应用与展望：传染病流行病学的重要成果

传染病分子流行病学研究主要是针对某一种传染病的病原体在基因水平上分析其特征，从而更准确地解决该传染病的传染源、传播途径等流行病学问题。

1　病原学研究

1.1　病原体的分离和检测

传染病分子流行病学是目前研究病原体分类和检测的最有效手段。分子流行病学研究最早通过病原体的基因分析调查病原体的分布规律。在传染病流行病学研究中，病原体的准确分型对疾病的防制非常重要。由于病原体表型特征的不稳定性和易变性，以表型特征研究的分型，如血清学、生化等，就存在缺陷。相比之下，基因分型相当稳定可靠，可以作为病原体鉴定和诊断的重要依据。病原微生物和寄生虫感染引起的传染病大多是病原体基因组与人类基因组相互作用的结果，最终表现为某种特定传染病的表型。通过基因水平进行检测可直接探知病原体在体内的消长过程及其与机体相互作用乃至损害机体的细节，从而在疾病症状出现之前或者病程早期采取相应的防治措施，控制传染病的发生和流行。基因分型技术已用于鼠疫、霍乱、艾滋病、肝炎、结核病、疟疾等常见传染病的基因诊断和机制研究，具有较高的敏感性和特异性，成为病原体分析、检测、鉴别和分类的主要手段。例如，有关流感嗜血杆菌的研究表明，其主要毒力因子是b型荚膜，因此b血清型被视为致病菌。但从爱斯基摩人和阿拉斯加居民中检测出的流感嗜血杆菌b血清型菌株却不引起发病；分子流行病学研究表明，这些菌株属于一个克隆，其与能引起侵袭性发病的b型菌株克隆在遗传学上有一定差异。因此，仅以血清学生物学方法对病原体进行分型鉴定对于传染病的防制是远远不够的，需要新的分型鉴定方法（如遗传学检测）的应用。

1.2　病原体的进化变异规律研究

各种传染性疾病均由特异的病原体引起。病原体因受各种因素的影响，可发生基因重组或变异，因而形成自然界中不同的病原体株。许多传统的传染病重新暴发，形成新的公共卫生问题，如结核、性病等。因此，研究病原微生物的遗传和进化变异规律已成为分子流行病学研究的重要内容。有研究者应用分子流行病学方法对白喉杆菌的变异进行了研究。从一位患有膜性扁桃体炎的婴儿体内分离到1株产毒的白喉杆菌。同时对其周围人群做带菌检查，分离到一些产毒株和非产毒株。从这些菌株提取DNA后进行内切酶图谱分析，发现这些菌株的DNA相同，但与其他地区分离到的白喉杆菌DNA图谱明显不同。随后进一步采用白喉βc探针进行检查，发现凡产毒株均呈阳性反应，非产毒株亦有部分呈阳性反应。研究者又进行一系列研究，认为是一株带有产毒基因的非产毒白喉杆菌传入一群有免疫力的人群，其后通过噬菌体作用，将当地人群中非产毒的菌群转化为产毒株，产毒基因从而得以扩散。当无免疫力人群被再次传染时即会获得感染而发病。

流感流行与其抗原变异有关。1989年，国家流感中心在我国发现H1N2新亚型毒株，于是对其首发时间、地点、毒株抗原特性及基因来源进行了研究，并从不同实验室取得7株H1N2毒株，发现其基因节段的电泳迁移率完全相同。它们编码HA蛋白的基因迁移率与H1N2参考株相同，其他基因片段均类似于H3N2参考株。经核酸序列研究，基本认为H1N2新亚型是由H1N1与H3N2亚型在人体内进行重组而形成的。此结果不仅解决了流感流行的问题，也为控制流感流行提供了线索。

2003年我国暴发的SARS传染的变异可分为三个阶段：早期分离的病毒与果子狸分离出来的SARS病毒仅差27个碱基对，因此怀疑SARS是一种动物来源的传染病；中期SARS病毒分子结构稳定，病毒传染力强；后期病毒碱基短缺可达数百个，病毒的传播力大大减小。在SARS病毒的分子流行病学研究过程中，研究者通过对分子生物学的变异与临床特征及传染性关系的分析，并对来自广东和香港不同发展阶段的24例病人的18株SARS分离株及11份含病毒生物样品进行病毒基因组全测序测定，结合公共数据库中病毒的全基因组序列数据进行比对，对冠状病毒流行过程中的变异规律有了更深刻的认识。

2　传染源追踪

及时控制传染源对预防传染病的流行有积极意义。应用传统传染病流行病学分析传染源时，由于检测方法的灵敏度和特异度不够，经常遇到传染源无法确定的情况，给防制工作带来了很大困难。分子流行病学的产生和应用，使这些难题得到解决，在传染病的流行控制中起很大作用。例如，1985年某医院暴发了一次上呼吸道感染。该年6月24日，一名患有淋巴细胞白血病的女性患者求医。该患者因“近两年来频繁出现口腔溃疡，半年来常有呼吸道炎症、乏力，两个月来有腹泻、流涕、发热”而入院。经各种抗生素治疗均无效，于住院后15天死亡。自7月1日至20日，该医院38例曾接触过这个病例的工作人员患急性上呼吸道感染，其中有18例分离到腺病毒3型（1例腺病毒血清抗体呈阳性）。另有34例接触的工作人员虽无急性上呼吸道症状，但其中4例血清抗体呈阳性。对原发病例与继发病例中分离到的8株病毒，用6种限制性内切酶进行分析，经BamH消化后的琼脂糖凝胶条带中发现，本次分离到的腺病毒与原来腺病毒3型不同，但这8株病毒完全一致，均为腺病毒3a型。因此，该医院内工作人员中急性上呼吸道感染暴发的传染源为女性死亡病例，在她住院15天中引起接触者继发感染，病原体为腺病毒3a型。

1992年，美国某地发现一例艾滋病患者，经初步调查发现，他没有明显的艾滋病患者接触史，也不具有HIV感染的危险因素。研究者对此感到困惑。进一步进行流行病学调查发现，患者曾接受过口腔科某医师的治疗，经查该医师血液中HIV抗体阳性。另有6例接受过该医师治疗的口腔病患者也均感染了HIV。欲了解他们之间的传染关系，对该医师与曾接受他治疗的7例患者和自当地采集的其他35例HIV感染患者的血液进行研究。核酸序列分析显示，5例患者的病毒与该医师病毒有克隆关系，而其他37例患者的病毒与该医师病毒的遗传关系较远，从而阐明5例患者是在接受该医师手术时被感染的。

3　传播途径研究

传染病流行中传播途径或传播媒介的调查通常使用排除法，同时尽可能在媒介物中分离到引起流行的病原体或检测到病因学标志物。分子流行病学的发展引入的一些新的分子生物学技术可以更准确地确定传播途径。1981年，Taylor等首次应用质粒图谱分析法调查慕尼黑沙门菌（S．muenchen）感染暴发情况。在美国俄亥俄州等地区发生的慕尼黑沙门菌感染暴发，最初未能确定食物为传播途径。Taylor在密执安地区通过病例对照研究，发现患者中76%有暴露于大麻史，对照组的暴露率仅为21%。从病家获得的大麻标本分离到慕尼黑沙门菌，每克大麻含菌量高达107。这些与暴发流行有关的菌株对实验所用的抗生素均敏感，从表型看与其他来源的菌株无法区分。既往也没有大麻作为病原菌传播途径的报道，因此尚不能得出结论。但经质粒图谱分析发现，与暴露大麻有关的菌株均含有两个相对分子质量较小的质粒（3.1MD和7.4MD），而对照组菌株无这种质粒，说明大麻为这次暴发流行的传播媒介。此外，根据大麻去向预测其他地区的流行情况也被后来的事实所证明。

1989年7月与10月，某市连续暴发两次副溶血弧菌引起的食物中毒。血清学检测同一次食物中毒患者有不同血清型，甚至同一患者可检测到不同血清型的菌株，这些现象不支持暴发的同源性。采用质粒图谱分析，从第一次暴发中分离到的菌株含一个50MD的质粒，第二次暴发中的菌株含70MD的质粒。同一次暴发中分离到的菌株质粒图谱基本相同，提示是一次同源性暴发，但两次暴发由不同菌株引起。

4　人群易感水平研究

从上述易感标志物的讲述中我们看到，不同群体、个体对传染病的易感程度不一，这与免疫力的差异有关，也与遗传基因有关。分子流行病学研究认为，艾滋病、结核及许多肿瘤的发生与人群的遗传特征有关，某些基因的存在或缺失可使机体的易感性增高。

Hill等为探讨不同人类白细胞抗原（HLA）基因与疟疾患病的关系，在非洲西部儿童中进行了病例对照研究。结果发现，HLAⅠ群抗原基因（HLA-BW53）和HLAⅡ群抗原基因（DRB11302-DQB）在非洲西部儿童中普遍存在，而在其他种族中较少见。该抗原可减轻人体患疟疾的严重程度，降低发病率。近年开展的大量全基因组关联研究也表明，传染病分子流行病学研究在易感人群的确立中具有重要作用。分子生物学技术使得易感人群的确立变得更为精确，传染病分子流行病学研究作为传染病研究的重要手段已不可或缺。

5　疾病流行规律及监测

传统传染病流行病学在研究疾病的流行规律时多研究病原体的表型，但往往不能满足需求，解决问题的效力有限。例如在暴发调查时，有时虽能分离到不同型的病原体，但其抗药性往往相同，需要从分子或基因水平来阐明病原体特征、变异规律，从而了解其来龙去脉，弄清流行规律。

人巨细胞病毒（HCMV）能进行组织培养，且只有一个血清型，研究其传播规律有一定难度。Alder团队应用分子生物学方法研究了HCMV在日托机构中的传播规律。从1984年9月至1986年10月他们对82户104例入托儿童采用限制性内切酶图谱分析法观察26个月。结果发现，该所HCMV流行率初为25%，26个月后增至61%，且病例主要发生在36月龄以下的儿童。对病原体的分析发现，至少有A、B、C 3株HCMV毒株存在，但以A株为主的HCMV感染首先发生在日托婴幼儿中，再由婴幼儿传给其母亲，然后由其母亲传给其父亲。

在传染病监测中，最主要的环节是弄清该病在人群中的流行规律和传播机制。目前疾病在人群流行的现象比以往更加复杂，已由“三环节两因素”向三因素甚至四因素发展。病因已由“单病因、单效应”向“多病因、多效应”发展，传播机制也由水平传播、垂直传播发展为混合传播。疾病侵入人体途径也日益复杂，疾病中隐性感染的比例不断上升，非典型和隐性感染者越来越多。

因此，运用传统的检测方法调查传染源、传播途径，确定疾病流行规律，往往存在一定的困难，必须借助分子流行病学研究方法，应用更加先进、更高敏感度和特异度的方法和手段。同时在传染病监测过程中，分析病原体和分离鉴定其亚型对于追踪传染源和传播途径并对重点人群采取相应的防制措施具有重要意义。

6　疫苗研制

以往使用的疫苗多采用灭活疫苗或减毒活疫苗。随着先进的分子生物学技术的引入以及对病原学研究的深入，可以从分子水平分析病原体蛋白与核酸的特性，从而研制新型疫苗。现有的新型疫苗包括基因工程疫苗和合成肽疫苗等。使用DNA重组生物技术，把天然的或人工合成的、编码免疫原的遗传物质定向插入载体，并传染到细菌、酵母菌或哺乳动物细胞中，使之充分表达，可产生大量免疫原，经纯化后制得疫苗。例如，将乙型肝炎表面抗原（HBsAg）的基因引入酵母菌中，该酵母菌可表达HBsAg，经纯化制备乙型肝炎疫苗。某些病毒也能人工合成其具有抗原活性的多肽，例如乙型肝炎病毒、流感病毒等的人工合成多肽。合成肽疫苗是一种仅含免疫决定簇组分的小肽，即用人工方法按天然蛋白质的氨基酸顺序合成保护性短肽，与载体蛋白结合，然后选择一种好的免疫佐剂以增强其免疫效果。加佐剂后所制成的疫苗，是最理想的新型安全疫苗。

7　展望

分子流行病学依然是一门新兴学科，尚有很多不成熟的地方。但随着组学技术和各学科的发展和融合，以及先进的计算机技术、信息技术和统计学方法等手段的不断引入，分子流行病学的发展越来越快，流行病学已提高到一个崭新阶段。当前传染病分子流行病学仍然需要加大力度研究病原微生物基因组和宿主易感性。以基因组、转录组、表观遗传组、蛋白组和代谢组为代表的高通量组学技术应用于传染病分子流行病学研究将极大地推动传染病流行病学的研究和发展。

传染病分子流行病学研究仍然需要重视宏观流行病学研究设计（研究设计类型、样本量和质量控制），重视暴露因素和危险因素的收集与利用，提高研究质量和水平（很多时候缺乏环境暴露的评估和环境-基因交互作用的分析），同时应该更加注重临床转化。如何进行生物标志物的临床转化将是今后分子流行病学研究的重要任务之一。

当前，大数据时代的序幕已经拉开，精准医学的理念正在被越来越多的研究人员和医务人员所理解和认可。随着分子生物学技术的发展，人们对利用遗传标志来预测患病风险的兴趣也越来越浓厚。目前，利用遗传标志来预测健康个体患病风险仍然难以实现。一方面是因为遗传标记的检测成本很高；另一方面更重要的原因是，目前已发现的疾病相关遗传标记仍然有限，不足以构建理想的风险预测模型。许多暴露因子和疾病尚无可靠的生物标志物，特别是早期诊断标志物，发现新的疾病相关遗传标记是目前分子流行病学研究的首要任务，也是国际研究的热点和难点。全基因组关联研究在鉴定疾病易感基因中取得了极大的成效，但它仅单纯分析基因组DNA变异与疾病表型之间的关联，存在一定的局限性。疾病的发病过程是复杂的多层次过程，受到DNA、RNA和蛋白质等生物因子的复杂调控。基因变异、表观遗传改变、基因表达异常以及信号通路紊乱等都参与了这个调节控制过程。利用多组学研究方法，从多水平、表观机制角度进行研究，可以在一定程度上弥补单组学（即基因组学）研究的缺陷，有助于发现新的疾病致病遗传因素和表观遗传因子。

得益于高通量技术的发展，以基因组、转录组、表观遗传组、蛋白组和代谢组为代表的高通量组学数据将用于进一步揭示疾病的危险因素和开发新的生物标志物。国际上一些重要项目产生的数据也给疾病危险因素研究提供了有力的证据和工具，如国际人类基因组单体型图计划（HapMap）、千人基因组计划（1000 Genomes Project）、ENCODE计划、Roadmap Epigenomics计划、GEO数据库，以及近年发展的三维基因组学Hi-C数据等。这些数据提供了物种的基因组序列信息、基因组功能元件信息、基因在染色质超螺旋、折叠后在空间上的交互作用（long-range interaction）信息等，阐释了基因组功能的多样性和复杂性。当前科技飞速发展，分子流行病学中的相关问题会逐渐得到解决，因此可以预料在不久的将来，分子流行病学会更加完善和成熟，精准预防和精准医疗也会逐步实现。