麻风风险预测模型的构建与效能评价

发布时间：2020-08-21 16:05

【摘要】：研究背景麻风是由麻风分枝杆菌感染易感个体,特异性破坏皮肤与周围神经组织,晚期可导致畸残的一种慢性传染病,该病曾在全球广泛流行,严重危害人民的身心健康。联合化疗MDT方案的推广使现症患病人数大幅度减少,但由于缺乏疫苗等有效的预防和防治手段,近10年来全球每年新发麻风患者的数量并无明显下降,维持在20多万新登记病例。我国曾是麻风严重流行的国家之一,近15年来,我国每年新登记病例数逐渐降至600-800例左右。麻风导致的畸残给社会和家庭带来了巨大的损失,因此麻风仍然是世界卫生组织和我国政府重点防控的慢性传染病之一,为消除麻风危害,卫生部联合十一部委发布了《全国消除麻风病危害规划(2011-2020年)》。麻风作为一种慢性传染病,其致病菌麻风分枝杆菌自19世纪发现以来,历经200多年的努力,体外培养及疫苗研制一直未能取得成功,且麻风的传播途径尚不明确。监测麻风密切接触者是实现麻风早发现、早诊断的主要防治措施。麻风的主要传染源为麻风菌携带者,麻风的潜伏期可长达5-10余年,典型症状出现前难以诊断,延迟诊断导致新发患者畸残率居高不下。延迟诊断是导致麻风接触者感染及疾病进展的最主要因素,可增加神经损伤的可能性及随后的畸残发生,畸残通常是用作延迟诊断的指标,畸残是麻风的主要危害,也是引起社会恐慌和歧视的重要原因。对于麻风预防措施的探讨,早在上世纪六七十年代,就有学者相继采用单剂的氨苯砜(DDS)、利福平和美满霉素等药物对麻风密切接触者进行化学预防,希望通过降低新发麻风患者的发病率来控制麻风的流行并降低畸残率,但化学预防存在以下问题:1、国际上没有统一标准的化学预防治疗方案,疗效考核的监测指标不敏感;2、化学预防的目标人群过大,预防成本较高;3、化学预防的大面积实施,会导致耐药的产生;4、化学预防药物会引起药物不良反应,比如预防药物之一氨苯砜(DDS)会引起严重的药物超敏反应综合征。基于以上问题,麻风化学预防一直没有得到有效推广,收效甚微。遗传流行病学、家族聚集性分析及双生子研究已经证实麻风具有很强的遗传易感性,其遗传度高达57%。本课题组前期已开展了系列的麻风遗传学研究,在国家自然基金(30771943)及山东省科技攻关计划(2006GG2302029)等项目的支持下,建立了包括350个家系和10000个散发病例及与之相匹配的近15,000例正常对照的遗传资源库,并利用遗传资源库中麻风散发病例和正常对照开展了 GWAS,先后定位了麻风的32个麻风风险因子:分别位于 HLA-DR、RIPK2、LRRK2、NOD2、CCDC122、C13orf31、TNFSF15等基因。研究结果发表在《New England Journal of Medicine》、《Nature Genetics》、《The American Journal of Human Genetics》、《Human Molecular Genetics》和《Nature Communication》等杂志上。本研究拟在前期研究的基础上,基于已经定位的32个麻风风险位点研发高危个体易感基因筛查芯片,利用筛查芯片对已经分型明确的麻风患者与正常对照大约各2000例进行分型,分型结果与GWAS数据库进行比对,确定筛查芯片的敏感度、特异度,以易感基因风险位点为风险因素通过数学分析构建麻风发病风险预测模型,为了评价模型的效力,随后对既往山东地区麻风高发县的麻风密切接触者进行筛查,研究麻风密切接触者中麻风菌的感染情况,最后对2210例康复者和9972例密切接触者进行基因分型,对预测模型的效能进行交叉验证,以期为麻风高危人群筛查、亚临床感染患者的确定提供诊断依据、为实现麻风的“精准”化学预防、消除麻风危害奠定基础。本研究分二阶段进行:第一阶段:基于麻风风险因子构建筛查芯片并建立风险预测模型第二阶段:麻风密切接触者筛查及风险预测模型效能评价第一阶段:基于麻风风险因子构建筛查芯片并建立风险预测模型研究目的基于课题组前期通过麻风全基因组关联研究发现的30个麻风发病风险位点,联合临床相关信息,建立中国人群麻风风险预测模型。研究方法1.研发麻风高危人群易感基因筛查芯片本研究采用QuantStudioTM 12K Flex OpenArray(?)芯片技术定制包含30个SNPs的麻风高危个体易感基因筛查芯片。30个SNPs来自课题组既往发表的GWAS文章中达到全基因组关联水平并且最小等位基因频率(Minor Allele Frequency,MAF)大于0.01的位点。芯片的制作工作由美国Thermo Fisher Scientific公司完成。2.利用易感基因筛查芯片对研究样本进行基因分型本研究分为两部分样本,第一部分样本基因分型数据来自既往发表的GWAS文章。第二部分新增加样本包括1,692名麻风病患者和1,330名正常对照,采用高危个体易感基因筛查芯片(QuantStudioTM 12K Flex OpenArray(?)芯片)进行基因分型。3.SNPs 及样本的质量控制(quality control,QC)本研究SNPs的过滤标准如下:1、去掉5个得出率(call rate)95%的SNPs(rs145562243、rs58600253、rs73058713、rs4720118、rs55882956);2、去掉在发现队列的对照中 Hardy-Weinberg Equilibrium(HWE)P 值10-3 的 SNPs(没有 SNP 符合)。最终30个SNPs中有25个通过质量控制。样本在25个SNPs基因分型数据中有缺失值的不纳入下一步分析。经此步过滤后样本队列剩余2,144名麻风患者和2,671名正常对照。4.麻风易感基因筛查芯片的效能检测本研究利用PLINK v1.07软件基于logistic回归模型对表型和25个SNPs之间的关系进行计算。结果表明,这25个SNPs的P值均0.05(表1),且OR值与既往文章报道的结果一致。该结果证明该麻风易感基因筛查芯片具有较好的检测效能。5.麻风风险模型的构建研究采用加权法计算SNP位点风险评分。在对风险等位基因进行合并时,考虑每个SNP本身对疾病发生的单独效应,假设每个位点对麻风易感性的影响不同,但与其OR值有关,此时GRS为每个SNPβ值(In(OR))加权后的平均风险等位基因个数。其中β值来自利用25个SNPs做logistic回归模型时的系数。基于麻风风险位点分别构建了 4种风险模型。模型1:基于GRS方法利用25个SNPs构建;模型2:基于GRS方法利用表1中P值5E-8的7个SNPs构建;模型3:基于贝叶斯网络方法利用25个SNPs构建;模型4:基于贝叶斯网络方法利用表1中P值5E-8的7个SNPs构建。研究结果1.风险预测模型的建立在所有模型中,Hosmer-Lemeshow检验的P值均0.05(从模型1到4,P值分别为0.060.0.093.0.627,0.712),说明四种风险模型都具有一定的拟合效果;利用受试者特征(ROC)曲线及计算曲线下面积(AUC)评价模型的预测效果,基于wGRS建立的风险预测模型最佳,其曲线下面积(AUC)为0.743。2.无论基于GRS方法还是贝叶斯网络方法,25个SNPs建模要优于7个SNPs,利用25个SNPs建模时基于GRS方法(AUC=0.743)要优于贝叶斯网络(AUC=0.731)(P值=5.81E-4)。3.基于SNPs得出的GRS在麻风患者和正常对照中的分布图显示,病例组峰值明显偏右,也说明该模型有良好的区分能力。4.根据GRS风险评估,确定风险阈值并分组。最高风险组GRS大于28.06是最低风险组(GRS= 18.17)发病风险的24.65倍。研究结论1.成功构建麻风的发病风险预测模型,可以评估高风险人群,为“精准”化学预防奠定理论基础。2.我们的研究将为卫生部麻风防治策略的制定提供重要指导建议。第二阶段:麻风密切接触者筛查及风险预测模型的效能评价研究目的1.早发现、早诊断麻风康复者及密切接触者中的潜伏感染者。2.应用风险预测模型筛查麻风康复者及其密切接触者中的高危个体。3.评价麻风密切接触者的感染情况,结合风险预测结果,评估和随访高危个体。研究方法及内容1.随访人群:根据全国麻风防治系统登记,选取既往麻风高发区20个县市,大约占历史上麻风感染者总人数的80%。随访登记在全国麻风防治系统中现存的麻风感染人群2210例及其家庭内密切接触者和邻居。麻风密切接触者的定义:不管是否与麻风患者长期生存在一个屋檐下,包括麻风患者的一级,二级和三级直系亲属。邻居是居住在距离麻风感染者家庭的200米以内的邻居,无血缘关系。所有被随访人均签署知情同意书(儿童经监护人签署知情同意)。2.随访专家组由4名麻风防治人员,2名医学研究生进行家庭随访。3.随访项目:家庭内密切接触者填写调查问卷主要是年龄,性别,民族,家庭收入,受教育程度,居住情况,病史,结核疫苗接种史,皮肤情况,过敏史以及麻风的接触史等。每个患者都会常规进行皮肤测试,眼科,浅表神经的检查等。4.麻风的诊断参照国家GB15973-1995诊断标准,至少满足下列标准的两条或者以上(1)皮肤科症状(2)浅表神经受累(3)组织液查菌阳性(4)组织学病理发现泡沫细胞或者上皮样细胞肉芽肿,S-100染色看到破碎的神经,查菌阳性。所有采集的麻风病例既往无结核和其他感染性疾病病史,无银屑病、疱病等自身免疫性疾病病史。临床亚型分型标准根据Ridley和Jopling标准完成。5.统计分析:数据统一录入 MicrosoftExcelXP,应用 STATISTICA(release 6.1,StatSoft,USA)分析软件。6.应用第一阶段构建的易感基因筛查芯片对麻风康复者及密切接触者进行基因分型,确定风险因子的携带情况,最后导入最优化风险预测模型,筛选高危人群。7.麻风的酚糖酯抗原检测等方法评价接触者人群的麻风菌感染情况。结果分析1.随访观察2210麻风康复者,筛查家庭内密切接触者7877和邻居1865例,可疑患者35例,经过临床和病理及其实验室检查最后诊断11例可疑自愈少菌型患者,2例多菌型麻风患者,1例复发患者。随访项目县的麻风患者检出率为0.12%。随访的人群中家庭内密切接触者和邻居之间麻风的检出率没有统计学差异,同样观察到麻风患者的家族聚集倾向。2.麻风密切接触者的酚糖酯抗原阳性率和PCR检测的麻风菌鼻携带率分别是4.67%和0.3%;但PGL抗体阳性率在家庭内密切接触者和邻居之间却无显著性差异。3.风险模型在麻风康复者及密切接触者人群中进行了验证,GRS在康复者和正常对照中的分布图显示,病例组峰值明显偏右,也说明该模型有良好的区分能力AUC=0.707。4.根据GRS风险评估,麻风密切接触者中最高风险组GRS大于28.06是最低风险组(GRS= 18.17)发病风险的10.68倍。5.监测随访29例密切接触者可以检出1例麻风患者,大大缩小了监测人群的范围,也为“精准”化学预防奠定了理论基础。研究结论1.麻风密切接触者筛查是早发现、早诊断的必要手段,在降低畸残率方面起着至关重要的作用。2.麻风风险预测模型在康复者及密切接触者人群中得到了很好的验证,该研究有助于未来“精准”化学预防的实施。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R755
【图文】：

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麻风是由麻风分枝杆菌感染易感个体，特异性破坏皮肤与周围神经，导致畸残的一逡逑种慢性传染病［１，２］。该病曾在全球广泛流行，严重危害人民的身心健康。尽管麻风病联逡逑合化疗（ＭＤＴ方案）实施以来，使现症病患数从２０世纪８０年代中期的５００余万下降到了逡逑２０００年底的７０余万例，新发病例数从２００１年的７６３邋２６２例降至２０１０年２２８邋４７４例大幅逡逑度减少，但由于缺乏有效的预防手段，近１０年新发麻风患者的登记数量下降并不明显逡逑（从２００７年的２５８邋１３３将至２０１６年２１４邋７８３），全球每年仍有２０余万新登记病例［３，４］。逡逑世界卫生组织（ＷＨＯ）于２０１６年４月发起了一项为期５年的“２０１６－２０２０年全球麻风逡逑战略”，名为“加速向无麻风世界发展”。该文件指出，许多国家尚未完成地方级消灭麻逡逑风的议程，麻风防治的挑战依然存在：１．延迟诊断明显；２．对麻风患者的歧视依然存在；逡逑３．防止麻风传播的能力有限。基于上述原因，因此将在今后几年继续推行麻风防治策略，逡逑加强转诊系统，更有效的麻风接触者追踪，评估化学预防的价值和监测耐药性。逡逑？邋Ｔｒｔｏ＊邋ｉｎ邋ｒ＊ｔｖ＊邋（？？？逦？ｆ邋？＊ｗ邋ｏｆ邋ＩｔｐｆＯｆｙ，邋ｂｙ邋ＷＨＯ逦２００＾＊２９１邋Ｓ逦＾逦？邋．－ｒ，逡逑Ｔｒｎｄａｎｃ？ｔ邋ｏｂｗｒｖｆＫ邋ｄａｎｓ邋ｌｅ邋ｄ＾ｐＫｔａｇｅ邋６ｒ邋ｎｏｕｖｅａｕ＊邋ｃａｉ邋ｄ？邋Ｕｐｒ＊．邋ｐａｒ邋Ｒｅｇｉｏｎ邋ＯＭＳ，邋ＪＯＯｆｅ－ＪＯＩＳ逡逑

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病、治疗、康复、研究”等综合防治措施，取得了举世瞩目的成绩。以山东省为例，逡逑在省级麻风防治机构１处，地市级１０处，县级５０余处；这些机构构成了省市县三级逡逑治网络，负责全省的麻风防治工作。麻风的发病率从１９５８年的５．５６／１０万下降至２０１６逡逑的０．１／１０万以下。建国５０多年来，山东累计登记麻风患者５４，１５０例，现仍有存活病逡逑近万例分布于全省各处，近年来，我国每年新登记病例数稳步下降至８００例左右［５，６］，逡逑自２００８年１６１４例新发患者逐渐下降至２０１７年的６３４例（详见图２：近十年我国新发逡逑风患者及畸残比情况表），近十年的我国麻风流行病学显示，新发患者数稳步下降，逡逑畸残率并无明显变化。尽管麻风新发病人数稳步下降，但麻风仍然是世界卫生组织和逡逑国政府重点防控的慢性传染病，为消除麻风危害，国家卫生部联合十一部委发布了《全逡逑国消除麻风病危害规划（２０１１－２０２０年）》，旨在早期发现麻风患者，进一步消除麻风害。逡逑

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此时ＧＲＳ为每个ＳＮＰＰ值（Ｉｎ邋（ＯＲ））加权后的平均风险等位基因个数。其中Ｐ值逡逑来自利用２５个ＳＮＰｓ做ｌｏｇｉｓｔｉｃ回归模型时的系数。患者的ＧＲＳ与正常对照ＧＲＳ之间逡逑比较明显偏大，如图４所示：逡逑１７逡逑

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