生物标志物与危险度评定

Hemizygous gene:半合子基因
易感性生物标志物 Biomarker of Susceptibility

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。 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。 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。
展 望

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。 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。
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
五、问题与展望
生物标志物的局限性

有的化学物找不到合适的生物标志物 新化学物无人群暴露资料 替代生物标志物与靶组织 导致的社会、伦理和经济问题

个体遗传损伤增高如何处理？ 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
环境接触和人体效应研究并举 流行病学研究与机制研究有机结合 多个生物标志物综合分析 适宜合理的流行病学设计
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。

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。



多个生物标志物的综合分析

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。

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。 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，

环境接触和人体效应研究并重

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。

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。

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

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

分子流行病学研究设计必需遵循流行病学的基本 原则。 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。


重视对暴露水平的评价（外暴露和内暴露）
严格控制混杂和偏倚 足够的样本量
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：
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.
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。
职业性接触三硝基甲苯 的生物限值
生物监测指标 4-氨基-2，6二硝基 甲苯（4A）- 血红 蛋白加合物 生物限值 200 ng/g Hb 采样时间 接触TNT作业后 4个月内

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。
四、生物标志物的有效性及评价
生物标志物有效性

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：
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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 Biomarkers of Susceptibility

Stages linking exposure to chemicals with clinical disease.


易感性差异的影响因素
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
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）
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

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。


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。
暴露生物标志物 Biomarkers of exposure

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。

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。
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）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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 。

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

环境因素致病机制研究是认识基因－环境交互作用的基 础。 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。 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。 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。
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
zdzhang@njmu.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。
致癌物
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
毒代动力学和毒效动力学 种属间和个体间差异
危险度评定中的不确定因素 Uncertainty 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，主要是围绕剂 量—反应（效应）关系评价进行。
Field methods（现场方法）
Dose-response（剂量反应） Modifiers（修正）
（敏感性和特异性）Sensitivity
& specificity variation
（人群差异）Population
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

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