- 预防肿瘤学
- 赵平 王陇德 黎钧耀主编
- 9288字
- 2021-04-16 17:19:56
第4章 预防肿瘤学常用研究方法
预防肿瘤学是现代预防医学的重要分支学科,因此其研究方法也离不开预防医学的常用方法和技术。然而,肿瘤是由多因素作用、多基因参与和多阶段发展的一类慢性非传染病,其病因和发病机制极为复杂,被公认是当代医学科学研究最困难和最具挑战的领域之一,涉及多学科的理论和知识,需要多学科研究人员的共同参与,使用不同学科的方法和技术来进行探讨,其中包括:流行病学调查研究方法;社会医学调查和卫生统计学分析方法;循证医学和循证公共卫生研究方法;系统生物学研究方法;疾病风险评估方法以及分子流行病学和分子遗传学研究方法等。
一、流行病学调查研究方法
现代流行病学是采用卫生统计学的原理和方法,将流行病学方法应用到预防医学中,着重研究疾病的分布、病因,以及人群的健康状态,从而制定疾病的防治策略,达到促进健康和预防疾病的目的。流行病学调查研究方法是预防肿瘤学最重要和最常用的研究方法,主要用于掌握和预测肿瘤负担的人群分布规律和变动趋势,探讨和验证造成肿瘤发生和流行的各种可改变危险因素和潜在社会决定因素,对研究和开发既有科学根据又切实可行的肿瘤三级预防策略和措施,制定和执行以证据为基础的肿瘤综合预防和控制行动计划和实施方案,考核和评估肿瘤综合预防和控制的质量和效果,以及开展肿瘤循证防控策略和措施的系统评价和荟萃分析,为常见癌症防控策略和措施提供现有最佳科学证据也有重要作用。流行病学调查研究方法归纳起来可分为观察分析法,实验验证法和理论归纳法三大部分。
(一)观察分析法
观察分析法指通过全面、系统和客观的调查和研究,对肿瘤在人群中发生、发展和分布特点进行系统和全面的分析、比较、归纳、判断和推理,揭示肿瘤在人群中的分布规律和变动趋势,探索和验证其与各种可改变生物、行为、环境危险因素和潜在社会决定因素的因果关系,以及考核防治干预措施的效果都有重要作用。观察分析法又可分为描述性流行病学调查研究和分析性流行病学调查研究。
1.描述性流行病学调查研究(descriptive epidemiological investigation)
包括历史资料的收集和分析、居民死因回顾调查、肿瘤现患调查或筛检、肿瘤发病登记报告、人口死因统计、危险因素和医疗服务情况监测、现况调查、生态学调查、最终结局随访研究,其主要任务是描述肿瘤按时间、地域和不同人群特征(如年龄、性别、种族、民族、职业等)的分布特点,也能为病因研究提供线索和产生假说,开展筛检和早期发现、早期诊断和早期治疗等二级预防,以及评价和考核肿瘤防控行动计划执行的质量和效果。筛检是流行病学调查研究中常用的方法之一,从种类上属于现况调查,目的在于早诊早治和降低死亡率,是医疗卫生机构和研究人员运用快速检验方法主动地自人群中发现无症状病人的措施。普查是指在特定时间特定范围内人群的全面检查,最终结果是确定人群中患病和未病者。
2.分析性流行病学调查研究(analytical epidemiological investigation)
包括病例对照研究和队列研究。病例对照研究比较患某种肿瘤患者与未患该肿瘤的对照者,暴露于可能危险因素的百分比差异,分析这些因素与肿瘤的联系及联系强度。可用于:①广泛探索肿瘤的可疑危险因素,用于病因研究的初步调查;②深入检验某个或某几个病因假说,用于病因研究的深入探索;③提供进一步病因研究线索。队列研究将特定人群分为暴露与非暴露,或不同暴露水平的亚组,追踪观察一定时间,比较两组或各组的发病率或死亡率,以检验该因素与发病有无因果联系及联系强度。主要用于:①检验病因假说;②评价预防效果;③描述疾病自然史;④疾病预后研究。
(二)实验验证法
实验性研究(experimental study)指将研究人群随机分为实验组与对照组,研究者向实验组人群施加某种干预措施,而不给对照组人群该干预措施或给予安慰剂,随访并比较两组人群的结局,从而判断该措施效果的一种实验方法。实验性研究属于前瞻性研究,随机分组,具有均衡可比的对照组,有干预措施,包括临床试验、现场试验和社区试验。①临床试验(诊疗试验):用实验流行病学的方法,研究某新药或新诊疗方法对病人疗效的实验称临床试验。临床试验(clinical trial):是按实验设计,运用随机分配的原则将试验对象(患者)分为试验组和对照组,给前者某种治疗措施,不给后者这种措施或给以安慰剂,经过一段时间后评价该措施产生的效应,目的是进行病因研究和评价临床治疗、诊断和预后措施的效果。这里的实验法是指在严格的科研条件下设计和实施研究计划,观察和评价产生的效应;②现场试验(预防试验、干预试验):是以尚未患病的人作为研究对象,以个体为单位随机分为两组,一组接受预防措施而另一组则不接受,追踪观察比较两组的结局;③社区试验:是以尚未患病的人作为研究对象,以社区人群为单位随机分为两组,一组接受预防措施而另一组则不接受,追踪观察比较两组的结局。
(三)理论归纳法
该法是以数学模型为工具,描述和研究疾病及其决定因素在人群中分布的动力学模式,深入地探讨疾病流行的内在规律,以便预测疾病流行的趋势,提出预防和控制疾病流行的策略和措施,并评价其执行效果的一种流行病学研究方法。使用理论归纳法必须掌握有关的流行病学知识和原理,收集充足、可靠的流行病学观察资料,对所研究的疾病现象有一个较为全面的理解,而且必须掌握必要的数学知识和计算机软件技术,具有一定的软件编程和数学建模技能。最早在癌症研究领域使用数学模型的是Armitage和Doll 1957年提出的肿瘤形成随机模型。目前,流行病学数学模型主要用于流行趋势的预测,定量研究流行过程中各种因素的作用,设计和评价疾病控制的方案。例如,盖尔模型(Gail model),是根据研究对象的年龄、种族、月经开始年龄、首次活产年龄、近亲患乳腺癌数、乳腺活检数和乳腺活检是否发现非典型增生等来预估乳腺癌风险,可以帮助临床医生评估采取预防性化疗或手术的必要性,并指导受试者的日常生活,达到降低患乳腺癌风险的目的。
二、社会调查研究和卫生统计学分析方法
与其他慢性非传染病相同,肿瘤及其危险因素的发生、发展和分布,不但和环境因素、生物遗传因素密切相关,而且和人群的行为生活方式以及医疗卫生服务等社会决定因素也有联系,必须特别注重使用社会行为医学的研究方法进行研究探讨。社会调查研究是预防肿瘤学常用的一种调查研究方法,也是科学制定肿瘤防控政策和合理开展肿瘤的社会卫生服务的前提,通常用于个体和群体健康情况的评价,健康危险因素评价,生活质量评价和社区卫生服务评价。社会调查研究方法可分为定量研究和定性研究两大类。定量研究采用概率抽样方法选择研究对象,并使用统计分析方法得出对总体的推断结果,通常用于测量事物发生的数量变化和影响范围,目的是获得事物的数量指标,包括观察法、访谈法、自填问卷法、文献法、医学检查和理化分析、专题小组讨论和案例研究等。定性研究采用非概率抽样法抽取研究对象,对研究人群的特殊情况进行研究,其结果一般不能外推,可用于辅助定量研究设计和提出研究假说,协助分析和解释定量研究结果,与定量研究共同进行比较演绎和归纳,以便深入地揭示事物的现况和相关事物的内在本质和规律,进行快速评估,为其他研究提供信息。实际工作中,定量研究常与定性研究交互使用,共同揭示社会卫生状况和相关事物的内在联系和本质。实际使用时,必须充分利用疾病数据库的海量疾病相关数据,采用计算机技术、网络技术、生物信息技术和数据挖掘技术,对数据进行深度挖掘利用,以识别疾病相关危险因素,进行健康风险评估、疾病早期干预和预测预警。卫生统计学是统计学与医学,特别是预防医学相结合的一门应用学科,其原理和方法有助于正确地进行医学研究设计,合理地选择统计方法,恰当地解释研究结果,科学地揭示大量数据中所蕴藏的内在规律。因此预防肿瘤学必须学习和使用卫生统计学来进行研究设计、资料收集、资料整理和资料分析,目的在于从统计数据中挖掘提取有用信息,取得可靠的调查研究结论。
三、循证医学和循证公共卫生研究方法
循证医学(evidence based medicine,EBM)是一种努力寻找和运用目前所能获得的最佳科学证据来指导临床和预防实践的方法学,已成为最近20年来快速发展起来的一门医学新兴学科,其核心是证据,即医疗卫生人员在临床诊疗和疾病预防实践中,要以现有最佳科学研究证据为基础来确定诊疗、预防和公共卫生决策。最新的科学研究证据来源于经过严格评价的临床流行病学研究或基于临床流行病学的原理和方法所做的系统综述。而循证公共卫生是在进行包括健康维护、疾病预防和健康促进在内的社区和人群保健决策时,要审慎、公正、明智地运用当前可得到的最佳证据。循证公共卫生与循证医学之间有一定差别:①公共卫生决策与临床医学实践所采用的证据类型有所区别;②临床证据的数量要远远多于公共卫生实践;③临床干预至产生效果的时间较短,而公共卫生干预至产生效果的时间较长;④医疗专业培训较为正规,执业需要较为严格的资质证书;而公共卫生专业培训的学科较多,公共卫生专业人员的执业资质没有医疗执业人员那么严格,也为高效地进行复杂的决策过程带来一定的限制;⑤循证公共卫生的决策是由小组集体做出的,而循证医学的决策往往是由单个医生做出的。另外,循证医学的对象是个人的治疗及其效果,而循证公共卫生的对象是公共卫生干预项目或措施的制定、执行,目的在于改善人群的健康状况。要筛选最佳证据,就必须使用循证医学和循证公共卫生的方法检索、收集和评价有关的科学研究结果,系统评估研究是否具有科学严密的设计,是否运用了科学的临床流行病学的方法,是否控制了有关偏倚和混杂因素,以及是否具有重要的临床和社区预防服务意义。循证医学和循证公共卫生决策中最常用的证据总结和证据评价方法,其基本过程包括:①构建需要回答的问题;②系统检索证据;③评价证据质量并筛选高质量证据;④对研究证据进行综合分析或定量评价,如荟萃分析;⑤评估证据适用背景,进行决策;⑥考核干预效果。
所谓循证卫生决策,是指根据“证据(evidence)”来制定医疗卫生政策和法规。卫生决策可分为两类,一类是关于群体的宏观决策,包括卫生政策和法规,循证公共卫生与卫生管理;另一类是针对个体(人)的微观决策,如临床决策,治疗方案的制定和循证临床实践。循证决策包含三个环节,首先是生产证据,其次是总结和传播证据,第三是利用证据进行决策。实施循证决策可以提高决策者收集、评估和利用证据的能力;营造一个有利于循证决策的文化和环境,在实践中可以根据新出现的现象和“证据”,修订现行的卫生政策,使卫生改革与发展走上良性、可持续发展的道路。传统的卫生决策很多是主观臆断决策,而非循证决策。至少有三个要素影响循证卫生决策的效果:一是要有研究证据,二是要有可利用的卫生资源,三是政策的价值取向。
循证公共卫生的研究通常分为三个阶段进行。第一是证据生产及其质量评价分类阶段。2001年5月英国牛津循证医学中心提出了证据的分级和推荐标准,共分为治疗、预防、病因、危害、预后、诊断和经济学分析七个方面。第二是证据的总结和传播阶段。证据作为解决问题的知识产品,应该为人类所共享,接受公众的监督,保证需要者能及时获取,并利用证据解决实际问题。不是每个人都有能力和时间生产、收集、评价和分析证据。特别是,由于医学研究和医学文献日益增多,普通医疗卫生工作者往往无法亲自总结和分析这些浩如烟海的科学文献和相关证据,因此证据的总结和传播便更为重要和迫切,必须有专门的机构提供及时和优质的循证信息服务。Haynes在2001年建议将循证信息服务分为五级(5S模型):最基层一级为原始研究,次基层一级为系统评价(如Cochrane系统评价),然后第三级是概述(如循证医学期刊上对原始研究和综述的简要描述),第四级为循证教科书总结,最高一级是计算机决策支持系统。查找科学证据进行决策可首先从“5S”模型的最上一层“计算机决策支持系统”开始,即必须将所有有关研究证据与电子病历整合起来,构成最新的循证指南,保证决策的准确性和时效性。如果没有计算机决策支持系统则需要在下一层循证教科书“总结”中查找证据。此层面的资源有:《临床证据》(Clinical Evidence,http:/ /clinicalevidence. bmj. com)、美国内科医师协会下属的医师信息和教育资源(PIER,http:/ /pier. acponline. org)等。如果还不能解决问题,则需要查阅下一层数据库“概述”,如美国内科医师协会杂志俱乐部(ACP Journal Club,http:/ /www. acpjc. org),循证医学期刊( Evidence- Based Medicine,http:/ /ebm. bmj. com)与牛津大学的Bandolier(http:/ /www. jr2oxacuk/bandolier)等。如果问题还未解决,则需要查阅“综述”,如Cochrane图书馆(http:/ /www. thecochranelibrary. com)数据库。其中,循证预防肿瘤学最重要的网址是美国国立癌症研究所(NCI)、美国疾病预防和控制中心(CDC)和美国抗癌协会(ACS)共同开发的癌症控制计划、连接、行动和循证工具网络(http:/ /cancercontrolplanet. gov)以及美国卫生保健研究和质量管理局(AHRQ)支持组建的美国预防服务特别工作组和社区预防服务特别工作组网站(http:/ /uspreventiveservicestaskforce. org和http:/ /thecommunityguide. org)。如果通过以上途径都没有找到满意的支持证据,则需要通过美国国立医学图书馆(PubMed)、荷兰医学文摘(EMBase)、中国生物医学文摘数据库(CBMDisc)等数据库查找原始研究。第三是基于证据进行决策阶段。研究证据是科学决策的重要依据和手段,但证据本身并不等于决策。决策,尤其是公共卫生决策是一个复杂过程,往往受证据本身、决策环境、资源、决策者(技能、经验和偏好)和用户的价值取向等多因素影响。
四、系统生物学研究方法
近代生物学研究主要是以分子生物学和细胞生物学研究为主。研究方法皆采用典型的还原论方法。到目前为止,还原论的研究已经取得了大量的成就,在细胞甚至在分子水平对生物体都有了很详尽的了解,但对生物体整体的行为却很难给出系统、圆满的解释。生物科学还停留在实验科学的阶段,没有形成一套完整的理论来描述生物体如何在整体上实现其功能行为。尽管对一个复杂的生物系统来说,研究基因和蛋白质是非常重要的,而且它将是我们系统生物学的基础,但是仅仅这些尚不能充分揭示一个生物系统的全部信息。这种研究结果只限于解释生物系统的微观或局部现象,并不能解释系统整体整合功能的来源,不能充分揭示一个生物系统的信息,且忽略了系统中各个层面的交互、支持、整合等作用,限制了生物学研究的发展。系统生物学是研究一个生物系统中所有组成成分(基因、mRNA、蛋白质等)的构成,以及在特定条件下这些组分间的相互关系,并通过计算生物学建立一个数学模型来定量描述和预测生物功能、表型和行为的学科。以往的实验生物学仅关心基因和蛋白质的个案,而系统生物学则要研究所有的基因、所有的蛋白质、组分间的所有相互关系。即利用系统的方法,综合分析观察实验的数据,并通过建立一定的数学模型,利用其对真实生物系统进行预测来验证模型的有效性,从而揭示出生物体系所蕴涵的奥秘,因此,系统生物学是以整体性研究为特征的科学,是生物学领域革命性的方法论,正在成为生物学研究方法的主流。
目前,国际上根据所使用研究工具的不同,系统生物学的研究方法可分为两类:一类是实验性方法,一类是数学建模方法。实验性方法主要是通过进行控制性的反复实验来理解系统。首先明确要研究的系统以及所关注的系统现象或功能,鉴别系统中的所有主要元素,如DNA、mRNA、蛋白质等,并收集所有可用的实验数据,建立一个描述性的初级模型(比如图形的),用以解释系统是如何通过这些元素及它们之间的相互作用实现自身功能的。其次在控制其他条件不变的情况下,干扰系统中的某个元素,由此得到这种干扰情况下系统各个层次水平的一些数据,同时收集系统状态随时间变化的数据,整合这些数据并与初级模型进行比较,对模型与实际之间的不符之处通过提出各种假设来进行解释,同时修正模型。再设计不同的干扰,重复上面的步骤,直到实验数据与模型相一致为止。
数学建模方法是根据系统内在机制对系统建立动力学模型,来定量描述系统各元素之间的相互作用,进而预测系统的动态演化结果。首先选定要研究的系统,确定描述系统状态的主要变量,以及系统内部和外部环境中所有影响这些变量的重要因素。然后深入分析这些因素与状态变量之间的因果关系,以及变量之间的相互作用方式,建立状态变量的动态演化模型。再利用数学工具对模型进行求解或者定性定量分析,充分挖掘数学模型所反映系统的动态演化性质,给出可能的演化结果,从而对系统行为进行预测。系统生物学的实验方法和技术由各种组学研究组成,其中包括基因组学、转录组学、蛋白质组学、代谢组学和表观遗传学等,这些高通量的组学实验构成了系统生物学的技术平台,为建立模型提供所需的数据,并辨识出系统的结构,为生物系统的阐明和定量预测奠定强而有力的基础。计算生物学包括数据开采和模拟分析。数据开采是从各实验平台产生的大量数据和信息中,抽取隐含其内的规律并形成假说。模拟分析是用计算机验证所形成的假说,并对拟进行的体内、体外生物学实验进行预测,最终形成可用于各种生物学研究和预测的虚拟系统。系统生物学最重要的研究手段是干涉(perturbation)。系统生物学的发展正是由于对生物系统的干扰手段不断进步促成的。干涉主要分为从上到下(top-down)或从下到上(bottom-up)两种。从上到下,即由外及里,主要指在系统内添加新的元素,观察系统变化,例如,在系统中增加一个新的分子以阻断某一反应通路。而从下到上,即由内到外,主要是改变系统内部结构的某些特征,从而改变整个系统,如利用基因敲除,改变在信号传导通路中起重要作用的蛋白质的转录和翻译水平。使用系统生物学方法研究疾病过程中各种因素间的相互作用和调控关系对新的诊断、治疗和预防措施的发展,使医学更具预测性、预防性和个体化都有极为重要的意义,可大大促进基因工程药物研究、药物靶标、免疫靶标、基因治疗靶标的发现,以及疾病诊断技术、生物医药支撑产品的研制。
五、健康风险评估方法
健康风险评估(health risk appraisal,HRA)是一种方法或工具,用于描述和评估某一个体未来发生某种特定疾病,或因为某种特定疾病导致死亡的可能性。这种分析过程目的在于估计特定时间发生的可能性,而不在于做出明确的诊断。健康风险评估包括一般健康风险评估,疾病风险评估,环境与生态风险评估,生活方式/行为评估以及生命质量评估。通过对个人和人群健康状况或未来患病风险的量化评估,筛查出个人或人群的主要健康问题及危险因素,并对危险因素所致健康危险的程度与干预重点和成效进行优先排序,为个人或人群的干预方案提供信息基础,也为健康追踪和干预效果评价(包括经济评价)提供比较的基础。健康风险评估是对个人的健康状况及未来患病/死亡危险性的量化评估,包括健康状态、未来患病/死亡危险、量化评估三个方面内容。健康是一种包括躯体健康、心理健康和社会适应能力良好三个层次的状态,而不仅仅是没有疾病或身体虚弱。从绝对健康到绝对死亡,个体要经历低危险状态、中危险状态、高危险状态及疾病的产生、出现不同的预后等多个阶段,且各个阶段是动态连续、逐渐演变的。在被诊断为疾病之前,进行有针对性的预防干预有可能成功消除、拦截、阻断、延缓、甚至逆转疾病的发生和发展进程,从而实现维护健康和预防疾病的目的。例如,可以通过健康风险分析和评估的方法确定冠心病、脑卒中、癌症、糖尿病等慢性非传染病的高危人群,通过有效的干预手段控制健康危险因素,减低发病风险,可以在这些疾病发展的早期、尚未发展成为不可逆转之前阻止或延缓疾病的进程。健康风险评估主要根据循证医学、流行病学和生物统计学等的原理和技术,预测未来一定时期内具有一定特征的人群的病死率或患病率,通常使用患病危险性、健康年龄、健康分值等结果指标来量化评估。健康风险评估的基本方式包括问卷、危险度估算和评估报告,且大都实现了计算机化。健康风险评估的目的在于:帮助个体综合认识健康危险因素,鼓励和帮助人们改正不健康的行为,制定个体化的健康干预措施,评价干预措施的有效性以及将健康管理人群进行分类,提高干预的针对性和有效性,达到资源的最大利用和健康的最大效果。健康风险评估最常用的方法是多因素模型法,它建立在多因素数理分析基础上,即采用统计学概率理论的方法得出患病危险性与危险因素之间的关联模型,能同时包括多种危险因素,常用的有生存分析法、寿命表分析法,荟萃分析(meta analysis)、合成分析法(synthesis analysis)、多元回归分析(例如logistic回归和Cox回归,等)。
六、分子和遗传流行病学研究方法
分子流行病学和遗传流行病学是两门新兴的现代流行病学分支学科,旨在分子水平上研究和探讨人类当代常见慢性非传染病的环境和遗传病因及其相互作用的规律。它们所使用的独特研究方法也是当代预防医学,特别是预防肿瘤学不可或缺的重要手段。近年来,核酸、蛋白质等大分子研究的不断深入,使生命科学进入“分子时代”,新兴和交叉学科不断产生,除了系统生物学一系列组学,如基因组学、蛋白组学、转录组学、代谢组学、表观遗传学和生物信息学等外,分子流行病学和遗传流行病学所使用的方法也成为探讨疾病病因和开发防控途径常用的研究方法。分子流行病学是研究人群中疾病或健康状态相关生物标志的分布及其影响因素、医学相关生物群体特征及其与人类疾病或健康的关系,制定防治疾病、促进健康的策略和措施的科学。分子流行病学不仅可以阐明暴露-发病连续带进程中不同阶段的暴露-效应关系(即因果关联),也可研究暴露-发病连续带不同阶段机体易感性的具体特征和意义,揭示传统流行病学提到的“黑箱理论”的秘密,以阐明疾病发生、发展过程及其规律。甚至进一步使用各种生物标志:暴露标志、易感性标志和效应标志研究人群中疾病/健康的影响因素、防治策略和措施,并准确评价其效果。除了传统流行病学常用的描述性研究、分析性研究方法(病例对照研究,病例病例研究,队列研究,巢式病例对照研究)和实验研究外,分子流行病学还使用许多实验室检测技术来进行疾病遗传易感性和发病机制的探索研究,其中包括:核酸技术(核酸凝胶电泳、聚合酶链反应、核酸杂交、核酸测序),蛋白质技术,酶学技术,生物芯片技术,以及免疫学技术(酶联免疫吸附试验ELISA、荧光免疫试验FIA、放射免疫试验RIA、免疫细胞化学检测ICC),色谱技术(高效液相色谱技术HPLC、液相蛋白色谱技术FPLC、变性高效液相色谱DHPLC和毛细管电泳技术CE),纳米技术等实验室技术,大大促进了个体和群体健康和疾病风险评估及预防控制策略和措施的进展。遗传流行病学是研究亲属中疾病的病因、分布和控制,以及研究人群中疾病遗传原因的一门科学,随着医学遗传学、分子生物学、流行病学研究方法和计算机技术的发展,遗传流行病学得到了飞速发展,逐步成为现代医学科学的一个重要分支。目前,遗传流行病学的研究重点是确定那些和特定疾病或健康状态相关的基因,研究它们在人群中的变异以及它们和其他因素发生相互作用的机制。遗传流行病学的主要方法包括:家族聚集性研究(病例对照研究、双生子研究和养子研究)、分离分析(系谱图-系谱分析-分离分析segregation analysis)、连锁分析(linkage analysis,包括参数和非参数连锁分析)、关联分析(association analysis)等研究和分析技术。
预防肿瘤学的研究方法正在逐步引起世界各国学者的密切关注。严酷的事实告诉人们,如果把抗击癌症的重点放在癌症的诊断治疗方面,无论投入多少金钱,目前也只能收到事倍功半的结果;只有不断开创新的研究方法和技术,把防癌战线前移,以防为主及“治未病”,力求早诊早治,才能收到事半功倍的效果。
(黎钧耀 赵平)