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调查手记：远离空气污染的儿童

编译  熊德旺

审校  李廷玉

和其他科学家采用的研究方法不同，分子流行病学家研究的主要对象，是毒性暴露和疾病紧密相关的生物标志（biomarker），并运用分子生物学的工具来确认致病基因与环境因素。

生物标志通常有几种形式：结合于DNA的物质、基因结构的变化、与某些污染物或疾病类型一致的活化物。DNA芯片技术及其他筛选手段的进步，使测量大量生物标志变得更加容易。从理论上说，运用这些最新技术，就能确定特定的污染成分，最终达到治病救人的目的。

有关这门科学的争议仍在继续，因为不管是与易感性、接触污染程度，还是与早期疾病相关的分子标志物，都还不能作为预测疾病的证据。在致病原理方面，其他一些因素——如饮食及先天的遗传基因，也相当关键，我们很难将这些因素与污染的影响区分开。对科学家而言，弄清楚这些不同的危险因素如何相互作用、进而影响健康，则更为困难。

25年前，美国哥伦比亚大学儿童环境健康中心主任弗雷德里卡·佩雷拉（Frederica Perera）发表了有关分子流行病学的第一篇论文。但这个学科的发展较预想慢了许多。大多数人认为，尽管它的理论令人激动不已，但现实世界的复杂性限制了分子生物流行病学的应用。

最初，科学家对某些特殊生物标志（如肿瘤抑制蛋白p53）作为可信的疾病早期标志物这一想法充满希望，但进一步了解肿瘤产生过程，学者们发现，很多肿瘤的内在病因非常复杂，p53不再是疾病早期可靠的生物标志。佩雷拉说：“早期我们接受这些东西时过于热心，结论也下得太早。其实，在早期借助这些生物学标志发现并治疗疾病，显然没有那么容易。”

发现铜梁

佩雷拉从1979年开始研究生物标志，她最关注的是PAH-DNA加合物。她和哥伦比亚大学唐德良教授、重庆医科大学李廷玉教授正在对重庆市铜梁县，部分孕妇和新生儿脐带血的白细胞进行检测，希望能够了解火电站排放物在孕期对儿童今后健康的影响。

PAH（Polycyclic Aromatic Hydrocarbons）又称多环芳烃，是一个由有机物不完全燃烧产生的复合物大家族。煤的燃烧最容易产生PAH，木炭燃料和抽烟，也能产生PAH。这是世界上最普遍、最有害的空气污染源之一。最让佩雷拉感兴趣的是PAH-DNA加合物的复杂分子结构：很多PAH易与DNA通过共价键紧密结合，形成加合物。这些加合物能在细胞分裂时扰乱基因复制，改变其功能，进而导致疾病或抑制疾病。

上个世纪末，佩雷拉开始寻找一个模型城市，来探索PAH-DNA加合物在探测疾病风险的作用。她在早期研究（也是第一次对人进行此类研究）中，对成年肺癌患者肺组织中的加合物进行了测试。对生活在纽约环境污染区域和波兰工业城市克拉科夫的母亲和儿童，她也分别测试了肺里的加合物。

佩雷拉发现，生活在空气污染环境里的人们，血液里的加合物含量较高——这与人体的基因多态性有关联，这是诱发癌症和导致儿童发育个体差异的重要因素之一；相反，生活的城市空气比较干净，儿童血液里的加合物含量就比较少，出现发育缺陷的可能性也较小。不过，生活方式的差别也有可能导致不同地区人的健康状况和血液加合物含量出现差异，佩雷拉的研究范围还很小，且没有测量生活方式上的差别，还不能排除这种可能性。现在，佩雷拉想找到这样一个城市：它的PAH排放量突然降低，使她可能研究比较单一群体在PAH降低前后的变化。

2001年，佩雷拉和唐德良考察了12个地方后，最终选定了中国铜梁。县城边上原有一座火电站，枯水期水电站供电不足时，由它来补充发电。经过40多年的运作，电站设备变得陈旧低效，排污水平也超出了中国国家标准，重庆市政府决定于2003年关停该电站。

铜梁能成为合适的研究基地，不仅因为它的火电站关闭，还因为它除了机车废气，几乎没有其他的大气污染源：早在1995年，铜梁就已完成了煤改气的工作，铜梁居民和小商业均以天然气取代煤作为燃料；铜梁县城也没有主要的燃煤耗能工业。2002年，研究者招募了150名在火电站运作期间怀孕的、不吸烟的妇女以及她们的孩子，在电站关闭后，又招募了另外150名母亲和新生儿，他们对这两组人群进行相关测试。

哥伦比亚大学研究小组安装在铜梁的空气监测器证实了空气质量的提高：2005年，空气中一种最重要的PAH——苯并芘（Benzo[a]pyrene）的含量比2002年降低了30%，其他一些PAH的含量下降更多，可以通过实验来检测电站关闭前后空气污染对健康的影响。

生物学测量

最让佩雷拉感兴趣的变化，发生在这座城市里年龄最小的居民身上。从2002年开始，她和唐德良、李廷玉教授一起，研究了450名居住在火电站方圆2千米以内的儿童。

哥伦比亚大学分子流行病实验室检测的数据发现，空气质量改善后，新生儿脐带血白细胞的PAH-DNA加合物含量有所下降。研究团队还比对了2002年与2005年两组新生儿的出生指标，包括体重、身长和头围等，进行分析评价。

儿童体内苯并芘-DNA加合物浓度与体格及神经发育水平密切相关。换言之，儿童的DNA在妊娠期受损伤越少，出生时头围较小的可能性就越小，在婴幼儿时期运动技能及总的神经发育程度低的几率也越小。研究者应用多因素统计的方法来进行分析，结果显示：两组新生儿之间，18个月大小时，头围无显著差异；24个月时，2005年组新生儿的平均头围显著大于2002年组的平均值。体重方面，两组新生儿出生时并无显著差异，但在18个月和24个月时，2005年组明显重于2002年组。苯并芘-加合物浓度与体格及神经发育水平的相关性在2002年的儿童中有所体现，而在2005年出生的儿童中并不明显，显示空气污染的危险性因电站关闭而降低。   

在追踪随访中，对2002年组和2005年组儿童，分别在2岁时进行了格塞尔婴幼儿发展量表（Gesell Developmental Schedules）测验，从运动技巧（motor skills）、社交技巧（social skills）、综合发育水平（overall development）等多个指标对他们的神经系统发育进行评价，据哥伦比亚大学儿童中心测定的DNA加合物分析，相对2002年组，2005年组的成绩较高。

佩雷拉指出，铜梁的调查数据和她早期在波兰和纽约的研究结果都表明：白细胞中的加合物含量多少，可以作为评估PAH对神经系统发育影响的生物暴露剂量指示计。她认为，DNA加合物检测将成为儿科医生的有力武器，来确定儿童是否会出现发育问题，以及是否需要早期治疗。

错综复杂的问题

研究者正在调查儿童生长发育缺陷是否与妊娠期受到PAH污染有关，这种联系是细微的，原因也是多方面的。研究人员采取了一系列措施，尽可能排除其他因素的干扰，包括只征集不吸烟的孕妇，了解她们的受教育程度、家庭吸烟史、是否通过烤肉和其他食物接触到PAH，以及其他一些可能因素。研究者们还测试了血液中有毒金属和抗氧化剂的含量，这些物质也可能影响儿童生长发育。

这些微小的健康指标一直是生物标志研究的一个争执点。上个世纪70年代和80年代，美国匹兹堡大学的赫伯特·内德勒曼（Herbert Needleman）就在不同人群中开展了铅含量的研究。他从磨碎的儿童牙齿中测定金属含量，从而发现铅含量和学习能力下降及少年犯罪行为的关联。但由于他测得的铅含量很低，加上神经问题的表现并不明显，使他受到铅工业者的严厉批评。然而，内德勒曼的发现被不断证实，并被普遍接受，现在，包括中国在内的很多国家，都明令禁止使用含铅汽油。同样，要求禁止二手烟的行动也引用了有关血液和尿样中可丁尼（cotinine，尼古丁最重要的一种分解产物）的研究。在研究环境烟害和儿童发育的关联时，孕妇和新生儿体内的可丁尼含量，已普遍认为是一项重要指标。

通过测量分子生物标志来寻找健康影响因素，就更为复杂了。早期对加合物研究（包括佩雷拉的一些研究）已清楚地表明，白细胞会将加合物带到大脑和肺等器官中，但污染物却几乎从来也不会均匀地分布在人体内；而且，尽管人们呼吸同样的空气、饮用同样的水，但每个人新陈代谢能力的不同，也会导致个人数据出现巨大差异。

相对于血液中铅含量或可丁尼含量，加合物含量在研究中更加有用：不但能表明体内存在着污染物，还能表明身体的变化（这里指的是DNA分子变异）。当然，现在科学界对加合物如何影响儿童生长发育这一问题，并没有明确的结论。在佩雷拉早期涉及加合物的癌症研究中，这一影响作用更明显一些，因为加合物有能力在细胞分裂时中断精确的基因复制，诱发基因突变和基因变异，产生恶性细胞。但对于儿童的发育缺陷，这些理论显得有些乏力。

关于PAH如何影响大脑，这涉及神经修剪（neural pruning），即受控神经死亡。这是大脑发育中一个自然过程，它要根据所在环境作相应调整，并通过丢弃不需要的突触，变得更有效。PAH的存在，可能会改变大脑的功能：在胚胎时期及儿童的生长初期，将上述“神经死亡”的过程延长至根本的突触。另一个有名的理论是，PAH占据了胎盘中分子受体的位置，从而抑制了胎儿吸收营养和氧气的能力。污染物可能会触发胎儿和新生儿体内的新陈代谢变异酶（metabolism-altering enzymes）的释放，还可能改变生长调节激素的水平。科学家们认为最有可能的是，上述所有机理在高度空气污染区域儿童的大脑中都存在。

“在过去10年中，我们学到的知识是，在众多的疾病中，有众多的病变途径，”格罗普曼说。他正在研究黄曲霉素和乙型肝炎病毒的相互作用。“黄曲霉素是一些发展中国家、尤其是非洲国家普遍存在的食物污染物，而肝癌则是这些地区一种没有复杂病原的常见病症。”格罗普曼补充道，“而PAH和儿童发育问题更加复杂。”

下一步

佩雷拉和格罗普曼决定进一步扩大研究规模，使研究更深入。更大规模的研究会有更强的统计学意义，或许会包括数千儿童，这样可能会发现PAH接触和特殊发育问题间更强有力的关联。更加深入的研究，将从神经化学入手，研究人员希望能找到更新的生物标志，从而能更精确地测量大脑变化引起的生长和学习方面的变化。

这项研究正把他们带入表观遗传学（epigenetics）领域。表观遗传学研究的是，在不改变DNA密码序列的情况下，可遗传的受环境影响的变化导致基因功能改变，而PAH加合物会改变DNA密码序列。佩雷拉表示，有证据显示PAH能导致基因活动中的表观遗传变化，如果仅仅通过寻找基因密码的破解或中断，这样的表观遗传变化不可能被发现。

由于加合物不是这些表观遗传变化的代理，佩雷拉和别的分子流行病学专家正开始转向其他的生物指标，例如DNA甲基化，即把甲基加到基因物质上。甲基化通常能使基因失去表达的功能。一些证据显示，甲基化随着PAH的接触量而增加，而PAH可以阻止基因转变成能抑制包括癌症在内的疾病的某些蛋白质。

如果表观遗传学的信息在改变儿童的成长与学习能力中的确重要，那么相对于PAH加合物计数，甲基计数是否会成为测量污染对大脑的影响的更好量度呢？佩雷拉和唐德良计划对铜梁项目的全部血样进行DNA甲基化程度分析，并有可能对血样进行其他表观遗传学生物标志的分析。

佩雷拉说，她在29年中积累了大量关于空气污染对健康影响的数据，这些数据来自于全世界各个地区，芬兰、波兰、中国、以及哥伦比亚大学所在地——曼哈顿上区。尽管分子流行病学存在复杂性和不确定性，这些数据所传达的信息依然非常清楚。她解释，由于PAH是一种普遍存在的污染物，即使在低浓度时也能影响儿童，这些信息在污染相对严重的发展中国家都具有实际意义。