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喝酒臉紅就容易罹癌嗎?用「因果中介模型」透視疾病的黑盒子

研之有物│中央研究院_96
・2019/03/26 ・3867字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 執行編輯|林婷嫻、美術編輯|林洵安

從統計找因果關係

人體中,有一些奇妙的因果關係。例如:小時候家裡窮,為什麼長大較胖?喝酒容易臉紅,因此易罹肝癌嗎?中研院統計所的黃彥棕副研究員說明,透過「因果中介模型」,可以找出中間究竟發生什麼事,藉此提供可能的醫療對策。

就讀醫學院、專攻生物統計的黃彥棕,與我們分享基礎的統計觀念。請放心,本篇沒有困難的數學算式。
攝影│張語辰

您畢業於醫學院,為什麼沒當醫師,而是研究統計?

我讀大四的時候,人類基因被解碼出來,大家就在討論下一個世代的醫學和生物研究要做什麼。當基因的資料量變大,就不太可能用傳統一個分子、一個基因的方法來看,那時候覺得「量化」的訓練可能是我以後需要的,而且我本身也對數學有興趣。

其實,醫學存在大量的「不確定性」,例如,同樣的醫師看病,給 A 病人吃這個藥可以康復,但 B 病人吃同樣的藥卻不會好。換句話說:

醫學體現了不確定性,而統計學是用來研究不確定性

之後我加入陳建仁老師的實驗室,研究 B 肝病毒和 C 肝病毒對於肝臟的交互作用,這跟我後來跨入「因果中介模型」的領域有關。那時候楊懷壹學長帶著我,從最基礎怎麼寫程式,手把手教我慢慢做。

後來我們發現 B 肝病毒和 C 肝病毒呈現競爭關係,它們都想佔領肝臟,通常是 B 肝病毒因為母子垂直傳染先抵達,而 C 肝病毒後到。兩個病毒交互作用,這個中介過程造成的結果很有趣──反而是肝癌機率會變低。(註一)

在陳老師實驗室研究的這個題目,對於我的學術生涯有很大的影響,包括後來到哈佛大學攻讀流行病學和生物統計,以及投入因果中介模型的研究,都是受到這個題目的啟蒙。

研究生物統計,要特別注意什麼?

要注意「相關性」和「因果關係」不能混淆。舉個例子,如果有人發現「吃冰淇淋」和「被鯊魚攻擊」的次數呈現正相關,如下圖所示:

「吃冰淇淋」和「被鯊魚攻擊」的次數變化,呈現高度正相關。(舉例)
資料來源│黃彥棕    圖說重製│林洵安

可能有人看了這個資料,會下一個結論:吃冰淇淋會導致你容易被鯊魚攻擊。但真的是這樣嗎?其實影響這兩者的原因是「夏天」。因為夏天人們喜歡吃冰淇淋,而夏天人們也喜歡去海邊,導致被鯊魚攻擊的次數提高。

這個例子可以用常識判斷,但生物和醫學研究不太能只靠常識。如果沒有區別「因果關係」和「相關性」的差別,有時會產生一些嚴重的後果,關係到病人的生存。

如何確認「因」和「果」的關係?

以醫學來說,疾病都會有一個病程,通常我們知道開頭和結尾,但不知道中間發生什麼事。

舉個例子,若我們要研究「抽菸」透過改變身體什麼機制導致「肺癌」,就能藉由因果中介模型解釋因和果中間的機制,找出肺部的腫瘤是如何發生。(註二)

「因果中介模型」在於找出因和果「中間」發生什麼事。例如:抽菸到肺部產生腫瘤的過程中,是因為香菸所含物質,導致細胞基因發生甲基化。
資料來源│黃彥棕    圖說設計│林婷嫻、林洵安

疾病的過程常常是一個黑盒子。站在醫生的角度,通常只知道疾病的因和果,但若疾病的「因」是沒辦法被改變的,這樣對病人一點幫助也沒有。這種情況下,我們若能找出「中介因子」,就能透過追蹤或調節中介因子,來避免或降低疾病「結果」發生的可能性。

「肥胖」也能找出中介因子嗎?

肥胖的原因有很多,其中一個是:在美國已經知道「小時候家裡社經地位低」和「長大後過胖」這兩者的關係是確立的,但不知道中間的機制。我們用因果中介模型分析發現,其實這中間可能是受到基因甲基化的影響。

基因是與生俱來的,一般來說基因序列不會改變,可是每個基因的表現量會不一樣。就像鋼琴鍵盤順序不會變,但各個琴鍵可以彈出不一樣的大小聲。而甲基化的意思,就是環境因子會影響基因表現量。

我們從受試者的臀部,以 FNA (細針抽取細胞檢查)抽取脂肪細胞,作為分析基因的資料。的確發現,脂肪細胞裡一些基因的甲基化,參與中間的間接作用。也就是說,家裡社會經濟地位低,會導致脂肪細胞某一些基因甲基化的程度不太一樣;這些不太一樣的程度,可能進而導致成年時候肥胖。(註三)

童年的外在環境,如何影響成年肥胖?以美國受試者的資料來分析,是因為家裡吃得不健康,使得脂肪細胞一些基因甲基化。
資料來源│黃彥棕    圖說設計│林婷嫻、林洵安

窮困家庭能吃飽就不容易,很難注重健康。家裡大人如果吃得不健康,小孩也會跟著吃,這個環境因素會影響下一代。因為吃的東西,會記憶在基因裡面,透過改變脂肪細胞一些基因的甲基化程度,造成長大後容易肥胖。不過,這些是以美國人為受試對象的研究,我們需要臺灣族群的研究,來了解目前臺灣人口肥胖的問題。

還有一個常見的因果關係:喝酒容易臉紅,易罹肝癌嗎?

喝酒容易臉紅的人,是因為肝臟代謝乙醛的基因有缺陷,導致身體缺乏解酒酵素 (ALDH2) 。這個基因缺陷,通常會讓這個人變得比較不喜歡喝酒,因為會臉紅、起酒疹、不舒服。不喝酒的話,「間接作用」就會保護肝臟。

可是另一方面,不容易代謝乙醛的基因,影響的不只是喝酒的行為,也會造成肝臟代謝毒物的效用不佳。你帶著一個有缺陷的基因,導致毒物無法代謝、累積在肝臟,這「直接作用」會對肝臟產生危險性。

陳建仁老師和楊懷壹老師合作,我們用因果中介模型,來看這兩個機制的交互作用,發現最後對肝臟的正負作用會相互抵消。也就是說,喝酒容易臉紅的人,透過「不喝酒/肝臟易累積毒物」這兩個機制並存、相抵,不會對肝臟造成顯著的罹癌風險。(註四)

代謝乙醛的基因有缺陷,會造成人們不喜歡喝酒(間接作用),但肝臟也會容易累積毒物(直接作用)。兩個作用相抵,對於肝臟其實不會造成顯著的罹癌風險。(編註:本圖說於 2019/3/19 將甲醛更正為乙醛)
圖說設計│林婷嫻、林洵安

研究過程中,有沒有遇到什麼困難?

就是……數學算式推導不出來,呵呵呵。有時候回到家會跟太太說:「我今天又把一個題目做死了。」統計學和其它領域一樣,學術研究大部分的時間都是在面對挫折。

想要特別說明的是,很多人認為因果推論是發展一個統計模型,證明 A 和 B 是因果關係。其實這是誤解,我們做因果推論,其實花很多時間在探討什麼「不是」因果關係。生活上常常要用消去法,因果推論也是。

研究上常有的合作模式是,我們先把「因果中介模型」推導出來,合作對象讀了論文再來找我們,希望用這個統計模型回答他們的問題,找出影響病程的中介因子。我們也會和醫師合作,運用去識別化的病歷和健保資料來分析。

如果物理學家真的發明時光機,我可能就失業了。

如果人生可以重來,就能比較同一個人這輩子有抽菸、另一輩子沒有抽菸,導致肺部腫瘤的過程機制。但因為時光機還沒被發明出來,我就可以繼續做這門統計研究。

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為喝酒易罹癌?小時候家裡窮會胖?統計學家黃彥棕來解答,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》