生物标志物与危险度评定

Bonassi and Au, 2002
CLINICAL DISEASE
生物标志物
Biomarker
1987年, 美国全国科学理事会(NRC)生物标志 物委员会将生物标志物描述为反映生物系统 或样本中所发生事件 (event) 的指标，并将其 视为研究接触外源化学物与健康损害之间关 系的工具。其广义定义为：测定生物系统与 外源化学物之间相互作用关系的一种特异测 量指标。
Relation of events and biomarker classification (Albertini 2001).
暴露生物标志物 Biomarkers of exposure
• 用以反映机体生物材料中，外源性化学物或其代谢产 物或外源性化学物与某些靶细胞或靶分子交互作用产 物的含量。 Biomarkers of exposure are exogenous substances; metabolites; the product of an interaction between a xenobiotic and a target molecule or cell measured within a compartment of an organism (NRC 1989). • 暴露生物标志物（biomarker of exposure）与内剂量生 物指标（biological indicator of internal dose）本质上的 意义相同，只不过后者更强调其与重要器官或组织有 害作用（adverse effects）间的关系。
反应几率 超线性 线性
次线性 可接受危险度 （10-6） 剂量
实际安全剂量
非致癌物
Benchmark dose（基线剂量）
超额危险度 95%可信下限曲线 0.1 由实验数据拟合的 剂量—反应曲线
0.0 LED10 ED10
剂量
超额危险度=实际反应率 - 非暴露组的反应率
不确定因素 Uncertainty
生物标志物在预防医学的应用
• 评估疾病和暴露的危险度 • 探索致病的生物过程
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： 1.危害鉴定 2.剂量-反应关系评价 3.接触评定 4.危险度描述
致癌物
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。
（宋文佳，2002）
（宋文佳，2002）
（刘玉瑛，1995）
职业性接触三硝基甲苯 的生物限值
易感因素举例
Βιβλιοθήκη Baidu
暴露因子
效应
性别
年龄
二溴一氯丙烷 不孕
甲基汞 神经发育迟缓
获得性的易感因素
疾病状态 生活方式 哮喘 吸烟 二氧化硫 石棉 支气管阻塞 肺癌
理想的生物标志物的特征
• 与机制紧密相关
• 敏感性和特异性
• 标准化的方法
• 便于现场使用
– 方法难度 – 非创伤性 – 高通量分析 – 费用适当
Steps to Develop Biomarker
MN
Distinguish chromosome breaks from aneuploidy; survivability of damaged cells uncertain
Detect somatic mutation of a hemizygous gene in the Xchromosome; identify clonal origin of mutated cells; predictability of mutation in other genes in somatic cells uncertain
效应生物标志物
• 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； • 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； • 可以降低高剂量向低剂量外推导致的不确定因素 – 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 – 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
HPRT gene mutation
易感性生物标志物 Biomarker of Susceptibility
反映机体先天具有的或后天获得的对 接触外源性化学物产生反应能力的指 标。
易感性差异的影响因素
分类
体质性的易感因素 遗传 种族 慢乙酰化 欧洲人种 男性 12 -16周胎儿 芳香胺 阳光 膀胱癌 黑色素瘤
效应生物标志物 Biomarkers of Effects
机体中可测定的生化、生理、行为和其他 改变的指标，这些改变与化学物导致的健 康效应或疾病相关联。
– Intermediate endpoint or early outcome predictor（早期效应标志物）：公共卫生意 义 – Surrogate biomarker （晚期效应标志物）： 临床诊断与疗效评价
• 从动物到人 • 从高剂量到低剂量 • 从小样本到大样本
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，主要是围绕着 剂量 — 反应（效应）关系评价进行 的。
暴露生物标志物
• 降低外暴露评价导致的不确定因素； • 减少了种属间外推时毒代动力学差异 导致的不确定因素； • 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。
生物标志物与危险度评定
Biomarker and Risk Assessment
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
一、生物标志物
疾病发生模式图
GENETIC AND NVIRONMENTAL FACTORS
EARLY BIOLOGICAL EVENTS 传统流行病学研究 LATE BIOLOGICAL EVENTS
生物标志物的分类
• 暴露生物标志物
Biomarkers of exposure
• 效应生物标志物
Biomarkers of Effects
• 易感性生物标志物
Biomarker of Susceptibility
Stages linking exposure to chemicals with clinical disease.
Effect
Susceptibility
a
b
Biomarkers of exposure may also be validated by establishing a constant link to an adverse health effect (only cohort study) or to the concentration of the chemical in the target organ (cross-sectional study) . including prospective, retrospective cohort studies and nested case-control study
生物监测指标 生物限值 采样时间 接触TNT作业后 4个月内 4-氨基-2，6二硝基 200 ng/g 甲苯（4A）- 血红 Hb 蛋白加合物
四、生物标志物的有效性及评价
生物标志物有效性
• 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； • 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：
Examples of biomarkers of early biological effects from exposure to mutagenic agents in human populations
Biomarkers of Characteristics exposure
CAs Distinguish radiation from chemical effects; show specificity to certain chemicals (dicentric-radiation); predict survivability of cells with certain CAs
Selection of type: risk factor vs. disease surrogate Validity of relation to disease Field methods
Dose-response
Modifiers
Sensitivity & specificity
Population variation
易感性生物标志物
• 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； • 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。
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）
2A
4-A血红蛋白加合物
• TNT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4A－Hb加合物； • 4A-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； • 4A－Hb 加合物结构鉴定； • 发现4A－Hb与工人的接触剂量密切相关； • 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 。
Biomarker type Exposure Characteristics of validity Consistently linked with exposure at relevant levels of exposure with confounding and background exposures assessed (crosssectional study) a Consistently linked with increased risk with confounding and effect modifying factors assessed (attributable proportion and predictive value in only cohort studyb) Can distinguish subgroups at risk given specific exposure (cross-sectional study, case-control study and cohort study)
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
4A
4-氨基-2，6二硝基甲苯（4A） 2-氨基-2，6二硝基甲苯（2A）
– 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。 – 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。
三类生物标志物有效性特征
暴露生物标志物的类别
根据生物半衰期把暴露生物标志物分为四种主 要类型：
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.