（参考课件）因果关联研究方法-交互作用.ppt

因果关联研究方法,交互作用（Interaction）,Outline,概述交互作用概念、识别、评价意义交互作用分析交互作用度量尺度、统计学模型、评价指标、假设检验、分析程序和注意问题基因-环境交互作用基因-环境交互作用意义、模式、研究设计与分析其它有关信息,第一节概述,一、交互作用的概念,交互作用概念,FactorA:9-3=21-15FactorB:15-3=21-9,交互作用概念,FactorB-FactorB+FactorA-FactorA+,交互作用概念,交互作用概念,Smoking:50-510-1Radon:50-105-1,交互作用概念,Radon-Radon+Smoking-Smoking+,交互作用概念,某一因素的真实效应（单独效应）随着另一因素水平的改变而改变。当两种或两种以上暴露因素同时存在时所致的效应不等于它们单个作用相联合的效应时，则称因素之间存在交互作用。,交互作用概念,Onepredictorrelatestotheoutcomedependsontheleveloftheotherpredictor.Theeffectofonevariablediffersdependingonthelevelofanothervariable.TheeffectofXonYdependsonthelevelofathirdvariable.Interactioninepidemiologyisatermreferringtoachangeinthemagnitudeordirectionoftheassociationbetweenexposureanddiseaseofinterestaccordingtothelevelofathirdfactorinepidemiologicalstudies.,二、交互作用的识别,交互作用识别,统计表所有可能交叉组合情况下的结局指标weobserveaninteractionbetweentwofactorswheneverthesimpleeffectsofonechangeasthelevelsoftheotherfactorarechanged.统计图观察另一因素各水平下某因素与结局指标关系图是否平行（additiveinteraction）Another,probablyeasierwaytorecognizeaninteractionistonoticethatthelinesconnectingthepointsarenotparallel.,交互作用识别,交互作用识别,交互作用识别,交互作用识别,交互作用识别,交互作用识别,交互作用识别,交互作用识别,三、交互作用评价的意义,交互作用评价的意义/目的,Subgroups：识别对某干预受益最大的人群（亚组）（资源有限情况下）Toidentifythesubgroupsofindividualsinwhichtheinterventionortreatmentislikelytohavethelargesteffect(resourcestoimplementinterventionsmaybelimited).Covariates：识别最可能施加干预的协变量以降低主要暴露因素的效应（另一主要暴露因素不容易施加干预的情况下）Tofindothercovariatestobeintervenedupontoeliminatemuchormostoftheeffectoftheprimaryexposureofinterest(itmaynotbepossibletointervenedirectlyontheprimaryexposureofinterest).,交互作用评价的意义/目的,Mechanism：揭示暴露影响疾病发生的机制Toprovideinsightintothemechanismsfortheoutcome.Power：提高评价某暴露对结局影响总效应的把握度Tohelpincreasepowerintestingfortheoveralleffectofanexposureonanoutcome.Model：仅从纯统计学角度，包含交互作用项的模型拟合数据更好Tofitthedatabetterwhenthemodelincludestheadditionalflexibilityallowedbyaninteractionterm.,交互作用评价的意义,基因-基因交互作用环境-环境交互作用基因-环境交互作用,第二节交互作用分析,一、交互作用度量尺度,Additiveinteraction,考虑吸烟与石棉对肺癌的影响Additivescaleinteraction相加交互作用=0:noadditiveinteraction0:positiveinteractionorsuper-additiveorsynergism正交互作用/超相加交互作用/协同作用1:positivemultiplicativeinteraction1:negativemultiplicativeinteraction,基于率比riskratio,Multiplicativeinteraction,考虑吸烟与石棉对肺癌的影响1:positivemultiplicativeinteraction1:positivemultiplicativeinteraction1:negativemultiplicativeinteraction,Multiplicativeinteraction,考虑吸烟与石棉对肺癌的影响RR：riskratioOR：oddsratio0:positiveinteractionorsuper-additive1相当于RERI0，即positiveinteractionS1相当于RERI0，即negativeinteraction若S的分母为负值，即暴露为保护因素时，需反向赋值。,归因比,归因比Attributableproportionduetointeraction，AP反映在两因素同时存在时，它们的总效应中，归因于交互效应的部分所占的比例。,交互作用评价指标,实例：Figueiredo等（2004）病例对照研究,Positiveadditiveinteraction,交互作用评价指标,注：三个度量中的RR（riskratio）可换成OR(对10%以下的罕见结局，若对照来自整个潜在总体而不仅仅是非病例则不需此假定)。交互作用指标需报告点估计和区间估计采用Andersson等编制的Excel表计算超额相对危险度（RERI）、归因比（AP）和协同作用指数（S）等相加交互作用指标，并估计置信区间。http:/www.epinet.se/Epidemiologicaltools.htmExcel程序验证上表：三个回归系数分别为：Ln1.12=0.11333;Ln1.21=0.19062;Ln2.09=0.73716,Attributingeffect,分解暴露因素的单独效应和交互作用基于riskdifference归因百分比EffectduetoGaloneEffectduetoEaloneEffectduetointeraction,Attributingeffect,基于riskratio归因百分比EffectduetoGaloneEffectduetoEaloneEffectduetointeraction,Attributingeffect,Logistic模型,四、交互作用检验,交互作用检验,Wald检验（Waldtest）对交互作用项（回归模型中的乘积项）回归系数的检验。乘积项回归系数为0即无交互作用，否则有交互作用。似然比检验（Likelihoodratiotest）比较两个回归模型，一个有交互作用项，另一个没有交互作用项，如无差异即无交互作用，否则有交互作用。,似然比检验,暴露因素G和E均为分类变量列出暴露因素G和E的各水平组合（联合亚组），如因素G分2组，因素E分2组，联合亚组有4组。运行两种回归模型：A和B模型A不考虑因素G和E的联合，分别产生指示变量放入模型中。如因素G分2组，把一组作为参照，放入1个指示变量于模型中；因素E分2组，一组为参照，放入一个指示变量于模型中，共2个指示变量。模型B按联合亚组生成指示变量，放入模型中（如有4个联合亚组，把一组作为参照组，放入3个指示变量于模型中）；采用似然比检验比较模型A与模型B，报告P值，即交互作用的P值。SAS程序,实例,为了探讨冠心病发生的有关危险因素，对26例冠心病患者和28例对照进行病例对照研究，各因素的赋值分别为：X1年龄（岁）：45=1;45-=2;55-=3;65=4X2高血压史：无=0；有=1X3高血压家族史：无=0；有=1X4吸烟：无=0；有=1X5高血脂史：无=0；有=1X6动物脂肪摄入：低=0；高=1X7体重指数（BMI）：24=1;24-=2;26=3X8A型性格:无=0；有=1Y冠心病：无（对照）=0；有（病例）=1,实例,数据序号X1X2X3X4X5X6X7X8Y131010011022011001005321010011154311010311,实例,变量筛选：逐步法，引入=0.10，剔除=0.15.筛选结果变量bSE(b)Wald2POROR95%CI常数-4.7051.5439.300.0023X10.9240.4773.760.05252.52(1)X51.4960.7444.040.04434.46(1.04,19.18)X63.1361.2496.300.012123.00(1.99,265.95)X81.9470.8475.290.02157.01(1.33,36.83),实例,考察X5（高血脂史）和X8（A型性格）是否存在交互作用？,Wald检验,似然比检验,包含X5和X8的模型包含X5和X8四种组合哑变量的模型,似然比检验,似然比检验,暴露因素G为连续性变量，E为分类变量运行两种回归模型：A和B。模型A只有一个变量G。模型B按因素E的每个水平产生因素G指示变量。如因素E为SMK分2组（吸烟与不吸烟），因素G为BMI（体重指数），产生2个BMI（BMI1与BMI2）：当SMK=0（不吸烟）时，BMI1=BMI，BMI2=0；当SMK=1(吸烟)时，BMI2=BMI，BMI1=0。把BMI1与BMI2同时放入模型中。采用似然比检验比较模型A与模型B，报告P值，即交互作用的P值。SAS程序,分析哪些因素间交互作用,Adhoc：根据研究经验、已有知识等事先计划好要分析Posthoc：多个因素间可能有潜在交互作用，这时需注意多重检验（multipletesting）的问题，可采用Bonferroni校正或高维交互作用分析方法。,注意：发现交互作用的统计学检验功效比主效应低5倍。Thestatisticalpowertotestthesignificantinteractionis5-timeslowerthattotestmaineffect.检验水准可设定为0.10或更高，以免漏掉任何重要的交互作用。,分析程序,SASprogramSPSSSTATAPower3.0,实例,InteractionbetweenTobaccoandAlcoholUseandtheRiskofHeadandNeckCancer:PooledAnalysisintheInternationalHeadandNeckCancerEpidemiologyConsortium.CancerEpidemiolBiomarkersPrev2009,18:541-550.,五、注意问题,1.生物学/公共卫生交互作用,Biologicalorfunctionalinteraction两个暴露因素生物学上或功能上相互作用产生结局Statisticalinteractionisdifferentfrombiologicalorfunctionalinteraction.生物学或公共卫生交互作用更强调因素对疾病发生的作用机制、用于指导疾病预防控制和干预措施的制定。,生物学/公共卫生交互作用,陈跃在研究被动吸烟对儿童呼吸系统疾病住院率的影响时发现，被动吸烟的作用在低体重儿中明显增大了。生物学意义：低体重儿对疾病的抵抗力较低，更容易患呼吸系统疾病或更易患严重的疾病导致住院。公共卫生意义：对被动吸烟的公共卫生干预措施重点应该针对低体重儿童。个体决策（individualdecision-making）,生物学交互作用的例子,苯丙酮尿症（PKU）：一种常见的氨基酸代谢病，是由于苯丙氨酸（PA）代谢途径中的酶缺陷，使得苯丙氨酸不能转变成为酪氨酸，导致苯丙氨酸及其酮酸蓄积，并从尿中大量排出。(苯丙氨酸羟化酶基因突变+饮食)HPV感染和宫颈癌：HPV感染+其它因素肺气肿：1抗胰蛋白酶基因缺乏+吸烟,2.效应修饰与调节作用,效应修饰effectmodification调节作用moderation概念：外部因子改变了研究因素与疾病的关联强度Themeasureofassociation(e.g.,theoddsratio,prevalenceratio)betweenanexposureandanoutcomeisdifferentdependingonthevalueofathirdvariable.效应修饰因子：effectmodifier调节因子：moderator,效应修饰与调节作用,效应修饰、调节作用与交互作用在某种意义上（从数据分析的角度）是同义词。交互作用关注的是两个暴露因素对疾病的联合作用。效应修饰和调节作用强调的是研究某暴露因素对疾病的作用时，受到效应修饰因子或调节因子的影响。Heterogeneityofeffect,效应修饰,AdditiveeffectmodificationMultiplicativeeffectmodification,效应修饰,Additiveeffectmodification：YesMultiplicativeeffectmodification：No,效应修饰,Additiveeffectmodification：NoMultiplicativeeffectmodification：Yes,3.效应修饰与混杂,TheassociationbetweenX(exposure)andY(outcome)isdistortedbythepresenceofanothervariableC(confounder).StudyAfoundanassociationbetweencigarsmokingandbaldness.Thestudywasconfoundedbyage.,效应修饰与混杂,相同点：都关心第三个因素如何影响暴露因素和疾病间的联系都可导致暴露因素和疾病间联系的大小或方向发生改变,效应修饰与混杂,注意：Afactorcanbeaconfounderoreffectmodifier,both,orneither.Ifafactorisbothaconfounderandaneffectmodifier,theneedforexploringthenatureoftheeffectmodificationwouldsupersedetheneedforcontrollingconfoundingfactors.ZhengT,BoffettaP,BoyleP.Epidemiologyandbiostatistics.IPRI,2011.,4.样本含量与功效,Excel程序（VanderWeele,2012)QUANTO（developedbyGauderman,UniversityofSouthernCalifornia）/softwareThisprogramcomputessamplesizeorpowerforassociationstudiesofgenes,gene-environmentinteraction,orgene-geneinteraction.Availablestudydesignsincludethematchedcase-control,case-sibling,case-parent,andcase-onlydesigns.,样本含量与功效,Excel程序:以病例-对照研究为例假定两个暴露因素G和E在对照组的比例均为50%且两暴露独立分布，病例:对照=1:1，双侧检验水准0.05，power0.80，两因素的OR为1.1和1.2，相乘交互作用参数为1.5，需要病例和对照各2117例。,样本含量与功效,检测交互作用比只检测主效应需要更多的样本含量当满足因素独立性假定时，病例-病例研究的相乘交互作用估计功效更高（Yangetal1997）。若两个暴露因素均为危险因素，而且二者存在正交互作用，则检测相加交互作用比相乘交互作用功效更高（VanderWeele2012）。,5.高阶交互作用,一阶交互作用two-wayinteraction指两个变量间的交互作用(AB)二阶交互作用three-wayinteraction指三个变量间的交互作用(ABC)，即两个变量的交互作用依赖于第三个变量的水平。Thereisathree-wayinteractionwheneveratwo-wayinteractiondiffersdependingonthelevelofathirdvariable.,高阶交互作用,Nothree-wayinteraction-thetwo-wayinteractionsarethesame,高阶交互作用,Three-wayinteraction-twodifferenttwo-wayinteractions,高阶交互作用,Three-wayinteraction-atwo-wayinteractionontheleft,andnotwo-wayinteractionontheright,高阶交互作用,高阶交互作用,三阶交互作用(four-wayinteractions)指三个变量间交互作用依赖于第四个变量的水平。三阶或更高阶交互作用通常由于非常难解释而较少使用。Halfordetal(2005)建议三阶交互作用对即使是有经验的研究人员是上限，很难对四阶（即五个变量间）交互作用做出正确解释。,6.高维交互作用,“阶”低阶：Two-wayinteraction高阶：Three-way,four-wayinteraction,高维考虑的交互作用项个数较多AB,AC,AD,BC,BD,CD,.,7.Crossoverinteraction,non-crossoverinteraction,左图显示有交互作用右图显示几乎没有交互作用（因变量是左图的平方）,non-crossover/crossoverinteraction,如果存在非cross-over交互作用，则通过一定的变量变换可能使交互作用消失。换句话说，当解释一个非cross-over交互作用时必须非常小心，因为很可能是由于因变量的某种测量尺度导致的偶然交互作用。但是如果是cross-over交互作用，该现象不会发生。换句话说，cross-over交互作用表明两个因素确实存在交互作用，不管因变量的尺度如何。,第三节基因-环境交互作用,一、基因-环境交互作用意义,基因-环境交互作用,Theprecise,statisticaldefinitionofgeneenvironmentinteractionis“adifferenteffectofanenvironmentalexposureondiseaseriskinpersonswithdifferentgenotypes”or“adifferenteffectofagenotypeondiseaseriskinpersonswithdifferentenvironmentalexposures.”(OttmanR.Geneenvironmentinteraction.Definitionsandstudydesigns.PrevMed1996;25:764),基因-环境交互作用,有证据表明,很多复杂疾病(如:糖尿病、心血管疾病、肥胖、高血压、肿瘤等)实际是多基因与环境交互作用的共同结果,因此如何正确分析和评价基因和环境的交互作用在复杂疾病病因学中的作用就显得至关重要。基因与环境交互作用/互作(gene-environmentinteraction)在疾病的病因学研究中显示出越来越瞩目的公共卫生学价值(如筛查或干预)。,例子,日晒对浅色皮肤人种比深色皮肤人种更容易致皮肤癌苯丙酮尿症（PKU）：苯丙氨酸羟化酶基因突变+饮食肺气肿：1抗胰蛋白酶基因缺乏+吸烟,遗传-环境交互作用研究的意义,HunterDJ.Geneenvironmentinteractionsinhumandiseases.NatRevGenet.2005,6(4):287-98.通过解释联合效应，更好地估计遗传和环境危险因素的人群归因危险。Obtainabetterestimateofthepopulation-attributableriskforgeneticandenvironmentalriskfactorsbyaccountingfortheirjointinteractions.通过检测环境因素的遗传易感性，强化环境因素与疾病的关联。Strengthentheassociationsbetweenenvironmentalfactorsanddiseasesbyexaminingthesefactorsingeneticallysusceptibleindividuals.,利用易感性基因信息，关注与疾病发生最密切的生物学通路和与生物学通路最密切的环境因素，将有助于解析人类疾病发生机制。Helptodissectdiseasemechanismsinhumansbyusinginformationonsusceptibility(andresistance)genestofocusonthebiologicalpathwaysthataremostrelevanttothatdisease,andtheenvironmentalfactorsthataremostrelevanttothepathways.决定人类暴露的复杂成分混合物（如饮食和空气污染）中哪些特定的成分可致病。Determinewhichspecificcompoundsinthecomplexmixturesofcompoundsthathumansareexposedto(suchasdietorairpollution)causedisease.,利用生物学通路的信息，设计新的预防和治疗策略。Usetheinformationonbiologicalpathwaystodesignnewpreventiveandtherapeuticstrategies.基于个体携带易感性或抗性等位基因，提出个体化的预防或治疗建议。Offertailoredpreventiveadvicethatisbasedontheknowledgethatanindividualcarriessusceptibilityorresistancealleles.,遗传-环境交互作用研究的意义,遗传-环境交互作用研究的意义,决定人类暴露的复杂成分混合物（如饮食和空气污染）中哪些特定的成分可致病。动物实验表明蛋白质高温烹调引起的多环胺类是致癌物，烧烤和煎炸肉类多见，增加结直肠癌风险。但未阐明红肉中的哪种化学成分如脂肪酸、血红素铁、蛋白质会致癌。有研究表明，携带rapidNAT2(N-acetyltransferase2)等位基因与结直肠癌发生有关。多环胺类由NAT2代谢，即多环胺类是红肉中的致癌物。,设计新的预防和治疗策略,设计新的预防和治疗策略,设计新的预防和治疗策略,传染病中的应用例子HIVcoreceptorchemokine(CCmotif)receptor5(CCR5)基因32碱基缺失可阻断该基因纯合子人群HIV感染和减缓该基因杂合子人群疾病进展。可基于此研究结果进行基因治疗,数据来源,基因信息家族史表型（如肤色）DNA测序环境信息流行病学调查：问卷、测量生物标志物检测需要多学科合作,二、基因-环境交互作用模式,三、研究设计与分析,面临的挑战,统计学挑战：高维多重检验流行病学挑战：结果的重现性专业挑战：找到基因和环境的同一个生物学通路找到改变基因功能或基因调控的基因突变课题组研究兴趣的差异,研究设计,Family-basedstudiesCase-parentalcontrolstudyCase-siblingcontrolstudyPopulation-basedstudiesAssociationstudiesinunrelatedindividualsAssociationstudies:retrospectivedesignAssociationstudies:prospectivedesignAssociationstudies:case-onlydesignsPartialcase-controlstudy,样本含量,Alongstandingruleofthumb：检测两变量相乘联合效应所需样本含量是检测一个变量主效应的4倍。需要的参数：检验水准，检验功效，环境因素、基因和交互作用的OR，人群中环境因素和基因暴露频率，病例和对照的比例。样本含量需要相对大，否则会造成假阴性错误（II型错误），即检验功效降低，除非很强的交互作用。需要多学科合作需要大型队列研究需要合并数据，特别是单体型TagSNP数据,样本含量,分析方法,传统logistic回归惩罚logistic回归Penalizedlogisticregression,PLR多因子降维Multifactordimensionalityreduction，MDRGeneralizedmultifactordimensionalityreduction，GMDR在分析各因素、各水平间交互作用时并不考虑主效应，是一种非参数法。软件下载：,MDR,GMDR,From胡晓琴胰岛素抵抗相关基因多态性与结直肠癌易感性的关系,GMDR,From胡晓琴胰岛素抵抗相关基因多态性与结直肠癌易感性的关系,分析方法,分类与回归树法ClassificationandRegressionTree,CART随机森林法Randomforest神经网络模型Neuralnetworks机器学习Machinelearning贝叶斯模型Bayesianmodel,CART,From胡晓琴胰岛素抵抗相关基因多态性与结直肠癌易感性的关系,分析程序,Power3.0GxEscan-DetectGxEinteractionsinagenome-wideassociationstudyGxGscan-DetectGxGinteractionsinagenome-wideassociationstudyPriorityPruner-asoftwareprogramwhichcanprunealistofSNPsthatareinhighlinkagedisequilibrium(LD)withotherSNPsinthelist,whilepreferentiallykeeping/selectingSNPsofhigherpriority(e.g.,themostsignificantSNPsinagenome-wideassociationstudy).,课题申请与学位论文,NSFC2014-22项,NSFC2014-22项,NSFC2014-22项,NSFC2013-25项,NSFC2013-25项,NSFC2013-25项,C060701:生命科学部-遗传学与生物信息学-生物信息学-生物数据分析,NSFC重大项目,“环境与遗传因素及其交互作用对慢性非传染性疾病影响的队列研究”医学科学部重大项目指南（2013）资助期限5年（2014年1月至2018年12月）资助经费1800万元,NSFC重大项目,慢性非传染性疾病（以下简称慢性病）已经成为我国最主要的公共卫生问题，对慢性病病因及其预防对策的研究是国家的重大需求。多年来的研究表明：人类主要慢性病的发生受个体行为和环境因素等外因与遗传内因交互作用的影响。国民生活环境和饮食行为方式发生的深刻变化，对疾病的发生、发展和疾病谱的改变产生了显著的影响。,NSFC重大项目,基因组学和表观遗传学等系统生物学技术的飞速发展，又极大地推动了遗传和表观遗传等生物标志物在人群水平的广泛应用，使基于自然人群队列的慢性病环境与遗传因素及其交互作用的研究成为可能。队列研究是疾病病因研究和防治措施评价的重要流行病学方法和循证医学科学证据重要来源之一。该研究设计能够更有效控制各类偏倚、科学评价环境和遗传因素的人群效应、探讨暴露与效应的因果关系。因此本项目将基于国内已建立的大样本前瞻性自然队列人群，进行慢性病环境和遗传因素及其交互作用的研究，为慢性病的预防提供研究基础。,NSFC重大项目,一、科学目标在已建立的大样本自然人群队列研究的基础上，围绕“环境与遗传因素在慢性病发生发展过程中的交互作用”这一主题开展研究。发现和探讨我国常见慢性病的主要危险因素，揭示我国人群慢性病疾病谱的长期变化规律和特征；筛选和验证我国人群主要慢性病相关易感基因；探讨表观遗传学特征与主要慢性病之间的关联及其长期动态变化趋势；明确与慢性病发病有关的环境因素与遗传因素及表观遗传标志之间的相互作用。在此基础上构建慢性病风险预测模型并在大样本队列人群中进行评价。提高对主要慢性病高危人群的鉴别能力，实现群体预防和个体预防相结合的目标。,NSFC重大项目,二、研究内容本项目要求在同一个已建立的大样本自然人群队列基础上，针对1-2个主要慢性病，分别设置以下四个课题：（一）我国主要慢性病流行特征及其主要危险因素队列研究。（二）我国人群主要慢性病相关易感基因的筛选和验证研究。（三）基于队列人群的我国主要慢性病表观遗传学研究。（四）环境与遗传及其交互作用对慢性病发病的影响及风险预测研究。本项目要求每个课题要紧紧围绕“环境与遗传因素及其交互作用对慢性非传染性疾病影响的队列研究”这一主题开展深入、系统研究，课题间要有紧密和有机的联系。,北京大学公共卫生学院李立明教授主持的项目“环境与遗传因素及其交互作用对冠心病和缺血性脑卒中影响的超大型队列研究”获得2013年国家自然科学基金重大项目资助（81390540），金额为1800万。这是国家自然科学基金委员会自组建后设立的第一个公共卫生领域的重大项目。,NSFC2012-15项,NSFC2012-15项,学位论文-硕士,TLR4基因多态性及其和环境危险因素交互作用与冠心病的关系吉林大学2014多数量性状的整体基因间交互作用统计推断方法研究山东大学2014原发性高血压不同中医证型患者AT1R基因多态性与内外环境交互作用的分子流行病学研究安徽中医药大学2014高血压家族史与肥胖及高尿酸血症对高血压发病的交互作用研究青岛大学2013FOXO1基因多态性、环境因素及其交互作用与2型糖尿病关系的研究吉林大学2013IGFs基因多态性、环境暴露因素及其交互作用与肝癌易感性关系的研究广西医科大学2012GR基因及_2-AR基因与职业应激的交互作用与原发性高血压的关系研究福建医科大学201