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2.2接触、效应及易感性:三类生物标志物的开发与应用

Oct 14, 2008 No Comments

2.2接触、效应及易感性:三类生物标志物的开发与应用

生物标志物是一种可以反映机体发生改变的分子或细胞水平的内在指标,一个可靠的生物标志物可以成为联系人们所接触的环境与人体健康之间的特异性因素。

由于生物标志物可能与疾病密切相关,因而NRC在1989年出版的单行本论著《肺部毒理学中的生物标志物》(Biologic Markers in Pulmonary Toxicology)和《生殖毒理学中的生物标志物》(Biologic Markers in Reproductive Toxicology)中着重讨论了接触、效应及易感性这三大类生物标志物。图1所示为接触-疾病流程示意图,旨在强调运用生物标志物评估接触剂量、作用模式和疾病病因的重要性。

易感性生物标志物可能会影响流程中每一个元素所起的作用。同时,有助于疾病预防和治疗的生物标志物有可能出现在该途径中的任一环节上。那些早期标记(即在接触很少剂量时就能够检测到的标记)将大大有助于患者减少疾病的转移;而晚期标记则通常与疾病具有更高的相关性。

在过去几十年,人们对生物标志物展开了大量研究,并大大推动了分子流行病学这一门新兴学科的发展。美国国立环境卫生研究院(NIEHS)及美国环境保护机构(U.S.EPA)的研究人员期望,在机体内部及体外环境研究中都能进一步挖掘出生物标志物对于风险评估的价值,同时他们还进行了大量生物标志物可靠性的证实工作,并尝试在临床中率先运用这些经过证实的生物标志物。与此同时,世界上其它组织所开展的生物标志物研究大多局限于实验室,实验室内的研究人员坚信,有朝一日生物标志物能够成功运用于改善公众健康或应对疾病突发事件。

风险评估生物标志物

人们应该大力发展基于生物学的风险评估方法,因为接触类生物标志物能够大大提高人们对于靶组织所接受有害物剂量的估计精度。通过生物反应或效应标记以及它们与相应疾病之间的关联机制,人们能够更好地描述疾病的风险特征。研究人员将会根据仅凭肉眼无法观察到的剂量-反应曲线形态,加强对于公共卫生的干预,同时也从潜在的敏感人群中鉴定出一些可供未来研究的靶分子。接触标记、效应标记和易感性标记三者之间其实存在着内部关联;从概念上,人们似乎希望能够明确的区分这三者,但是事实上,它们是一个相互关联的有机整体。对这种内在关联的认识有助于利用生物标志物来验证已出现的一些假说。但实现这一目标需要打破常规,使用全新的理念来设计实验,需要多学科知识的交叉。

在U.S.EPA出版的《致癌物质风险评估指导建议》(Proposed Guidelines for Carcinogen Risk Assessment)以及最近的《化学物质安全国际计划》(International Programme for Chemical Safety)所提出的通用“风险评估体系”中都建立了一个类似的体系,以将各种不同的科学信息整合到风险评估中来。这一基本的框架体系适用于各种疾病,无论是肿瘤还是非肿瘤。

作用模式这一概念在风险评估体系中居于最为重要的地位。首先必须区分作用模式与作用机制这两个概念。

为了证明作用模式这一假说确实成立,人们通常需要罗列出导致中毒或疾病发生的各个事件环节,同时找到可检测的关键事件,而通常承担这一角色的就是生物标志物。接下来的工作就是仔细分析这些信息,判断这些罗列出的关键事件是否确实与疾病的发生存在因果关系。关键事件被定义为从经验分析能够肉眼观察到的预兆,同时这一事件是作用模式中一个不可或缺的元素,或者是这一元素的一个标记。通常,关键事件包括代谢、受体-配体改变、细胞生长速率和器官重量增加、荷尔蒙分泌失调和其它生理功能紊乱、异常增生现象以及细胞过度增殖等。

当然,对本底值的了解也将有助于对接触剂量-反应的分析。当进行风险评估时,应格外关注某一特定接触对总体风险所造成的影响。因此,在研究之前,人们需要了解通过上述作用模式影响人类健康的有害化学物质的本底水平。最终人们想知道的是疾病发生的本底值(见文后小词典),只有知道了这一信息,人们才能够在接触剂量-反应曲线上进行定位。在这一领域中,生物标志物的作用不可估量。

易感性生物标志物

遗传原因和非遗传原因,如年龄、健康状况、饮食等都可能造成一个人对于环境介导疾病的易感性。基因的多态性就是一种易感性生物标志物。随着人类基因组计划和环境基因组计划的顺利开展,越来越多的基因及其多态形式被发现。通过研究人们能够找到究竟是哪一个基因在环境导致疾病的发生环节链中出现了异常。这些发生变化的基因,大多行使机体的日常功能,基本都能够应用于易感性评估。例如,这些单个基因或成群基因能够影响或控制细胞分化、细胞凋亡、细胞周期或DNA修复过程。由受体介导的疾病发生途径会引起信号转导的变化,从而导致一系列健康异常状况的出现。人类基因组中有相当多的遗传多态性,以至于在它们的帮助下,有时可以预测机体对一个人工给予的接触所产生的反应状况。

在基因芯片等新技术的帮助下,研究人员得以对基因表达模式进行大规模的研究。随着美国国立卫生研究所(NIH)和其它数据库中积累的信息和数据的不断增加,目前的迫切任务是弄清楚这些遗传多态性所对应的生理功能以及遗传多态性变化将如何导致疾病的发生。研究人员通过整合基础实验、临床实验和流行病学资料,逐步揭开这一谜底。尽管有少量研究针对哮喘等疾病开展,但目前绝大多数遗传易感性研究都以肿瘤为研究对象。在遗传多态性功能研究不断取得进步的同时,同样不能忽略这些研究对于个人和社会所带来的伦理道德问题。

接触生物标志物

多学科交叉推动了接触类生物标志物研究的不断进步。接触生物标志物是联系机体外部接触和内部接触剂量的纽带,为剂量-反应评估研究提供了一个可检测的指标,同时也为流行病学和临床评估中的接触研究提供了大量有用信息。

那些能够综合反应各种不同接触模式的生物标志物格外受到研究人员的青睐,特别是对于那些进行多接触物研究的研究人员。基因芯片技术能够鉴定出基因的公共表达模式。因此,即使在比较复杂的情况下也能够鉴定机体是与某一物质接触,但这并不意味着不再需要进行蛋白质功能研究。

生物标志物可以用于特异位点突变评估,例如Superfund位点研究。很明显,生物标志物可以用于急性接触评估和作为一系列后果的导火索,这就包括汞接触和甲基对硫磷(一种农药)接触。血液、血浆和骨骼中的铅含量是一个绝佳的接触和效应生物标志物。除此之外,铅生物标志物研究还教会人们如何充分利用所获得的信息。假如在一小群儿童或一小块区域的人群内检测到很高的血液铅含量,这就是一个十分明显的信号,提示我们要格外给予关注。但在另一种情况下,即所调查区域人群血液含铅量相对于其它地区人群或者对照组并没有显著提高,这是否意味着该地区人群不存在铅中毒,也不需要采取任何措施呢?事实上,我们必须审慎的对待这一结果,即还需要对样本的代表性和所采用的统计学方法再作斟酌。

U.S.EPA主持开展了一项名为“国家人群有害接触评估调查”(National Human Exposure Assessment Survey ,NHEXAS)的研究项目,该项目是一次在社区或区域水平针对有害接触开展的大范围调查。研究人员首先从血液、尿液和呼吸量着手找出患病人群,接着通过分析饮水、食物及周围空气中的有害成分来鉴定出暴露人群,最后得以研究这二者之间是否存在关联。NHEXAS所获得的数据目前还正在分析之中,相信这一项目肯定将为人类提供需多有用的信息。

效应生物标志物

效应生物标志物可能是中毒或疾病发生途径中的一个早期事件,也可能是位于主要途径之外的中毒或疾病前奏事件,例如这些标记可能会与中毒过程或疾病发生过程同步变化(图2)。

目前想要通过人体和动物实验找到生物标志物与疾病发生之间的关联还存在一定困难。一些研究方法需要从接触有害物质或高度接触人群着手,以寻找到与生物效应或疾病相关的生物标志物;而另一些人则首先寻找疾病自身的早期生物标志物,然后再观察拥有不同有害物质的人群体内,该生物标志物会不会随着接触强度升高而升高。不论哪一种研究方法,它们的核心都是确立生物标志物与疾病之间的关联性。

新技术的出现将有助于在人体内进行生物标志物研究。核磁共振和正电子发射断层摄影术(positron-emission tomography, PET)引起了研究人员极大的兴趣,因为这两种成像技术不需要对人体造成任何损伤就能在分子水平检测标记的改变。

只有明白了生物标志物在健康与疾病之间扮演着何种角色,人们才能成功地运用接触和效应等生物标志物。目前,大部分生物标志物还需要进一步证实其用于风险评估的可靠性。

易感性评估和疾病干预中的生物标志物

环境有害物生物标志物的发展与进步离不开代谢知识、相关产物的形成及综合作用机制的帮助。证实一个生物标志物的可靠性必须要通过平行实验和人体实验。

图3所示为在人体内证实和运用一个化学物质特异性生物标志物的系统方法。该流程的两个末端是已经证实的接触标记和风险标记。该图所示方法不仅适用于肿瘤,也适用于其它疾病。

这种证实方式已经应用于以下研究之中:

a)黄曲霉毒素B1接触;

b)肝癌病原学研究;

c)化学药物奥替普拉(oltipraz)预防肝癌研究。

上述研究所采用了血清中的黄曲霉毒素-白蛋白加和物(aflatoxin-albumin adducts)以及分泌到尿液中的黄曲霉毒素-硫醚氨酸(aflatoxin-mercapturic acid)作为生物标志物。由于肿瘤和其它人类慢性疾病的发病过程都是一个长时间多环节的过程,因此能够成为风险标记的化学物质特异性生物标志物是相对较少的。而且这一过程中的风险标记不仅含有化学物质特异性生物标志物,也会包含其它类型的标记,它们各自在一定程度上反映了机体所受到的总体风险。

流行病学研究中的生物标志物

生物标志物通常被用于分子流行病学,以研究对接触剂量和遗传或非遗传因素引起的易感性所进行的评估。

最近一项针对环境污染中的致命化学物质多环芳烃(PAH)的接触研究就是一个利用分子流行病学鉴定潜在致病因子的很好例子。该项研究希望形成一些假说,从而对今后的研究产生帮助。为了补充环境监控的一些不足和确认一些有疑问的数据,这项研究的研究人员通过生物标志物来评估胎儿所接触的毒物剂量。

研究人员将脐带血白细胞中的PAH-DNA加和物以及血浆可替宁作为生物标志物,以检测通过胎盘的PAH数量和吸烟对胎儿产生的影响。可替宁是尼古丁的一种代谢产物, 因此它可以作为一种特异性指标来衡量吸烟对PHA-DNA加合物及其它一些所观测到的机体异常所产生的影响。

很遗憾,研究人员目前还无法利用分子流行病学知识找到一个能够用于筛选研究、疾病预防和临床诊断的与疾病密切相关的临床前标记。由于患病人群和正常人群都处在一个个极为复杂的环境之中,这就为研究带来了很大困难,人们难以找出究竟哪一个因素起着主导作用。因此可能需要采用多种生物标志物来解决这种复杂性所带来的问题。

生物标志物研究实验模型设计

风险评估模型通常依赖于个体而不是群体水平的信息。一般情况下,还必须使用替代标记来代表靶组织。实验模型则能减少物种差异带来的研究误差,同时也更有利于进行低剂量接触效应的研究。此外,实验模型还能够整合流行病学与临床资料,体内和体外实验结果以及结构与活性之间的关系。

该领域的研究,需要我们在个体水平上共享资源。想通过在仅含有均值和标准差的纸上统计数据,设计和证实风险评估模型几乎是不可能的事情。模型设计需要在个体水平(人类或实验动物)上掌握大量而详细的信息资料。明白这一点十分重要,特别是对于研究人员和尝试使用这些信息的社区人群。

原文检索:http://www.ehponline.org      

知易行难/编译                                       

小词典:

本底值:亦称环境背景值。是指在不受污染的情况下,环境组成的各要素,如大气、水体、岩石、土壤、植物、农作物、水生生物和人体组织中与环境污染有关的各种化学元素的含量及其基本的化学成份。它反映环境质量的原始状态。

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