1 引言
20世紀生物科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是70年代DNA重組技術(shù)的成功，為維護人體健康帶來(lái)了無(wú)限光明. 而基因組學(xué)的發(fā)展讓人們暢想未來(lái)人類(lèi)免受疾病的危害. 但人類(lèi)基因組學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，并未為疾病控制帶來(lái)本質(zhì)上的變化，因為對于大多數疾病而言，基因與環(huán)境等多種因素共同影響疾病的發(fā)生. 科學(xué)家認為基因對人類(lèi)疾病的影響可能只占到<10%. 例如美國B(niǎo)righam and Women′s Hospital的Nina Paynter等對影響心臟病101種基因進(jìn)行研究，歷經(jīng)12年跟蹤調查19000名婦女后發(fā)現這些基因標記難以預測心臟病的發(fā)作情況，英國倫敦皇家學(xué)院的Jeremy Nicholson針對其工作提出自己見(jiàn)解，認為“僅知道基因風(fēng)險因素絕對是無(wú)濟于事的”. 導致人體健康風(fēng)險的主要因素則是環(huán)境暴露(environmental exposure)，但是目前對于基因組研究的投入力度要遠遠大于研究環(huán)境如何影響人體健康的投入.
鑒于環(huán)境對人體健康影響的重要性，越來(lái)越多的人們開(kāi)始關(guān)注這一研究領(lǐng)域. 近年來(lái)，人體暴露于外在污染物的研究得到了空前重視，一些新技術(shù)和方法逐漸引入到該領(lǐng)域中，同時(shí)一些新的概念也逐漸為人們所認識. Christopher Paul Wild于2005年提出了暴露組(exposome)的概念，大大地拓展了人體暴露科學(xué)的內涵和外延. 自從這一概念提出以來(lái)，得到了廣泛關(guān)注，相關(guān)報道亦日趨增多. 在Google Scholar和Web of Science中分別收錄了1190條和115篇相關(guān)文獻，且呈現逐年增多的趨勢(圖 1). 近年來(lái)美國和歐洲均建立了各種研究中心并開(kāi)展了相關(guān)的研究項目，例如美國成立了暴露生物學(xué)中心(Center for Exposure Biology)和人類(lèi)暴露組中心(Human Exposome Center)，其目的在于開(kāi)展人類(lèi)暴露組項目(Human Exposome Project，HEP).
圖1 2005—2014年關(guān)于暴露組文獻數量趨勢
同時(shí)歐盟亦開(kāi)展了生命早期暴露組項目的研究(Human EarlyLife Exposome，HELIX). 這些項目的實(shí)施意味著(zhù)歐美等國家已全面開(kāi)展了暴露組研究. 我國對于該方面的研究鮮有報道，在該方面研究中僅有一項得到國家自然科學(xué)基金資助(數據來(lái)源于Pubmed.cn收錄，搜索關(guān)鍵詞為“暴露組”). 近期國家自然科學(xué)基金委發(fā)布的“十二五”第3批重大項目申請指南中已將“環(huán)境與遺傳因素及其交互作用對慢性非傳染性疾病影響的隊列研究”作為一個(gè)重要課題. 由此可見(jiàn)，我國已開(kāi)始重視暴露組的研究. 本文將主要從暴露組概念的內涵和發(fā)展、研究方法、具體技術(shù)以及未來(lái)的展望方面介紹這一新概念，并以此更多地關(guān)注環(huán)境因素引起的健康問(wèn)題.
2 暴露組的概念
暴露組(exposome)是指一個(gè)人從胚胎到生命終點(diǎn)一生中各種暴露，包括內暴露和外暴露. 這些暴露涉及在外界環(huán)境中化學(xué)污染物暴露下的身體對疾病和心理壓力的總記錄. 此概念包含2個(gè)方面的內涵，① 人類(lèi)暴露于各類(lèi)復雜的化學(xué)、物理和社會(huì )環(huán)境中，并與之相互作用. 人的一生中接觸到成千上萬(wàn)種化學(xué)物質(zhì)，如重金屬和持久性有機污染物等，同時(shí)還暴露于噪聲、振動(dòng)波等物理性污染; 社會(huì )因素和個(gè)人的生活方式亦能影響人們的暴露組，前者如生活區域的人口密度和文化氣息等; 后者包括飲食、運動(dòng)和睡眠等. ②整個(gè)生命過(guò)程中，時(shí)刻存在暴露，不同時(shí)期暴露特征不同. 如嬰幼兒時(shí)期母乳是許多污染物的主要暴露途徑; 幼年時(shí)期玩具和室內灰塵可能是這些污染物的主要暴露載體，成年期間職業(yè)暴露可能是影響人體健康的關(guān)鍵因素，而老年時(shí)期居室環(huán)境則是影響人體健康的重要因子. 由于無(wú)法完全獲知每個(gè)人的終生環(huán)境暴露，研究不同成長(cháng)過(guò)程中關(guān)鍵和敏感時(shí)期的暴露特征對于認識整個(gè)暴露組極為重要. Rappaport和Smith用電影來(lái)比喻暴露組，個(gè)人的暴露組可以理解為一部2 h的電影，每一個(gè)畫(huà)面都是一次暴露事件，如果將2 h的電影濃縮至30 s的預告片，這些極少但很關(guān)鍵的畫(huà)面對于認識整部電影極為重要. 動(dòng)態(tài)特征是暴露組一個(gè)最難以表征的特點(diǎn)，在暴露組無(wú)數的組成中必須考慮時(shí)間上的變化. 實(shí)際上，在任何一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上，每一個(gè)人都具有自己特有的暴露組成. 因此在研究個(gè)體暴露過(guò)程中，我們可以通過(guò)無(wú)數次某一時(shí)刻定量的暴露組成，建立起一個(gè)累計的時(shí)效暴露組. 如圖 2a所示，人生不同階段的暴露組成亦隨著(zhù)職業(yè)、生活方式、外界環(huán)境等的改變而發(fā)生改變. 如果能研究出每一個(gè)過(guò)程中的特征暴露組成，則可以建立起個(gè)人終身暴露組.
暴露組將暴露細分為內暴露、外暴露和社會(huì )暴露(圖 2b). 之前，內暴露是指攝入體內的物質(zhì)實(shí)際上被機體組織吸收的量，即吸收. 通過(guò)測定生物樣品(血液、尿液等)中污染物或其代謝產(chǎn)物的含量來(lái)確定. 如以血鉛、血汞的含量分別代表鉛和汞的暴露劑量; 血液中尼古丁或可鐵寧的含量可作為香煙暴露的暴露劑量. 暴露組所指的內暴露則包含了外界攝入物質(zhì)在體內留下的痕跡，以及自身機體的變化過(guò)程，如內在循環(huán)的荷爾蒙、體型變化、內臟區微生物、感染、脂肪過(guò)氧化、氧化應激以及老化過(guò)程等. 外暴露可分為廣義的外暴露和狹義的外暴露. 廣義的外暴露指實(shí)際存在于環(huán)境中有害因子的量，通常的環(huán)境監測即是監測這種暴露. 狹義的外暴露指外環(huán)境中的暴露因子進(jìn)入體內量，即攝入. 通常是測定人群接觸的環(huán)境介質(zhì)中某種環(huán)境因素的濃度或含量，根據人體接觸的特征(如接觸的時(shí)間、途徑等)，估計個(gè)體的暴露水平. 而外在的社會(huì )暴露主要是指個(gè)人所處的社會(huì )環(huán)境、經(jīng)濟狀況等所帶來(lái)的機體響應及其變化，如社會(huì )能力、教育程度、經(jīng)濟狀況、精神壓力、氣候等因素影響人們機體的響應及其暴露.
圖2 (a): 一生各階段瞬時(shí)暴露組(注：箭頭僅表征暴露的總途徑，與各種過(guò)程無(wú)關(guān));(b): 暴露組的組成
暴露組包括了一個(gè)人終身接受到所有暴露的總和，為科學(xué)家們提供了一種思路去觀(guān)察環(huán)境因素造成的疾病. 從這一層含義上也可以把環(huán)境認定為身體內化學(xué)環(huán)境的一部分. 暴露組亦包括了由于各種生物、生物化學(xué)和化學(xué)過(guò)程引發(fā)的生物標志物的發(fā)生和改變，而這些過(guò)程能解釋人體暴露易導致的感染和疾病，因此也可以把暴露定義為內環(huán)境中生物活性化學(xué)物質(zhì)水平. 隨著(zhù)對人們暴露組研究的深入，每個(gè)人的暴露組會(huì )與疾病人群和健康人群形成對照，也會(huì )與每個(gè)人不同生命階段的個(gè)人用藥形成對比，找出造成疾病的原因，從而確認、減少或消除有害暴露. 正如Linda Birnbaum所言，我們無(wú)法改變遺傳帶給我們的基因，但是我們可以改變生存環(huán)境和生活方式以減少疾病的發(fā)生.
3 暴露組學(xué)的內涵和外延
暴露組概念是建立在先前研究的基礎上，尤其先前暴露科學(xué)(exposure science)和環(huán)境基因組(environmental genome)的研究為這一概念的提出奠定了基礎. 全面理解暴露組學(xué)的內涵與外延需從暴露科學(xué)與環(huán)境基因組入手.
暴露科學(xué)是環(huán)境科學(xué)家們常用的科學(xué)概念，主要研究人體暴露于某一類(lèi)有毒有害物質(zhì)的總量，并用暴露總量來(lái)權衡人體接受到的環(huán)境影響和危害. 暴露分為不同途徑，主要有攝食、呼吸和皮膚接觸等，同時(shí)還包括醫學(xué)上的注射、移植、結膜滴注和栓劑等. 這些研究大多數針對某一特殊人群或者一類(lèi)特殊毒害物質(zhì)的暴露進(jìn)行展開(kāi). 如Ding等人研究了深圳市區人群通過(guò)攝食多環(huán)芳烴(PAHs)和鹵代PAHs的暴露，結果表明該區域人群暴露的PAHs和鹵代PAHs的毒性當量低于嚴重風(fēng)險水平(serious risk level)，而高于可接受風(fēng)險水平(acceptable risk level)，其中攝食米飯和肉質(zhì)食品是最重要的方式，與其他研究比較，和美國、英國、荷蘭、意大利、西班牙等國家報道的暴露風(fēng)險相似，卻遠遠低于北京和天津. 最近研究發(fā)現在電子垃圾拆卸區(臺州)居民通過(guò)灰塵暴露多氯聯(lián)苯(PCBs)非常微小. 人體暴露灰塵中的污染物與人群的年齡、社會(huì )角色以及生活習性息息相關(guān)，比如中國人群通過(guò)居室灰塵暴露鄰苯二甲酸二(2乙基己基)酯僅占總暴露量的2%～5%，而美國人群卻通過(guò)灰塵攝入此類(lèi)污染物占總暴露量的10%～60%. 但是目前這類(lèi)研究多數基于暴露模型的估算. 不同途徑暴露的污染物質(zhì)，只有部分能被人體所利用，最終表現為生物機體的毒性響應. 與人體產(chǎn)生作用的這一部分物質(zhì)被認為具有生物可利用性(bioavailability，即進(jìn)入人體內循環(huán))的污染物. 污染物的生物可利用性可以通過(guò)動(dòng)物的活體實(shí)驗(in vivo)和動(dòng)物或人體的體外實(shí)驗(in vitro，或稱(chēng)模擬實(shí)驗)實(shí)現，但前者實(shí)驗周期長(cháng)、費用高、風(fēng)險大，并帶來(lái)倫理方面的問(wèn)題，后者為當前暴露科學(xué)的研究熱點(diǎn). 綜上所述，暴露科學(xué)著(zhù)重研究人體通過(guò)不同途徑暴露于外在污染物的總量，以及這些污染物進(jìn)入人體后可能對機體產(chǎn)生影響的量. 這些研究?jì)H僅局限于對特定人群或特定污染物進(jìn)行研究，大部分暴露途徑并不能直接測定，而是通過(guò)模型估算而來(lái)，因此參數的選擇會(huì )導致結果的不確定性. 同時(shí)這些研究和人體健康及其疾病的直接關(guān)聯(lián)性較小，盡管有些學(xué)者嘗試使用生物標志物的方法來(lái)表征環(huán)境暴露，但目前這些研究仍然無(wú)法直接將環(huán)境暴露與人體健康進(jìn)行關(guān)聯(lián).
1997年美國國立環(huán)境衛生科學(xué)研究所(National Institute of Environmental Health Sciences)提出環(huán)境基因組(environmental genome)計劃，主要研究因環(huán)境因素導致的疾病下，化學(xué)損傷易感性基因的多態(tài)性，并確定不同個(gè)體差異的遺傳因素. 實(shí)際上，環(huán)境基因組與毒理基因組密切相關(guān)，均為生物科學(xué)家們試圖研究毒害物質(zhì)對機體損傷或者基因表達的影響、交互作用及其個(gè)體差異性. 這些功能性基因組學(xué)(functional genomics)亦稱(chēng)為后基因組學(xué)(postgenome)已成為生物學(xué)的重要研究分支和技術(shù). 這些研究多數聚焦于人體中易感基因的篩選和鑒定. 例如美國的環(huán)境基因組計劃研究中確定了10類(lèi)與環(huán)境因素密切相關(guān)的候選基因，包括DNA修復基因、外源化合物代謝及解毒基因、代謝基因等. 在這一領(lǐng)域里，特定暴露下基因的易感性和多態(tài)性也得到不少人關(guān)注，但是他們主要通過(guò)疾病發(fā)生去尋找特定的易感基因，比如在高濃度血鉛患者體內鑒定出δ氨基乙酰丙酸脫水酶2(ALAD2)等位基因; 又如，前列腺癌、乳腺癌和卵巢癌易感性和參與類(lèi)膽固醇類(lèi)激素代謝酶基因的SNP息息相關(guān). 因此這些研究主要著(zhù)眼于在特定外來(lái)物質(zhì)的影響下，鑒別機體尤其是基因的易感性和多態(tài)性，而涉及真實(shí)環(huán)境暴露下人體的外界暴露、機體響應和健康狀態(tài)的研究極其有限.
可見(jiàn)，環(huán)境科學(xué)家們關(guān)注的人體暴露與生物學(xué)家們關(guān)注的環(huán)境基因組之間存在明顯的鴻溝，需要一個(gè)橋梁將二者有效地連接在一起，才能真正理解環(huán)境污染與人體健康之間的關(guān)系，而暴露組概念的引入有效地將二者連接起來(lái). 暴露組將人體暴露的各種因素囊括在內，并考慮到社會(huì )、文化和心理因素的差異，確定其不同階段的特征暴露組，并充分利用生物基因學(xué)技術(shù)，研究不同特征暴露組下基因的易感性和多態(tài)性，有效地將暴露科學(xué)和環(huán)境基因組學(xué)結合起來(lái)，建立起“污染過(guò)程人體暴露基因表達人體響應”研究路線(xiàn).
4 暴露組研究方法學(xué)
暴露組概念引入以來(lái)，人們最大的困惑是如何著(zhù)手研究. 暴露科學(xué)研究，人們主要從外界環(huán)境關(guān)注人體健康，如空氣、水、食物等的污染強度，以及與人體接觸的途徑(呼吸、攝食以及皮膚接觸)，評價(jià)人體可能受到的影響，或者估算這些暴露過(guò)程的暴露劑量，或者比較暴露人群與非暴露人群的健康指標. Rappaport S.M.教授和Smith M.T.教授將這種通過(guò)研究外界環(huán)境，確定主要暴露過(guò)程和劑量的研究方法定義為“自下而上”法(“bottomup” strategy)(圖 3). 分子生物學(xué)和分子流行病學(xué)的興起發(fā)現了很多生物標志物，而這些標志物可以表征機體各組織內污染物的殘留或者代謝產(chǎn)物; 或者表征某類(lèi)疾病. 而這種通過(guò)探討人體暴露后在機體組織中留下的生物標志物去確定主要的暴露過(guò)程的研究思路則認為是“自上而下”法(“topdown” strategy). “自下而上”法則關(guān)注于外暴露，通過(guò)監測外在環(huán)境中各類(lèi)污染物(包括大氣、水、日常飲食、輻射和生活方式等)的污染強度，估算個(gè)人暴露組，這一研究思路可以長(cháng)期監測同一環(huán)境介質(zhì)中污染物濃度，更好地了解和認識個(gè)體暴露的主要過(guò)程和途徑，以便消除或減小個(gè)體暴露，但這一方法要求去觀(guān)測各種環(huán)境介質(zhì)中的大量未知污染物，同時(shí)缺少對內暴露信息的了解，難以與疾病建立直接關(guān)聯(lián). 而“自上至下”法則應用生物監測的方法測定體液中的暴露特征，根據這些特征尋找暴露途徑和污染物來(lái)源. 尤其有些科學(xué)家呼吁應用非靶性組學(xué)包括各種基因組、蛋白質(zhì)組和代謝組學(xué)等方法去測定體液中暴露組特征，用生物監測如血液中基因表達、蛋白質(zhì)加合物和代謝產(chǎn)物等方法去評價(jià)內暴露程度. 這種方法更有利于研究疾病人群和健康人群中的組學(xué)特點(diǎn)來(lái)對照全基因組關(guān)聯(lián)分析(genomewide association study)，便于探討內暴露過(guò)程及人體發(fā)病原因，但丟失了外暴露的信息，不利于及時(shí)提出有效削減暴露的方案.
圖3 研究暴露組的“自下而上”法和“自上而下”法
然而人體疾病的因素與環(huán)境、基因以及二者相互作用等因素均息息相關(guān)，密不可分，同時(shí)暴露也非常復雜，難以通過(guò)簡(jiǎn)單的幾個(gè)假定污染指標加以全面地認識，因此要想正確認識這些因素導致的健康問(wèn)題，就必須像全基因組關(guān)聯(lián)研究一樣，進(jìn)行無(wú)目標設計的研究，全面了解個(gè)體外環(huán)境脅迫因素(各類(lèi)自然的或人為的化學(xué)物質(zhì)、物理性污染因素以及社會(huì )環(huán)境因素)，以及這些脅迫導致的機體反應留下的痕跡(各類(lèi)污染物消化吸收過(guò)程、機體內反應等)，只有這種無(wú)目標的研究才能在沒(méi)有明確的假設條件下尋找出影響人體健康的關(guān)鍵暴露因素.
5 測量暴露組的技術(shù)手段
如何準確地測量暴露組已成為了當前的難題，測量暴露組必須理順其理論組成，避免毫無(wú)目的地嘗試各種方法. 同時(shí)暴露組概念的內涵與外延決定了單一的分析手段不可能完成暴露組的測量. 因此必須將分析方法、分子技術(shù)、遙感系統及生物信息技術(shù)有效地結合起來(lái)才可能完整地測量一個(gè)人的暴露組.
5.1 遙感技術(shù)
人體暴露存在顯著(zhù)的空間性，3種傳統的地理信息技術(shù)(RS、GIS和GPS)為暴露評價(jià)提供了更為全面、及時(shí)、準確和客觀(guān)的信息. 過(guò)去的幾十年中，這些技術(shù)已廣泛地應用于各種環(huán)境暴露評價(jià)中. 同時(shí)近年來(lái)，各類(lèi)便攜式環(huán)境監測儀器的研發(fā)更易于與其他技術(shù)結合，將地理信息技術(shù)與便攜式監測儀器結合可以得到及時(shí)的空間暴露數據，讓暴露評價(jià)更為精準. 個(gè)人手提電話(huà)及其網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展為暴露組的研究帶來(lái)了巨大前景. 個(gè)人手提電話(huà)已成為人們現代生活的必需品，在全球，擁有配置移動(dòng)、音頻、可視和定位系統的便攜式電話(huà)用戶(hù)已超過(guò)10億，手機用戶(hù)已超過(guò)52億，如果在手機內部配置相應的環(huán)境檢測系統(如大氣顆粒物和揮發(fā)性有機污染物的監測裝置)及其軟件和網(wǎng)絡(luò )，每位用戶(hù)的暴露信息傳輸至終端形成巨大的環(huán)境暴露數據庫，將為研究人體暴露提供一種可靠的數據(National Research Council of the National Academies，2012). Michael Jerrett認為個(gè)人遙感技術(shù)能全面逼真地評價(jià)我們面對的外暴露. 帶有遙感式空間參照技術(shù)和模型的裝置能持續、時(shí)效、真實(shí)地評價(jià)因地理位置、活動(dòng)以及生活方式等因子造成個(gè)人暴露的差異. 例如一個(gè)人的活動(dòng)強度、類(lèi)型及地理位置能反映空氣呼吸暴露、接觸與吞食毒害污染物.
為了完全示蹤污染物對人體健康影響的整個(gè)過(guò)程，研發(fā)低價(jià)、高靈敏、高選擇性的傳感器是關(guān)鍵，Tao教授利用音叉傳感器將化學(xué)信號轉化為機械信號，研發(fā)出一種能在嚴酷環(huán)境中工作的個(gè)人暴露監測系統，通過(guò)該系統能定量和時(shí)效測量多種揮發(fā)性有機污染物、酸類(lèi)污染物和濕度等. 此裝置中將監測系統模塊接入一個(gè)智能手機中，感應器戴在手臂上，以此提供個(gè)人暴露的呼吸區數據，實(shí)時(shí)的暴露數據存儲在手機中，并將這些數據轉入研究者可以進(jìn)入的計算機服務(wù)器中. Tao課題組利用這種裝置監測了2010年4月英國石油公司石油泄漏之后墨西哥灣烴類(lèi)化合物，并繪制了該區域烴類(lèi)化合物的空間分布，獲得的烴類(lèi)化合物平均濃度與美國EPA監測站提供的數據相似，但他們發(fā)現了動(dòng)態(tài)的時(shí)空變化，用烴類(lèi)化合物濃度的位置信息為周?chē)ぷ魃畹娜藗兲峁┲笇? 由于運動(dòng)可以更改一個(gè)人的暴露和對污染物的響應，因此準確地測量體育運動(dòng)對于研究暴露組極為重要，Stephen Intille等(Albinali et al., 2010)研發(fā)了Wocket系統，該系統可測量個(gè)人體育活動(dòng)數據并將數據發(fā)送至個(gè)人手機. Wocket系統能持續測量個(gè)人體育運動(dòng)強度、持續性和地理位置，這樣的測量能持續數月或數年. Jerret等開(kāi)展了利用遙感系統調查個(gè)人暴露和運動(dòng)的研究，研究者給志愿者們佩戴了2個(gè)體育運動(dòng)檢測裝置和1個(gè)裝有新型軟件的智能手機，該裝置可用于記錄體育運動(dòng)，及其時(shí)間和位置. 研究者獲得這些運動(dòng)和位置的數據，結合空氣污染物空間變化估算每個(gè)人呼吸空氣中氮氧化物的總量. 他們發(fā)現旅行對個(gè)人暴露劑量呈現不相稱(chēng)的貢獻，因為他們比步行者和騎自行車(chē)人群的活動(dòng)更多.
研發(fā)的各種新型裝置可以讓研究人員獲取關(guān)鍵性的暴露數據和個(gè)人暴露結果，與以前數據比較，這些暴露研究結果更加完善和科學(xué). 過(guò)去科學(xué)家們關(guān)心人體暴露的5個(gè)關(guān)鍵信息: 誰(shuí)暴露(who)、暴露了什么(what)、暴露的時(shí)間(when)、暴露的地點(diǎn)(where)和為什么產(chǎn)生了暴露(why)，簡(jiǎn)稱(chēng)5個(gè)W信息. 但僅知道這5個(gè)W信息是不夠的，仍無(wú)法建立暴露與疾病的真正關(guān)系. 而要解決這一問(wèn)題就必須知道第6個(gè)重要的W信息: 哪一種暴露造成疾病(which). 各種組學(xué)及其分子技術(shù)學(xué)的介入有助于更清楚地了解第6個(gè)W信息. 但是基于遙感技術(shù)監測人體外暴露和記錄個(gè)人行為活動(dòng)的研究處于起步階段，而這些技術(shù)也只僅適用于特定人群和監測特定污染物，仍然無(wú)法完全獲知人體暴露組的外暴露全部信息，亦無(wú)法適用于公共人群的健康管理中，如何全面記錄個(gè)體和普通人群外暴露全部信息仍然是當前的一大難題.
5.2 分子技術(shù)
理論上說(shuō)，分子技術(shù)方法是組學(xué)技術(shù)的一部分，但與組學(xué)技術(shù)最大的差別在于這些分子技術(shù)手段是有目標性的研究手段(targeted)，而通常所說(shuō)的組學(xué)技術(shù)是無(wú)目標性研究(untargeted). 通過(guò)這些有目標性的技術(shù)去研究特殊的暴露及其相應的分子組成特征，結合多種分子技術(shù)，對于表征總的暴露組特征極有價(jià)值. 例如Avi Spira利用人體通氣道中基因表達組分去發(fā)現身體對抽煙暴露響應的分子標志物. 現存的診斷測試肺癌技術(shù)包括層析成像與支氣管鏡檢查法，兩種方法結合起來(lái)診斷早期肺癌的靈敏度僅50%. 通過(guò)從正常的支氣管上皮細胞中提取RNA，并在微陣列上運行，發(fā)現了吸煙者體中存在80個(gè)明顯不同的基因表達從而導致氧化還原酶的增加，而這些基因表達是否最終發(fā)展為肺癌?采用生物標志物芯片法診斷早期肺癌的發(fā)病率的靈敏度超過(guò)80%，如果與支氣管鏡檢查法結合可高達95%. 目前，獨立隊列研究中證實(shí)了生物芯片技術(shù)可大大提高生物標志物的靈敏度，期望會(huì )成為一種支氣管鏡檢查法的輔助診斷手段. 又如，由于許多生殖方面的事件如排卵和受精不能直接觀(guān)察，而且存在較大的個(gè)體差異性，美國National Institutes of Health的Rajeshwari Sundaram開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)單可行的手段去認識環(huán)境暴露與生殖結局之間的關(guān)系. Sundaram等應用商業(yè)化的受精監測儀，檢測了參與人員中婦女體內生殖荷爾蒙(estrone3glucuronide and luteinizing hormone)的波動(dòng). 這種低廉、易于操作且可靠的監測儀將荷爾蒙組成直接上傳到網(wǎng)絡(luò )數據分析系統中，根據合適的受孕時(shí)間及檢測中丟失的數據及時(shí)向參與者提供反饋. 這種監測儀是縱向觀(guān)察受精與環(huán)境研究(longitudinal investigation of fertility and the environment study，LIFE)的基本部分，這一研究主要評價(jià)持久性環(huán)境化學(xué)物影響人類(lèi)生殖與發(fā)展. LIFE研究讓501對夫妻嘗試懷孕，研究者分析了參與志愿者血清中殘留的有機氯農藥、多氯和多溴聯(lián)苯、多溴聯(lián)苯醚和全氟化合物，并面訪(fǎng)評價(jià)部分生活方式等影響因子，分析了持久性污染物的暴露對生殖能力的影響.
分子技術(shù)方法是一門(mén)較為成熟的技術(shù)手段，已廣泛應用于臨床醫學(xué). 暴露組研究中借用分子技術(shù)手段，主要目的在于研究特殊暴露對人體健康的影響和復雜疾病病原的探究，當前這些研究仍然無(wú)法全面闡明疾病與人體暴露之間的關(guān)聯(lián)，暴露組研究中借用該技術(shù)旨在明確二者之間的關(guān)系.
5.3 組學(xué)技術(shù)
從某種意義上說(shuō)，暴露組的概念來(lái)源于基因組，因此有必要借鑒人類(lèi)基因組研究的高通量技術(shù)手段去表征細胞、組織或體液中RNA表達(轉錄組)、蛋白質(zhì)(蛋白組)和代謝物(代謝組)等后期生物事件. 由于不同生長(cháng)環(huán)境和時(shí)期下相同細胞的基因表達情況不完全相同，轉錄組可以記錄特定功能下細胞全部轉錄本，不同人群暴露于外界環(huán)境不同，因此機體內細胞基因表達亦會(huì )不同，例如在一些動(dòng)物實(shí)驗中揭示環(huán)境汞的暴露對大鼠腦即刻早期基因cjun、cfos mRNA轉錄和cjun、cfos蛋白表達存在明顯的影響. 因此通過(guò)轉錄組學(xué)可以更清楚地記錄環(huán)境因子對機體基因表達的影響. 蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎，生物機體中所有細胞及其重要組成部分都有蛋白質(zhì)的參與，機體的細微變化都會(huì )引起蛋白質(zhì)譜的差異，各類(lèi)疾病的發(fā)生同樣可以導致蛋白質(zhì)的改變; 反之，蛋白質(zhì)的改變可以導致疾病的發(fā)生，例如蛋白質(zhì)的過(guò)氧化可以導致衰老、糖尿病、慢性腎衰和感染等. 通過(guò)開(kāi)展蛋白質(zhì)組學(xué)的研究記錄一個(gè)組織或細胞的全部蛋白質(zhì)表達水平、氨基酸序列和翻譯后加工以及蛋白質(zhì)相互作用等信息，在此基礎上可以了解細胞的各種生物化學(xué)過(guò)程以及病理反應. 同樣，環(huán)境暴露的污染物進(jìn)入機體，可能在機體中反應，產(chǎn)生各種生物化學(xué)代謝物，通過(guò)代謝組學(xué)的研究可以清楚地記錄機體受到外界刺激(如暴露于環(huán)境污染等)后代謝產(chǎn)物的圖譜及其動(dòng)態(tài)變化. Elaine Holmes和她的同事表征了人類(lèi)和其他動(dòng)物對化學(xué)暴露以及生活方式等因子或事件(如飲食以及早產(chǎn))響應的代謝特征. 研究的突破點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)檢測多種化合物. 利用核磁共振光譜或質(zhì)譜，以及主成分分析從體液或組織中獲取多種指紋. 研究發(fā)現，如果哺乳期的母親服用一種可以治療脹氣和發(fā)燒以及減緩病痛的非處方藥: 撲熱息痛，在嬰兒的尿液中亦能監測出來(lái). 然而這一研究捕捉非常短期的暴露和劑量，并不能代表?yè)錈嵯⑼吹谋┞稌?huì )對將來(lái)健康產(chǎn)生影響. 同時(shí)該研究小組也能觀(guān)測出當野生動(dòng)物暴露于WHO推薦的暴露下限Cd濃度時(shí)，腎臟內羥基丁二酸和乙酸酯增加，谷氨酸鹽和支鏈氨基酸卻減少. 在一項調查中，Holmes小組可以通過(guò)評價(jià)早期代謝產(chǎn)物的變化區分出成人屬于正常出生還是早產(chǎn). 她解釋道，當一個(gè)嬰兒出生時(shí)，如早產(chǎn)等許多因素會(huì )影響腸道微生物的生長(cháng)，這些細菌隨著(zhù)人群變化巨大，但依然能反映健康和疾病影響的代謝組成. 眾所周知，早產(chǎn)可以導致后期心血管疾病、代謝綜合征、腎臟疾病和其他負面健康，Thomas等評價(jià)了30個(gè)年輕成年人的代謝組成，發(fā)現早產(chǎn)人一些代謝產(chǎn)物明顯增加，這些代謝產(chǎn)物可用于識別炎癥或炎癥前期的癥狀. 因此代謝組可以精確地記錄生命期中與疾病息息相關(guān)的暴露.
內外暴露將不斷引起機體生物化學(xué)信息庫的改變，而這些信息不僅與暴露相關(guān)，同時(shí)也與疾病的發(fā)生密不可分. 高通量組學(xué)技術(shù)的應用讓我們知道這些暴露在機體內發(fā)生變化，同時(shí)也讓我們了解了疾病發(fā)生的機理. 在疾病保護和診斷上確認有用的分子標志物，并根據個(gè)人的暴露組特征去發(fā)展新型的治療方法. 組學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為了解疾病發(fā)病機理提供有價(jià)值的信息. 由于近年來(lái)人類(lèi)基因組計劃(Human Genome Project，HGP)的成功實(shí)施，各種組學(xué)技術(shù)得到了快速的發(fā)展，尤其在無(wú)目標性研究其中關(guān)鍵作用，全面地記錄了基因表達，轉錄，和代謝等全部信息，讓人們更加清楚自己機體發(fā)展的一切變化. 暴露組研究中必須運用這些高通量技術(shù)全面記錄人體暴露過(guò)程中機體的一切改變，因此組學(xué)技術(shù)的運用將決定暴露組研究的成敗.
6 挑戰及其展望
盡管暴露組的概念剛剛提出，但其內涵和外延得到了不斷的完善和更新，生物標志、個(gè)體檢測器、影像學(xué)等技術(shù)的進(jìn)步也會(huì )為暴露組的研究帶來(lái)空前的發(fā)展. 然而在當前的技術(shù)手段和分析方法上仍然無(wú)法準確定量一個(gè)人的暴露組，開(kāi)展暴露組研究仍然需要從概念的內涵上加以發(fā)展，同時(shí)分析技術(shù)手段和方法亦需要進(jìn)一步完善. 當前下，暴露組研究面臨著(zhù)諸多困難，概括而言，主要包括以下四個(gè)方面.
1)暴露組是個(gè)動(dòng)態(tài)的概念，這一動(dòng)態(tài)不僅體現在研究每個(gè)人每時(shí)每刻的總暴露，而且這一概念還受到其他學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展而不斷擴展其內涵與外延. 暴露組研究人體從出生至生命結束整個(gè)生命過(guò)程中每時(shí)每刻暴露于外界環(huán)境(空氣、水、飲食)，以及社會(huì )環(huán)境和個(gè)人發(fā)展階段及行為，因此是在一個(gè)動(dòng)態(tài)的狀態(tài)下探討人體暴露與機體響應的一門(mén)科學(xué). 同時(shí)隨著(zhù)各種新型產(chǎn)品和污染物的出現，社會(huì )文化的發(fā)展、各種交往的滲透，氣候環(huán)境的變遷，暴露組的內涵將逐漸加深，而外延也將不斷地擴展. 由于很多因素在當前的認識下無(wú)法預測，因此也為暴露組的研究增加了許多不確定因素.
2)暴露組是建立在暴露科學(xué)基礎上，并借鑒了基因組學(xué)的研究思路和統計方法，目前關(guān)于這些研究的信息多為零星和分散的，如何將這些數據整合歸納起來(lái)為暴露組的研究提供更有針對性的指導方案是一項巨大的工程. 關(guān)于人體暴露途徑、職業(yè)病調研、個(gè)別疾病的生物指標和分子流行病等研究都已有了不同程度的開(kāi)展，暴露組研究的開(kāi)展應借鑒這些方法和思路進(jìn)行更具有針對性的研究. 如何將這些已存在的結果整合起來(lái)，并建立其各種相互偶合關(guān)聯(lián)，為暴露組的研究思路和方法提供有效的信息，亦亟需開(kāi)展. 同時(shí)暴露組檢測方法的進(jìn)步其發(fā)現的信息有利于個(gè)體健康保護，但公共健康影響才是暴露組的研究目標，因此在當前乃至今后很長(cháng)一段時(shí)間內，暴露組研究的最大障礙是如何將其應用到公共人群的健康風(fēng)險預測和疾病控制等方面. 個(gè)體暴露組信息的完善是建立完整的公眾暴露組的第一步.
3)暴露組的研究將借助各種組學(xué)技術(shù)，但是如何把這些組合技術(shù)手段結合起來(lái)，發(fā)揮其最大作用，需要不斷地摸索. 而且這些技術(shù)并不能完全地解決暴露組的研究問(wèn)題. 例如暴露組的研究重點(diǎn)在于捕捉各種內在的分子標志物，而并不是所有的污染物. 因此必須優(yōu)化這些技術(shù)手段的組合配置. 同時(shí)還需要加強國際合作，鼓勵多方位的金融投資，將特定人類(lèi)染色體測序的工作分配給全世界不同的研究小組來(lái)共同完成，在地區層面上獲得當地暴露信息研究的成功，從而促進(jìn)暴露組數據庫的建立和共享，通過(guò)這種方式才可能使暴露組研究得到最快速地發(fā)展.
4)隨著(zhù)各種技術(shù)手段的發(fā)展，對污染物暴露途徑、分子作用機理和疾病發(fā)生原委的認識逐步清晰，然而由于社會(huì )經(jīng)濟等因素引發(fā)的社會(huì )暴露在這些技術(shù)手段上難以表征，解決社會(huì )干預、生物效應和疾病風(fēng)險之間復雜的關(guān)系必須通過(guò)社會(huì )學(xué)家、環(huán)境科學(xué)家、流行病學(xué)家、分子生物學(xué)家和其他領(lǐng)域科學(xué)家之間的密切合作才能共同完成.具體參見(jiàn)污水寶商城資料或http://www.sharpedgetext.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
因此暴露組以一個(gè)全新的概念展現在人們面前，而且為人類(lèi)健康帶來(lái)了無(wú)限希望，同時(shí)更多地為人們提供了了解自我的機會(huì )，亦為科學(xué)家們提供了更大的研究平臺和思考空間. 在可以預見(jiàn)的未來(lái)，隨著(zhù)各種技術(shù)手段的進(jìn)步，各個(gè)學(xué)科的融合和交叉，以及各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)家的緊密合作，逐步建立健全人類(lèi)暴露組信息數據庫，揭開(kāi)人體暴露、作用機制和疾病成因的本質(zhì)，為人類(lèi)健康保護和疾病預防發(fā)揮重要作用.
