疫学とは？ わかりやすく解説

疫学のさまざまな側面：上から下へ：CDCの資料に基づく接触者追跡の図、フランスの連合軍各収容所で医師が作成した1918年のインフルエンザ流行の症状を示す統計表、研究デザインとエビデンスの図、新型コロナの集団感染の発生リスクが高まる条件を示した3つの密の図

疫学（えきがく、英: Epidemiology）とは、定義された集団における健康と疾病の状態の分布（誰が、いつ、どこで）、パターン、決定因子（英語版）の研究と分析をする学問である。

また、疫学は公衆衛生の基礎であり、リスク因子（英語版）を特定し、予防医学の対象を特定することで、政策決定や根拠に基づく実践を形作るものである。疫学者は、研究デザイン、データの収集、統計分析、結果の解釈と普及（査読と時折のシステマティック・レビューを含む）の修正を支援する。そして、疫学は臨床研究、公衆衛生研究、より限定的には生物科学における基礎研究で使用される方法論の開発に貢献してきた^[1]。

疫学研究の主要分野には、病因、感染経路、アウトブレイク調査、疾病サーベイランス（英語版）、環境疫学（英語版）、法医学的疫学（英語版）、職業疫学（英語版）、スクリーニング (医学)、バイオモニタリング（英語版）、治験などの治療効果の比較が含まれる。疫学者は、病気のプロセスをより理解するために生物学、データを有効に活用し適切な結論を導き出すために統計学、近接原因と遠因をより理解するために社会科学、ばく露評価（英語版）のために工学などの他の科学分野に依存している。

疫学は疫の字にやまいだれ(疒)が付くため医学であると誤解されやすいが、英語ではEpidemiology（epi- (upon、広範な) + -demos(people、人間の) + -logos(study 学問）と綴り、人間集団に対するあらゆる因果関係の確認に用いられる学問である^[2]。しかし、この用語は動物集団の研究（獣医学的疫学）でも広く使用されており、「獣疫学（英語版）（epizoology）」という用語も用いられることがあり、植物集団の研究（植物学的または植物病理疫学（英語版））にも適用されている^[3]。

「流行」と「風土病」の区別はヒポクラテスによって初めてなされた^[4]。これは、集団に「訪れる」病気（流行）と集団内に「住む」病気（風土病）を区別するためである^[5]。「epidemiology」という用語は、1802年にスペインの医師ホアキン・デ・ビジャルバによって、『Epidemiología Española』の中で初めて流行病の研究を記述するために使用されたと思われる^[5]。疫学者はまた、シンデミック（英語版）として知られる、集団における疾患の相互作用も研究している。

疫学という用語は現在、流行性の感染症だけでなく、一般的な疾患の記述と因果関係を網羅するために広く適用されている。疫学を通して検討されるトピックの例には、高血圧、精神疾患、肥満などがある。したがって、この疫学は、疾患のパターンが人間の機能をどのように変化させるかに基づいている。

歴史

医学の父と呼ばれたデモクリトスに教えを受けたギリシャの医師ヒポクラテスは^[6][7]、病気に論理を求め、疾患の発生と環境の影響との関係を調べた最初の人物として知られている^[8]。ヒポクラテスは、人体の病気は四体液（黒胆汁、黄胆汁、血液、粘液）のアンバランスによって引き起こされると考えた。病気の治療法は、問題の体液を取り除くか、体のバランスを取るために加えることであった。この信念は、医学における瀉血と食事療法の適用につながった^[9]。彼は、（通常は特定の場所で見られるが、他の場所では見られない病気のために）風土病と、（ある時は見られるが、他の時は見られない病気のために）流行病という用語を作り出した^[10]。

近代

16世紀半ばに、ヴェローナ出身の医師ジローラモ・フラカストロが、病気を引き起こす非常に小さな、目に見えない粒子が生きていると提唱した最初の人物である。これらの粒子は空気によって広がり、自分で増殖し、火によって破壊されると考えられていた。このようにして、彼はガレノスの瘴気説（病人の中にある毒ガス）を否定した。1543年、彼は『De contagione et contagiosis morbis』という本を書き、その中で病気を予防するために個人的および環境的な衛生を推進した最初の人物となった。1675年にアントニ・ファン・レーウェンフックによって十分に強力な顕微鏡が開発されたことで、病気の病原体説と一致する生きた粒子の視覚的証拠が提供された^[要出典]。

明の時代、呉有性（中国語版）（1582-1652）は、1641年から1644年の間に様々な流行病が猛威を振るうのを目撃した際に、「戻気」（悪因子）と呼ばれる伝染性の物質によって引き起こされる病気があるという考えを発展させた^[11]。彼の著書『瘟疫論（中国語版）』（疫病論）は、この概念を提唱した主要な病因学的著作と見なすことができる^[12]。彼の概念は、2004年のWHOによるSARS流行の分析において、伝統的中国医学の文脈でいまだに考慮されていた^[13]。

もう一人の先駆者であるトマス・シデナム（1624-1689）は、1600年代後半のロンドン市民の熱を最初に区別した人物である。熱の治療法に関する彼の理論は、当時の伝統的な医師から多くの抵抗を受けた。彼は、自身が研究し治療した天然痘の熱の初期原因を見つけることができなかった^[9]。

ジョン・グラント（英語版）は、装身具商（英語版）であり、アマチュアの統計学者で、1662年に『Natural and Political Observations ... upon the Bills of Mortality』を出版した。その中で、ロンドンの大疫病以前の死亡者記録を分析し、最初の生命表の1つを提示し、新旧の多くの病気の時間的な傾向を報告した。彼は、多くの病気の理論に統計的証拠を提供し、それらに関する一部の広く普及していた考えを否定した^[要出典]。

ジョン・スノウは、19世紀のコレラの流行の原因を調査したことで有名であり、（現代の）疫学の父としても知られている^[14][15]。彼は、サウスワーク社が供給する2つの地域で死亡率が著しく高いことに気づいたことから始めた。ソーホー地区の流行の原因としてブロード通り（英語版）の水道ポンプを特定したことは、疫学の典型的な例と考えられている。スノウは、水を浄化するために塩素を使用し、ハンドルを取り外した。これにより流行は終息した。これは、公衆衛生の歴史における重大な出来事と見なされ、世界中の公衆衛生政策の形成に役立った疫学の科学の創設事業と見なされている^[16][17]。しかし、スノウの研究と更なる流行を避けるための予防策は、当時の瘴気説が優勢だったため、彼の死後まで完全には受け入れられず、実践されなかった。瘴気説とは、空気の質の悪さが病気の原因であるとする病気のモデルであり、貧困地域の高い感染率を合理化するために使用されたが、その背後にある栄養不良や衛生面の問題に取り組むことはなく、彼の研究によって誤りであることが証明された^[18]。

他の先駆者には、1849年にアイスランドのヴェストマン諸島における新生児破傷風（英語版）の流行の予防に関する自身の研究を関連付けたデンマークの医師ピーター・アントン・シュライスナーがいる^[19][20]。もう一人の重要な先駆者は、ハンガリーの医師センメルヴェイス・イグナーツで、1847年にウィーンの病院で消毒手順を導入することにより乳児死亡率を下げた。彼の発見は1850年に発表されたが、彼の研究は同僚に歓迎されず、手順は中止された。英国の外科医ジョゼフ・リスターがルイ・パスツールの研究に照らして1865年に消毒薬を「発見」するまで、消毒は広く実践されるようにはならなかった^[要出典]。

ロベルト・コッホは1876年、炭疽菌の純粋培養に成功し、炭疽の病原体であることを証明し、細菌が動物の病原体であることを証明した（コッホの原則)。1882年に結核菌を発見し、ヒトにおいても細菌が病原体であることを証明した。1883年、インドにおいてコレラ菌を発見した。1890年、コッホは結核菌の培養上清からツベルクリン（結核菌ワクチン）を創製した。1905年、コッホはノーベル生理学・医学賞を受賞した。コッホはルイ・パスツールとともに近代細菌学の開祖とされる。

コッホはベルリン大学で弟子を育て、腸チフス菌を発見したゲオルク・ガフキー、ジフテリア菌の分離に成功し、口蹄疫ウイルスを発見したフリードリヒ・レフラー、血清療法を研究したエミール・ベーリング、化学療法を研究したパウル・エールリヒ、破傷風菌を純粋培養し、ペスト菌を発見した北里柴三郎などを輩出した。

20世紀初頭、ロナルド・ロス、ジャネット・レーン＝クレイポン（英語版）、アンダーソン・グレイ・マッケンドリック（英語版）らによって、疫学に数学的手法が導入された^{[21][22][23][24]}。1920年代の並行した発展の中で、ドイツ系スイス人の病理学者マックス・アスカナジー（英語版）らは、異なる地域の集団における癌やその他の非感染性疾患の地理的病理学を体系的に調査するために、国際地理病理学会を設立した。第二次世界大戦後、リチャード・ドール（英語版）らの非病理学者がこの分野に参加し、感染症の流行のために開発された方法では適切に研究できないパターンと発生様式を持つ疾患である癌を研究する方法を進歩させた。地理病理学は最終的に感染症疫学と結合し、今日の疫学の分野を形成した^[25]。

もう一つの画期的な出来事は、リチャード・ドール（英語版）とオースティン・ブラッドフォード・ヒル（英語版）が主導した英国医師研究（英語版）の結果が1954年に発表されたことである。これは、喫煙と肺癌の関連性に非常に強力な統計的支持を与えた^[要出典]。

20世紀後半、生物医学の進歩に伴い、血液、その他の生体試料、環境中の多数の分子マーカーが、ある疾患の発症または危険性の予測因子として同定された。分子レベルで分析されたこれらのバイオマーカー（英語版）と疾患の関係を調べる疫学研究は、広く「分子疫学（英語版）」と名付けられた。具体的には、生殖細胞系列の遺伝的変異と疾患の疫学に「遺伝疫学（英語版）」という用語が使用されてきた。遺伝的変異は、通常、末梢血白血球のDNAを用いて決定される^[要出典]。

21世紀

2000年代以降、多くの疾患や健康状態の遺伝的リスク因子を特定するために、ゲノムワイド関連解析（GWAS）が一般的に行われるようになった^[要出典]。

大多数の分子疫学研究では、従来の疾患診断（英語版）と分類システムがいまだに使用されているが、疾患の進行は本質的に個人ごとに異なる不均一なプロセスであることがますます認識されている。概念的には、各個人は他の個人とは異なる独自の疾患プロセスを持っている（「独特の疾患原則」）^[26][27]。これは、エクスポーゾーム（英語版）（内因性および外因性/環境曝露の総体）の独自性と、各個人における分子病理学的プロセスへのその固有の影響を考慮したものである。曝露と疾患（特に癌）の分子病理学的特徴との関係を調べる研究は、2000年代を通じてますます一般的になった。しかし、疫学における分子病理学の使用には、研究ガイドラインと標準化された統計方法論の欠如、学際的専門家と教育プログラムの不足など、独特の課題があった^[28]。さらに、疾患の不均一性の概念は、同じ疾患名を持つ個人は同様の病因と疾患プロセスを持っているという疫学における長年の前提と矛盾するように見える。これらの問題を解決し、分子精密医療の時代における集団の健康科学を進歩させるために、「分子病理学」と「疫学」が統合され、「分子病理疫学（英語版）」（MPE）という新しい学際的分野が作られた^[29][30]。これは、「分子病理学と疾患の不均一性の疫学」と定義される。MPEでは、研究者は、（A）環境、食事、ライフスタイル、遺伝的要因、（B）細胞内または細胞外分子の変化、および（C）疾患の進化と進行との関係を分析する。疾患発症機序（英語版）の不均一性をより理解することは、疾患のエティオロジーを解明するのにさらに貢献するだろう。MPEアプローチは、腫瘍性疾患だけでなく、非腫瘍性疾患にも適用できる^[31]。MPEの概念とパラダイムは、2010年代に広まった^{[32][33][34][35][36][37][38]}。

2012年までに、多くの病原体の進化は疫学と非常に関連するほど速いこと、したがって疫学と分子進化を統合した感染症へ学際的アプローチを取ることで、「制御戦略や患者治療に情報を与える」ことができることが認識された^[39][40]。現代の疫学研究では、高度な統計と機械学習を使用して、予測モデル（英語版）を作成し、治療効果を定義することができる^[41][42]。多くはヘルスケアや疫学に由来しない幅広い現代のデータソースが、疫学研究に使用できることがますます認識されている^[43]。このようなデジタル疫学には、インターネット検索、携帯電話の記録、医薬品の小売売上などのデータを含めることができる^[要出典]。

日本の疫学

日本の疫学の祖と言われている高木兼寛は、日本海軍に多発した脚気を白米を中心とする食事にありとする栄養学説を唱えて、それを実験疫学的に証明したことで有名である。航海実験の結果に基づき海軍食に麦飯を導入、結果、1885年には海軍の脚気は激減した^[44]。これらの功績により1905年(明治38年)に男爵の爵位を授けられ、後に「麦飯男爵」とも呼ばれたという^[45]。これは1912年に鈴木梅太郎がオリザニン(ビタミンB1)を発見する実に27年も前のことである。

北里柴三郎は破傷風菌を純粋培養し、血清療法を確立しペスト菌を発見した。

研究の種類

疫学者は、観察研究から実験的研究まで、幅広い研究デザインを用いており、一般的に記述的研究（時間、場所、人に関するデータの評価を含む）、分析的研究（既知の関連性や仮説化された関係をさらに検討することを目的とする）、実験的研究（治療やその他の介入の臨床試験やコミュニティ試験と同義語としてよく使用される用語）に分類される。観察研究では、疫学者がサイドラインから観察しながら、自然の「成り行き」に任せる。逆に、実験的研究では、疫学者が特定の症例研究に入るすべての要因を制御する^[46]。疫学研究は、可能な限り、アルコールや喫煙、生物学的因子、ストレス、化学物質などの曝露（英語版）と死亡率や罹患率との間の偏りのない関係を明らかにすることを目的としている。これらの曝露と転帰との因果関係の特定は、疫学の重要な側面である。現代の疫学者は、情報学やインフォデミオロジー（英語版）^[47][48]をツールとして使用している^{[要出典][49][50][51]}。

観察研究には、記述的研究と分析的研究の2つの要素がある。記述的観察は、「健康関連状態の発生における誰が、何を、どこで、いつを」に関するものである。一方、分析的観察は、健康関連事象の「いかに」をより扱う^[46]。実験疫学には、無作為化対照試験（新薬やドラッグテストによく使用される）、フィールド試験（病気にかかる高リスク者を対象に実施）、コミュニティ試験（社会的な病気の研究）の3つのケースタイプがある^[46]。

「疫学の三角形」という用語は、アウトブレイクを分析する際の宿主、病原体、環境の交差を表すために使用される^[要出典]。

症例集積

症例集積とは、単一の患者または同様の診断を受けた少数の患者グループの経験の質的研究、または曝露されていない期間がある病気を引き起こす可能性のある統計的要因を指す場合がある^[52]。

前者のタイプの研究は純粋に記述的であり、その疾患の患者の一般集団について推論することはできない。このタイプの研究では、鋭い臨床医が疾患または患者の病歴の異常な特徴を特定し、新しい仮説の定式化につながる可能性がある。この集積のデータを使用して、可能性のある原因因子を調査するための分析的研究を行うことができる。これには、症例対照研究または前向き研究が含まれる。症例対照研究では、その集積の症例と比較可能な疾患のない対照をマッチングさせる。前向き研究では、疾患の自然史を評価するために、症例集積を長期間にわたって追跡調査する^[53]。

後者のタイプは、より正式には自己対照症例集積研究と呼ばれ、個々の患者の追跡期間を曝露期間と非曝露期間に分割し、固定効果ポアソン回帰プロセスを使用して、曝露期間と非曝露期間の特定の転帰の発生率を比較する。この手法は、ワクチン接種による有害反応の研究で広く使用されており、状況によってはコホート研究で得られるのと同等の統計的検出力を提供することが示されている^[要出典]。

症例対照研究

症例対照研究は、病気の状態に基づいて対象者を選択する。これは後ろ向き研究である。病気に罹患している個人のグループ（「症例」群）と、病気に罹患していない個人のグループ（「対照」群）が比較される。対照群は、理想的には、症例を生み出したのと同じ集団から来るべきである。症例対照研究では、両群（症例と対照）が遭遇した可能性のある潜在的な曝露を過去に遡って調べる。2×2表が作成され、曝露症例（A）、曝露対照（B）、非曝露症例（C）、非曝露対照（D）が表示される。関連性を測定するために生成される統計量はオッズ比（OR）であり、これは症例の曝露オッズ（A/C）の対照の曝露オッズ（B/D）に対する比、すなわちOR =（AD/BC）である^[要出典]。

ORが1より有意に大きい場合、「病気の人は曝露された可能性が高い」という結論になるが、1に近い場合は、曝露と病気は関連している可能性が低い。ORが1よりはるかに小さい場合、曝露は病気の原因における防御因子であることが示唆される。

症例対照研究は通常、コホート研究よりも迅速かつ費用対効果が高いが、バイアス（想起バイアスや選択バイアス（英語版）など）の影響を受けやすい。主な課題は、適切な対照群を特定することである。対照群における曝露の分布は、症例を生み出した集団における分布を代表するものでなければならない。これは、元のリスク集団からランダムサンプルを抽出することで達成できる。この結果、対照群には、病気が集団で高い罹患率を示す場合、研究対象の病気の人が含まれる可能性がある^[要出典]。

症例対照研究の大きな欠点は、統計的に有意であるとみなされるためには、95％信頼区間で必要な最小症例数がオッズ比と次の式で関連していることである。

${\displaystyle {\text{total cases}}=A+C=1.96^{2}(1+N)\left({\frac {1}{\ln(OR)}}\right)^{2}\left({\frac {OR+2{\sqrt {OR}}+1}{\sqrt {OR}}}\right)\approx 15.5(1+N)\left({\frac {1}{\ln(OR)}}\right)^{2}}$