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关于21世纪暴露科学的讨论:愿景与战略

December 4, 2013 评论 Comments Off on 关于21世纪暴露科学的讨论:愿景与战略

Paul J. Lioy1 and Kirk R. Smith2

1Environmental and Occupational Health Sciences Institute, UMDNJ–Robert Wood Johnson Medical School and Rutgers University, Piscataway, New Jersey, USA; 2School of Public Health, University of California, Berkeley, Berkeley, California, USA

 
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背景:美国国家科学院国家研究理事会(NRC)最近发布了名为《21世纪的暴露科学:愿景与战略》(Exposure Science in the 21st Century: A Vision and a Strategy)的报告。撰写该报告的专家委员会有来自生态学、化学、暴露科学、毒理学、公共卫生、生物伦理、工程、医药及政策等各专业的专家。

目的:我们的目标是为环境和公共卫生相关领域科学界人士提供信息,使他们能更全方位地认识这一愿景,对为实现该愿景所制定的框架有深入理解。

讨论:尽管该NRC报告受美国环境保护署和美国国家环境卫生科学研究所之委托,但它完全是独立的志愿者委员会共同商讨的产物,其结果通过了NRC的严格同行评审程序。该报告在回顾暴露科学的历史和现状之外,还勾画出了未来的愿景,提出了既包括短期也包括长期时间表的各种建议。

结论:为实现NRC报告提出的愿景,需要利用各种资源完成研究,开发应用暴露分析,建立个人和群体暴露相关数据库,以及培养新一代的暴露研究科学家。尽管本评论引用了该报告的一些重要摘录及释义;但总的观点和意见都是我们自己提出的。

关键词: 生态暴露组(eco-exposome),暴露组(exposome),暴露评估,暴露科学,国家研究理事会。《环境与健康展望》121:405-409(2013)。 http://dx.doi.org/10.1289/ehp.1206170 [2013年1月31日在线]

 

不包括电离辐射在内的非职业暴露的概念最早引入于20世纪80年代初,《联邦政府风险评估:管理过程》(Risk Assessment in the Federal Government: Managing the Process) [National Research Council (NRC) 1983]也称之为“红皮书”的文章就提到了该概念。该文将暴露评估描述为一种限于评估单一介质问题的分析工具。随后,在取得了揭示群体暴露特点的一系列成功之后,诞生了一门应用于基础领域研究、实验室研究以及基本方程开发的科学领域-暴露科学[Lioy 1990; Ott 1995; Smith 1988a, 1988b; U.S. Environmental Protection Agency (EPA) 2009; Wallace 1987]。首个NRC暴露委员会发表了《空气污染物的人体暴露评估:进展与机遇》(Human Exposure Assessment for Airborne Pollutants: Advances and Opportunities),也称之为“白皮书”的报告(NRC 1991)。该报告与一个新的科学学会以及各种项目联邦基金一起,为该领域铺设了一条通向21世纪的前进道路。现称之为“暴露科学”的该领域不断发展,于1989年成立了国际暴露评估学会以及相关《暴露评估与环境流行病学杂志》(Journal of Exposure Assessment and Environmental Epidemiology)。该学会与杂志后来改名为国际暴露科学学会与《暴露科学与环境流行病学杂志》(Journal of Exposure Science and Environmental Epidemiology);一篇题为“改革当其时:从暴露评估到暴露科学”(Time for a Change: From Exposure Assessment to Exposure Science)的社论讨论了以上变革(Lioy 2008)。

由于过去几年对暴露评估应用预期的扩大,同时随着暴露测定新技术的出现(例如,高通量基因组技术、个人监测、应激源-剂量建模系统等),对于该领域的现状显然有必要重新审视。为达到提高公共卫生水平的目标,有必要对职业与人体暴露研究的可持续发展进行指导。新NRC委员会(NRC 21世纪人类与环境暴露科学委员会,以下简称“委员会”)应运而生,该委员会提供研究活动的建议,为达成以下目的提供科学依据:a)更好协调环境卫生科学与生态学的其它领域;b)解决科学、监管与社会挑战的更好方法;c)为群体大部分人提供暴露信息的新方法,以及d)综合以上方法以期更好保护人类与生态系统。考虑到这点,美国环保署和美国国家环境卫生科学研究所资助了一项新NRC研究。该委员会最近完成其分析,并发表了《21世纪的暴露科学:愿景与战略的“金书”》(Exposure Science in the 21st Century: A Vision and a Strategy)(NRC 2012)。

委员会的总职责如下:
国家研究理事会委员会将为暴露科学制定一项长期愿景,以及今后20年有目标地实现该愿景的战略,包括将暴露科学提升到研究和评估人类与其环境中化学、生物和物理应激物生态学接触的统一概念框架。在制定愿景与战略时,委员会将考虑环保署与其它联邦机构所使用的暴露评估准则和方法,前沿知识和分析工具的利用与开发,将较全面地考虑暴露与风险评估、风险管理以及为人类健康和生态服务的其它应用相结合的方式。研究重点将是应激源连续体,它们在环境、人类和生态暴露中的命运或变化,以及产生的剂量或者与关注的结局相关的其它指标。(NRC 2012)

该报告被视为有可能是另两个最新NRC报告,即《21世纪的毒性测试:愿景和战略》(Toxicity Testing in the 21st Century: A Vision and a Strategy)(NRC 2007)以及《科学与决策:推进风险评估》(Science and Decisions: Advancing Risk Assessment)(NRC 2009)的姊妹篇。然而,值得注意的是,该报告设定的主旨,较之另两篇报告则要广得多,换言之,它旨在探讨包括其在生态学中应用在内的暴露科学的全部内容,而不仅仅是评估或测试。

21世纪的暴露科学
定义暴露科学
由于人类(及其它物种)每天,以及在自然灾害与其它灾难性事件时都会接触到物理、化学和生物学等因素,因此暴露科学需要评估各种各样问题。该报告(NRC 2012)虽涉及暴露科学的许多重要问题,但不可能涵盖所有主题。为与其使命相符,委员会决定使用专业的暴露科学定义(NRC 2012):

该委员会对暴露科学的定义是,收集与分析为了解受体(如人或生态系统)与物理、化学或生物应激物间接触的特性所需的定量和定性信息。暴露科学力图捕捉对人群和生态系统具有急性与长期影响的时空维度暴露事件进行描述。

figure1图1. 有关暴露科学与人类及生态系统有关的核心成分的概念性框架。经美国国家科学院同意复制自NRC (2012),美国国家科学院出版社提供。

该定义与巴尔(Barr)(2006)的定义并无明显不同,巴尔的定义已被人体暴露科学领域所接受:人体暴露科学是研究人与其环境中化学、物理或生物因子的接触,增进对引起或预防不良健康结局事件的机制与动力学的了解。

巴尔的定义强调接触的动力学与机制,而不仅是测定。此外,该定义可以很容易修订为包含生态暴露的内容。根据该定义的内容,委员会将其分析仅限于与化学、物理和生物应激物的接触,而未专门针对生活方式、社会环境与行为,除非它们影响到以上应激物与人或生态系统的接触方式(图1)。然而,委员会指出,生活方式、社会环境和行为本身就可视为应激物,其相互之间的关系是活跃的研究领域。我们认为,今后评估暴露科学在流行病学、风险评估、风险管理和法规中应用时,应考虑到暴露科学的以上各方面。

从应激源到暴露到剂量
暴露科学背后的基本概念是,处于危险中的生物体与环境的接触点(应激物通过该接触点起作用)是理解和控制应激物对人类和生态系统健康影响的最佳位点。暴露科学直接将有可能控制的应激源与受关注生物体的内部环境联系起来。图1说明了这点。暴露科学包含该领域的核心要素,并提供识别与连接应激源、环境强度、时间活性与行为,应激物与受体,以及接触结局的概念框架。该框架修改自经典应激源-剂量连续体理论,表明从应激源到效应之间有线性关系(例如,Lioy 1990; Smith 1988a)。

修订后的框架有几处重要修改:

  • 反馈回路表明个体或群体所经历的结局有可能会传播给他人。因而,暴露科学研究导致应激物初始暴露以及应激物从受影响群体到另一群体或个体蔓延的因素。有几个例子可说明这点,如引起腹泻的病原体,从受感染的人传回周围环境中,导致其他人的接触和疾病暴发;恐怖袭击受害者肺部释放出的沙林毒气,造成急诊室医护工作者的暴露。
  • 反馈回路包括人或生态系统的健康结局如何改变个人和亚群的活动与行为,而活动与行为的改变又会反过来影响其以后的暴露。因而健康影响可改变暴露,反之亦然。例如,患哮喘的人可能会改变他们的行为与活动,行为与活动的改变又会影响他们的暴露。
  • 时间-活动从主体分离并自成一类,突出了其在暴露科学中的重要性。
  • 暴露的“上游”因素的明确纳入清楚地表明,它们是该领域不可或缺的部分,例如,在分析能源、土地利用或运输政策对暴露的意义时。
  • 该框架明确承认内标记测量在暴露科学中的作用。

即便以上五项修改的每项都具附加值,应激物与人类和其它物种受体间的接触点依然是核心概念,也是有效应用暴露科学的科学原理的目标。图1显示的最新框架,如果得到有效利用,可为该学科扩大到解决更广泛重要公共和环境卫生问题提供机会。


figure2图2. 暴露科学应激源到结局连续体的双向视图。暴露科学可应用于任何级别的生物学组织。经美国国家科学院同意复制自NRC (2012),美国国家科学院出版社提供。

NRC报告讨论的一个重要概念是内暴露。如Cohen Hubal 等(2010)前面所述,新技术可确保暴露科学包含恰当的内标记和外标记。我们相信这将增进该领域与风险评估相关的环境卫生科学其它领域(例如,毒理学、流行病学)的联系。报告指出,过去15年一直“极为注重利用暴露的内标记,帮助确定暴露-反应关系。”委员会确认体内化学物及代谢产物测量,DNA氧化修饰以及与药代动力学相结合的代谢组学是暴露内标记的基本例子。正如委员会所指出的,为得到选择高通量毒性测试应激物与化学物的相关浓度信息,也需要联系到暴露内(以及外)标记的结果。

图2说明了应激源、结局以及暴露动力学之间的关系。它显示外暴露与传递到靶位点的剂量之间的内暴露。它反映了一个人对内暴露测量或估计的担忧如何成了另一个人的内剂量的指标(Lioy 1990)。更重要的是,暴露科学扩大到包含暴露内标记,可为环境卫生科学中不同学科的科学家之间的对话提供机会。这种交流将使科学家在向患病人群提供治疗、同时使用“智能”科技减少或减轻世界各地暴露的快速反应性得到提高。同样值得指出的是,图2指出从应激源到结局的分析是个双向过程。表现为毒物暴露可以导致结局,而暴露结局的信息又可应用于确定通过控制或替代进行干预和预防疾病的措施,报告中也指出了上述观点。这将有利于制定更好的商业和工业毒物的相关政策。

生态暴露组
委员会引入了一个新概念──“生态暴露组”,以概括21世纪推进暴露科学的愿景。生态环境暴露的定义为“暴露科学从应激物与受体间接触点向内到生物体和向外到包括生态圈在内整体环境的延伸”(NRC 2012),因而同时包含暴露内标记与外标记的应用。这一定义解决了早期的因原先环境暴露概念主要促进内部(即暴露内标记)测定的定义混乱(Wild 2005, 2012)。Lioy与Rappaport(2011)讨论了将人体暴露的内标记和外标记作为环境暴露一部分联系起来的必要性;Wild也讨论过这一概念(2012)。生态暴露体的概念还捕捉从生物体(即人类或其它物种)向外到单一或多污染源的重要联系,这在有效控制决策中至关重要。正如报告(NRC 2012)自始至终所指出的,生态暴露体的叙述将改进“为进行保护人类和生态系统健康明智决策所需暴露信息” 的采集。然而,我们期待着关于这个问题作深入讨论,因为它与暴露组一样,提出的是一个提议性的概念。

报告(NRC 2012)讨论许多新的测定与检测工具以及数学建模系统,并指出生态环境暴露体为鼓励创新工具的持续开发,以解决许多公共和环境卫生领域所面临的一系列科学问题开辟了新途径。

实现暴露科学愿景
委员会(NRC 2012)确定了为实现暴露科学从应激物与受体间接触点向内至生物体和向外至总体环境,包括生态圈延伸的愿景,需要的4个主要活动与研究点:

应对新的环境健康威胁和自然及人为灾害时快速评估并减轻暴露程度。例如,这需要发展快速测量单个和多个应激物对不同地理、时间、生物范围影响的技术。包括开发更便于携带的生物和环境监测仪器与新技术,以便能更​​快地识别影响人类或生态系统的化学、生物与物理应激物。

预测和预见与当前及今后新威胁有关的人类和生态暴露。模型或模拟系统的开发将使我们能对以往从未考虑过的暴露进行预测并了解其特征。例如,预测工具将使开发目前广泛应用的数以千计化学物的暴露信息成为可能,并能对这些化学物的现有与新应用的安全性进行知情评估。此外,为了对生态系统或人类健康构成威胁的相关风险进行识别与量化,需要战略性地利用诸如化学物结构特性、非针对性环境监测、生物监测以及建模工具等各种信息。

对各种问题制定量身定做的解决方案。诚如《科学与决策:推进风险评估》(Science and Decisions: Advancing Risk Assessment)(NRC 2009)所述,风险评估的第一步应根据所需决策,界定评估范围。适应性暴露评估可通过对需解决的问题进行具体问题具体分析,以帮助该方法的应用。这种评估可以采取多种形式,包括针对性很强的研究,利于累积风险评估的评价多种应激物暴露的评估法,或以弱势群体或易感人群为重点的评估法。

让与暴露科学信息开发、评审和使用有关的相关人员共同参与,包括监管和卫生机构以及可能受过多暴露影响的群体,即通过问题形成原因、监测与数据采集、数据访问,以及决策工具开发的方式吸引更广泛的受众。最终,科学研究的成果将使个人、社区和机构能够预防和减少暴露,并解决环境差距。

figure3

愿景的以上重要内容为填充图1相关信息盒与信息流提供了坚实基础,表明为了最终减轻或预防今后风险,有必要在完成研究和其它科学活动时,向各利益相关方提供数据访问。最后,它得出结论,重点是需要为快速评估和减轻群体与职业性多重污染物或单一污染物暴露做好准备,包括恐怖主义袭击或军事行动在内的灾难。

尽管该报告未谈及可利用的测量方法,但它支持在风险和环境影响评估中逐渐摆脱对默认“暴露因素”的依赖和提高实测重要变量的预期,然后利用这些测量数据模拟暴露的具体情况。报告继续支持用于流行病学和风险评估研究的“暴露金字塔”概念,应用这一概念,即便诸如暴露家庭百分比这种简单指标,有时也会成为有用的成本效益暴露指标。与此同时,研究人员在转向更昂贵和介入性测量平台,如个人监测与生物监测时,应考虑减少暴露误分类与提高干预和预防策略的权衡问题(NRC 1991)。

为实现该愿景,应该设计和开发包括智能科学方法在内的各种方案,以提供可用于解决当前和意外问题(例如,自然灾害和恐怖袭击事件)的信息与分析。此外,数据采集必须与汇集和解释数据的重要因素相结合(Lioy 2010)。

信息学是对从内部(生物监测)和外部(个人和微环境监测)采集到的结果数据进行汇集的一项重要工具,例如,前者可通过高通量仪器分析获得,后者可通过连续或智能手机技术获得。然而,利用和解释这些数据的能力尚处于起步阶段。为解决这一问题,委员会(NRC 2012)强烈认为该愿景的实现将“取决于发展与培养具有多领域经验的科学家、工程师和技术专家队伍,教育新一代的暴露科学家”。在美国,这将需要“增加学术研究博士前和博士后培训课程的数量”,并提供“短期培训与认证计划”,以满足即时所需。报告指出,在资金减少的年代,各机构必须为暴露科学的研究与教育发展跨机构协调并开发各方面资源。很显然,这些方案可以为全球,无论发达还是欠发达国家开发类似活动奠定基础。

figure4
报告(NRC 2012)提供了可通过暴露科学开展的研究需求的例子,总结于图3。在4类需求(社会、市场、健康和环境以及政策/法规)中,最广为人知的是健康和环境需求,但从全国以及国际视野(以及实现该愿景时“暴露金字塔”)来看,其它几类也至关重要。市场需求将包括消费品销售前以及销售与使用后的材料控制或替代。社会需求将包括个人与社区对减少单途径或多途径暴露,以及相应环境卫生风险的了解与参与的愿望。由于以上需求超越地缘政治界限,它们可以成为解决国内和全球问题的驱动力[例如,能源和燃料(Smith 1988b, 1993; Smith et al. 2012)]。

NRC报告对于扩展研究活动及该领域所需数据种类的建议的总体内容总结于图4,它说明了该报告详细描述的某些新工具(例如,第5章)如何放在提高新暴露数据采集与改进结局评估连系的模型开发框架内。图4中提到的工具类型是该报告进行纳入评估的例子;根据暴露途径和关注因子的不同,对方框相关工具的需求可发生变化(NRC 2012)。随着“跨机构机会”在美国的讨论和世界各地其它机构的认可,扩展图形版将有助于确定暴露科学对环境和生态卫生、应急响应、风险评估和风险管理的重要需求和途径。

结论
尽管在大体框架上包含有对生态与人类的影响,但NRC报告的重点关注与美国相关的问题。因而,它不会直接针对许多发展中国家的特殊暴露问题,在发展中国家,从家庭到社区到全球各层次上环境卫生都是最大的威胁(Lim et al. 2012; Smith and Ezzati 2005)。这很可能是今后报告的重点。

此外,报告(NRC 2012)并未涉及监管环境和职业条件下单途径或多途径接触暴露的历史以及其潜在应用。暴露科学的高级应用表明通过既高度公正而又智能化监管,以低于目前方法的支出,使更多的工人和民众得到保护的潜在机会。这点将是今后报告的一个极好主题。

由于着眼点以未来为主,该报告也未对目前和以往流行病学及风险研究取得的可观的进步进行探讨,有些暴露科学经典概念,如捕获暴露的所有途径、地点、次数与时间的“总暴露”的全面应用,保证了以上研究。举个例子,曾认为是低暴露水平下的无阈值(以及有时甚至超线性)效应的证据越来越多:检测到的暴露水平越低,多方式和多途径接触造成暴露误分类的可能性就越高。这也将是一个适时的评估主题。

最后,NRC报告提出的减少和/或预防未来化学、物理和生物应激物影响的愿景,既大胆也是可实现的。不过要完成开发和利用暴露的内部和外部分析,以及建设个人和大群体相关暴露数据库所必需的调查,需要各种资源。只有那样,应激源-效应建模系统才能模拟化学、物理和生物应激物接触的动力学和机制。其结果可用于减少单途径或多途径接触引起的应激物暴露。同时,新一代的暴露科学家需接受实现该愿景的培训,认可生态暴露的概念并对之进行定量阐述。这种方法可以用于分析和解决世界各地的人与环境卫生的问题。

 

译自 EHP 121(4):405-409 (2013)
翻译: 王仁礼 审校: 李卫华

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原文链接
http://dx.doi.org/10.1289/ehp.1206170