗传因素影响,后者如年龄、 疾病状况、营养等,多数情况下指遗传易感性。n基因多态性常作为易感性生物标志物,机体DNA 修复能力和代谢酶基因是影响机体易感性的重要因素。易感性差异的影响因素理想的生物标志物的特征n与机制紧密相关n敏感性和特异性n标准化的方法n便于现场使用n方法难度n非创伤性n高通量分析n费用适当Steps to Develop Biomarker 发展一个生物标志物的大体步骤Selection of type: risk factor vs. disease surrogate（危险因素vs.疾病的替代物） Validity of relation to disease（与疾病相关的有效性）Field methods（现场方法）Dose-response（剂量反应）Modifiers（修正）（敏感性和特异性）Sensitivity & specificity（人群差异）Population variation二、危险度评价二、危险度评价危险度评价 Risk Assessment在人群水平上，定性和定量地评估危害因素 导致人类不良健康效应的可能性。主要由四 部分组成：危害鉴定剂量-反应关系评价接触评定危险度描述可接受危险度 （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非致癌物毒代动力学和毒效动力学 种属间和个体间差异n 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的不确定因素 Uncertainty三、生物标志物在 危险度评价中的作 用 生物标志物可以降低危险度评价过 程中的不确定因素，主要是围绕剂 量反应（效应）关系评价进行。暴露生物标志物n降低外暴露评价导致的不确定因素n减少了种属间外推时毒代动力学差异导致的 不确定因素n测定与反应（效应）终点直接相关的暴露生 物标志物的水平，提高接触评价的特异性。效应生物标志物n效应生物标志物可在导致发病、死亡、肿瘤发生、体重减轻和组织病理学改变低的暴露下发生改变，可提高危险度评价的敏感性。n种属间或种属内，个体间相同效应生物标志物改变所需要接触剂量的差异，可以用来估算种属间和种属内毒代动力学差异带来的不确定因素的水平，从而降低种属间外推时，毒代动力学差异导致的不确定因素。n可以降低高剂量向低剂量外推导致的不确定因素n通过导致早期效应的机制可以推断低剂量时剂量反应（效应）关系曲线的形状n直接研究一般人群暴露水平下（低暴露）的剂量反应（效应）关系曲线易感性生物标志物n现阶段，增加对个体易感性差异的研究，可以减低小样本向大样本外推时的不确定因素。n个体间毒代动力学和毒效动力学的差异机制的阐明，有利于危险度评价模式由人群向亚人群甚至个体水平过渡，显然提高了危险度评价的精度。四、生物标志物的有效性及评价 生物标志物有效性n有效性指的是在特定生物系统中，一个生物标志物在 多大程度上反映了要求其反映的生物学事件，例如暴露 、效应和易感性：n对于实验室研究的科学家而言，有效性包括生 物标志物的本质和测试方法的特征，试验方法的敏感 性和特异性，及影响测试方法的因素。n对于流行病学家而言，有效性包括测试的阳性 预测值和人群归因危险度百分比，人群使用的可行性 ，现场条件下方法的稳定性，影响该效应的混杂因素 或效应修饰因子。n只有经过了有效性评价的生物标志物方可用于危险度 评价。五、问题与展望 生物标志物的局限性n有的化学物找不到合适的生物标志物n新化学物无人群暴露资料n替代生物标志物与靶组织n导致的社会、伦理和经济问题n个体遗传损伤增高如何处理？n易感性生物标志物如何使用？在生物标志物和危险度评价研 究中需要注意的几个问题 n环境接触和人体效应研究并举 n流行病学研究与机制研究有机结合 n多个生物标志物综合分析n适宜合理的流行病学设计环境接触和人体效应研究并重 n以基因环境交互作用模式研究环境因素致病是基因组时代的预防医学研究的特色之一。应当同时重视环境与基因在疾病发生（或者健康危害）过程中的作用，片面强调遗传因素或环境因素的观点都是缺乏科学基础的。n应该认识到基因不可能解决所有问题，要对基因多态性研究的局限性有足够认识，基因不可能回答所有问题。n只有将机体与环境因素的研究密切结合，才能找到答案。流行病学研究与机制研究有机结合 n环境因素致病机制研究是认识基因环境交互作用的 基础。n随着在细胞和分子水平上对环境因素导致疾病过程和 机体反应的认识深入，一方面为人群研究提供的生物标 志物，另一方面人群分子流行病学研究发现也为机制研 究提供有益的线索。n理论上，两者可以很好地相互促进，然而目前两方面 的研究工作还没有有机地结合。n将人群研究与机制研究有机地联系起来，需要预防医 学和基础医学研究者的共同努力。多个生物标志物的综合分析 n应当从三类生物标志物结合为基础的人群分子流行病研究。n将暴露生物标志物以及效应标志物与易感性标志物的有机结合，通过探索三者之间的内在关系，结合相应的机制研究，实现创新和突破。n连续变量的效应生物标志物比以疾病为观测终点有许多优点，例如观测终点的同质性更高、研究需要的样本量更小，更容易探讨功能联系和表述剂量效应关系。 适宜合理的流行病学设计 n分子流行病学研究设计必需遵循流行病学的基本 原则。n分子生物学技术和生物标志物本身并不能弥补流 行病学研究设计的缺陷。因此严格的流行病学设 计是高质量研究的根基。n重视对暴露水平的评价（外暴露和内暴露）n严格控制混杂和偏倚n足够的样本量展 望n细胞与分子生物学理论与技术，特别是基因组学的飞速发展 赋予预防医学工作者新的启迪和机遇，实现了从整体和器官 水平向细胞和分子水平的飞跃，从组织细胞中个别或少数内 容物的检测到全面审视机体所有基因、蛋白质和代谢物水平 的各种“组学（-omics）”技术的发展，并与生物信息学整 合，创造了预防医学的全新局面。n建立和发展了许多新的分子生物标志物，成为沟通机制研究 与人群流行病学调查的“共同语言”， 使宏观与微观研究 有机地结合起来。应用实例TNT-血红蛋白加合物 在危险度评价中的应用三硝基甲苯（TNT）理化性质 MW227. 13 密度1.654g/L熔点80.65沸点240(爆炸)不溶于 水，溶于油脂 职业接触: 接触途径:吸收、分布和排泄: 皮肤,呼吸道. 生物半减期: 0.81天 可能的非职业性接触 TNT代谢途径2A4A4-氨基-2，6二硝基甲苯（4A） 2-氨基-2，6二硝基甲苯（2A）4-A血红蛋白加合物 nTNT经过体内代谢后，其代谢产物4A可以 与血红蛋白(Hb)结合形成4AHb加合物；n4A-Hb加合物与红细胞的生命周期一致，可 以在体内存留4个月； n4AHb 加合物结构鉴定；n发现4AHb与工人的接触剂量密切相关；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的水平 。 TNT接触水平与 4A-Hb之间 的接触-效应关系对112名接触不同水平TNT 作业工人的研究发 现，在高暴露的装药、过筛、球磨和压药等工 种中的4-A血红蛋白加合物水平明显高于包装 和维修等低暴露工种。生物监测指标生物限值采样时间4-氨基-2，6二硝基 甲苯（4A）- 血红 蛋白加合物200 ng/g Hb接触TNT作业后 4个月内职业性接触三硝基甲苯 的生物限值 Thank You !