В аналитической химии биомониторинг — это измерение содержания в организме токсичных химических соединений , элементов или их метаболитов в биологических веществах. [1] [2] Часто эти измерения проводятся в крови и моче. [3] Биомониторинг применяется как в области охраны окружающей среды , так и в области охраны труда и техники безопасности в качестве средства оценки воздействия и надзора за здоровьем на рабочем месте .
Две наиболее хорошо зарекомендовавшие себя программы экологического биомониторинга на репрезентативных выборках населения в целом — это программы США и Германии, хотя программы на основе населения существуют и в нескольких других странах. [4] В 2001 году Центры США по контролю и профилактике заболеваний (CDC) начали публиковать свой двухгодичный Национальный отчет о воздействии на человека химических веществ в окружающей среде , в котором сообщается о статистически репрезентативной выборке населения США. [5]
Биомониторинг подразумевает использование организмов для оценки загрязнения окружающей среды , например, окружающего воздуха или воды. Это можно сделать качественно , наблюдая и отмечая изменения в организмах, или количественно, измеряя накопление химических веществ в тканях организмов. Наблюдая или измеряя воздействие окружающей среды на ее резидентные организмы, можно заподозрить или сделать вывод о загрязнении . [6]
Исторически правила общественного здравоохранения основывались на теоретических расчетах риска в соответствии с известными уровнями химических веществ в воздухе, воде, почве, продуктах питания, других потребительских товарах и других источниках потенциального воздействия. [ необходима ссылка ] Биомониторинг человека дает возможность проанализировать фактические внутренние уровни веществ в организме из всех потенциальных путей воздействия одновременно, что может способствовать улучшению оценки риска. [7] [ необходима лучшая ссылка ]
Научные достижения позволили обнаружить большее количество химических веществ в меньших концентрациях в организме, причем некоторые химические вещества можно обнаружить на уровне всего лишь частей на триллион. [8] [ необходим лучший источник ] Единичное измерение биомониторинга представляет собой лишь один моментальный снимок во времени и может неточно отражать уровень воздействия в течение более длительных периодов. [9]
Присутствие химического вещества из окружающей среды в организме не обязательно указывает на вред. [10] Аналитическая химия обнаружения химических веществ развивалась быстрее, чем способность интерпретировать потенциальные последствия для здоровья. [11] Риски для здоровья обычно устанавливаются на основе исследований токсичности на лабораторных животных и эпидемиологических данных у людей. Свинец является хорошо изученным химическим веществом с уровнем действия CDC, вызывающим беспокойство, в настоящее время составляющим 10 мкг/дл или 100 частей на миллиард в крови; однако нейроповеденческие нарушения были отмечены ниже этого уровня. [12] Поскольку этот подход требует установления причины и следствия в эпидемиологических исследованиях и полного понимания реакции человека на дозу, данные, подтверждающие эти типы уровней действия, существуют только для нескольких химических веществ из окружающей среды. Концепция эквивалентов биомониторинга (BE) была разработана в качестве альтернативного подхода для помощи в интерпретации и сообщении результатов биомониторинга в контексте потенциальных рисков для здоровья. [13]
Существуют различные типы биомаркеров , которые указывают на воздействие, эффект или восприимчивость. [14]
Химические вещества и их метаболиты могут быть обнаружены в различных биологических субстанциях, таких как кровь, моча, выдыхаемый воздух, волосы, ногти, кал, сперма, грудное молоко или слюна. [15] [14] Кровь и моча являются наиболее часто используемыми в области охраны труда и техники безопасности . [14]
Грудное молоко является предпочтительной матрицей (веществом) для измерения липофильных (жиролюбивых) стойких, биоаккумулятивных и токсичных (PBT) соединений во время лактации ; этот путь воздействия является доминирующим для детей, находящихся на грудном вскармливании. [16] Липофильное соединение также может быть обнаружено в крови , в то время как гидрофильное (водолюбивое) соединение может быть обнаружено в моче . [17]
Аналитические методы, используемые CDC, включают масс-спектрометрию с изотопным разбавлением , масс-спектрометрию с индуктивно связанной плазмой или атомно-абсорбционную спектрометрию с графитовой печью . [17] Другие включают газовую хроматографию или высокоэффективную жидкостную хроматографию в сочетании с различными детекторами, такими как ультрафиолетовые , захват электронов , пламенно-ионизационные , атомно-эмиссионные или масс-спектрометрические детекторы. Также используются анализы связывания лигандов и иммуноанализы . [14]
Поскольку биомониторинг обязательно подразумевает работу с людьми и образцами, необходимы процедуры биологической безопасности для предотвращения передачи патогенов. [14]
Ученые, проводящие биомониторинговые испытания, способны обнаруживать и измерять концентрации природных и искусственных химикатов в образцах крови и мочи человека на уровнях от частей на миллиард до частей на квадриллион. В отчете Национального исследовательского совета США за 2006 год было установлено, что, хотя ученые способны обнаруживать химикаты на этих уровнях, методы интерпретации и сообщения о том, что их присутствие означает в отношении потенциальных рисков для здоровья человека или населения, по-прежнему отсутствуют. [18] В отчете рекомендуется провести научные исследования для улучшения интерпретации и сообщения результатов биомониторинга путем использования существующих оценок риска конкретных химикатов. [18]
Чтобы разрешить эту ситуацию, несколько групп признали, что ориентировочные значения воздействия, такие как референтная доза и допустимая суточная доза , при наличии достаточных данных могут быть переведены в соответствующие оценки концентраций биомаркеров для использования при интерпретации данных биомониторинга. [19] [20] В 2007 году ученые из Summit Toxicology опубликовали первоначальную методологию для систематического перевода ориентировочных значений воздействия в соответствующие скрининговые значения для данных биомониторинга, получившую название «Эквиваленты биомониторинга». [20] Впоследствии группа экспертов из правительства, промышленности и академических кругов собралась для разработки подробных руководств по получению и распространению этих эквивалентов биомониторинга. [21]
Эквиваленты биомониторинга могут использоваться для оценки данных биомониторинга в контексте оценки риска. Сравнение данных биомониторинга для химического вещества с его эквивалентом биомониторинга дает возможность оценить, находится ли воздействие химических веществ на население в пределах или выше уровней, которые регулирующие органы считают безопасными. [22] Эквиваленты биомониторинга могут, таким образом, помочь ученым и менеджерам по рискам в определении приоритетов химических веществ для последующих действий или управления рисками. [20]
С 2007 года ученые вывели и опубликовали эквиваленты биомониторинга для более чем 110 химических веществ, включая кадмий , бензол , хлороформ , мышьяк , толуол , метиленхлорид , триклозан , диоксины , летучие органические соединения и другие. [23] [24] Несколько из них были разработаны в результате сотрудничества ученых из Агентства по охране окружающей среды США , CDC и Министерства здравоохранения Канады . [21] Исследователи из Немецкой комиссии по биомониторингу человека [25] также предложили концепцию для получения значений скрининга, аналогичных эквивалентам биомониторинга. [24]
В отчете Национального исследовательского совета за 2006 год подчеркивается, что точная передача результатов имеет важное значение для надлежащего использования биомониторинговых обследований, но в то же время отмечается, что «не существует общепринятого стандарта для хорошей биомониторинговой коммуникации». [11] В 2007 году Школа общественного здравоохранения Бостонского университета организовала группу по этой теме. [26]
Группа экспертов по эквивалентам биомониторинга опубликовала руководящие принципы по предоставлению информации широкой общественности и поставщикам медицинских услуг. [27]
Чарльз Маккей из Центра по контролю за отравлениями в Коннектикуте дает интервью в видеоролике под названием «Взгляд врача на биомониторинг», который направлен на то, чтобы помочь широкой общественности лучше понять биомониторинг. [28] [29]
В 2006 году Национальный исследовательский совет США опубликовал отчет « Биомониторинг человека для определения воздействия химических веществ в окружающей среде ». В отчете признавалась ценность биомониторинга для лучшего понимания воздействия химических веществ в окружающей среде, а также содержалось несколько выводов и рекомендаций по повышению полезности данных биомониторинга для оценки риска для здоровья . [18] Подводя итог, в отчете содержался призыв к более строгим критериям, основанным на состоянии здоровья, для выбора химических веществ для включения в исследования биомониторинга; разработке инструментов и методов для улучшения интерпретации и передачи данных биомониторинга на основе риска; интеграции биомониторинга в оценку воздействия и эпидемиологические исследования; и изучению биоэтических вопросов, связанных с биомониторингом, включая информированное согласие, конфиденциальность результатов и другие. [30]
Проблема воздействия химических веществ в окружающей среде привлекла внимание в результате телевизионных репортажей Билла Мойерса для PBS и Андерсона Купера для серии « Планета в опасности » на CNN . [31] Книга « Наше украденное будущее » с предисловием бывшего вице-президента Эла Гора также повысила осведомленность, сосредоточившись на эндокринных нарушениях .
Исследования воздействия химических веществ на человека обычно не объединяют количество химических соединений, обнаруженных на человека, и концентрацию каждого соединения. Это оставляет непроверенными соответствующие ситуации воздействия; например, имеют ли люди с низкими концентрациями некоторых соединений высокие концентрации других соединений. Анализы концентраций данного соединения обычно показывают, что у большинства граждан концентрации намного ниже, чем у определенного меньшинства. Исследование, основанное на репрезентативной выборке населения Каталонии (Испания) [32] , которое объединило количество соединений, обнаруженных на человека, и концентрацию каждого соединения, показало, что более половины населения имели концентрации в верхнем квартиле 1 или более из 19 проанализированных стойких токсичных веществ (СТВ) (пестицидов, ПХБ). Значительные подгруппы населения накапливали смеси СТВ в высоких концентрациях. Например, 48% женщин в возрасте 60–74 лет имели концентрации 6 или более СТВ в верхнем квартиле; У половины всего населения уровни от 1 до 5 PTS превышали 500 нг/г, а менее 4% граждан имели все PTS в самом нижнем квартиле. Таким образом, концентрации PTS кажутся низкими у большей части населения только тогда, когда каждое индивидуальное соединение рассматривается отдельно. Неверно утверждать, что у большей части населения низкие концентрации PTS. Оценка эффектов смеси должна учитывать тот факт, что большинство людей загрязнены смесями PTS, состоящими из соединений как в низких, так и в высоких концентрациях.
Отделение лабораторных наук CDC в Национальном центре охраны окружающей среды разработало Национальную программу биомониторинга и публикует двухгодичный Национальный отчет о воздействии химических веществ на человека с 2001 года. Поскольку выбор химических веществ является спорным, CDC определил влиятельные критерии: доказательства воздействия на население США, наличие и значимость последствий для здоровья после определенного уровня воздействия, желание отслеживать инициативы общественного здравоохранения по снижению воздействия определенного агента, существующий метод точного измерения биологически значимых концентраций химического вещества, достаточное количество образцов тканей, в частности, образцов крови и/или мочи, а также экономическая эффективность. [34]
CDC установил три критерия для исключения химических веществ из будущих исследований: новое заменяющее химическое вещество (например, метаболит или другое химическое вещество) более репрезентативно с точки зрения воздействия, чем химическое вещество, измеряемое в настоящее время, или если после трех периодов исследования показатели обнаружения всех химических веществ в группе, связанной с методом, составляют менее 5 процентов для всех подгрупп населения (например, два пола, три группы расы/этнической принадлежности и возрастные группы, использованные в Национальном отчете), или если после трех периодов исследования уровни химических веществ в группе, связанной с методом, остаются неизменными или снижаются во всех демографических подгруппах, задокументированных в Национальном отчете. [35]
Немецкое экологическое обследование (GerES) проводится с 1985 года [3] [41] , а в 1992 году была создана Комиссия по биомониторингу человека Федерального агентства по охране окружающей среды Германии [25] .
Статистическое управление Канады проводит Канадское обследование мер здравоохранения, которое включает биомониторинг химических веществ в окружающей среде. [42] Министерство здравоохранения Канады проводит программу под названием «Исследование химических веществ в окружающей среде между матерью и ребенком», которая фокусируется на 2000 беременных женщин и их младенцах. [43]
В области охраны труда и здоровья биомониторинг может проводиться в целях соблюдения нормативных требований, наблюдения за состоянием здоровья на рабочем месте и проведения исследований, подтверждения эффективности мер контроля опасности или в качестве компонента оценки профессионального риска . Его также можно использовать для реконструкции воздействия после острых или случайных событий и для оценки эффективности средств индивидуальной защиты . Он полезен для дермального воздействия, для которого методы отбора проб часто недоступны, и для поиска неожиданных воздействий или маршрутов. [14] [44] [45] [46] Существуют также биомаркеры не только для химических опасностей , но и для других типов, таких как шум и стресс . [14] Охрана труда отличается от охраны окружающей среды тем, что в первом случае меньшее количество людей подвергается воздействию, но с более широким диапазоном уровней воздействия. [47]
Биомониторинг дополняет мониторинг воздействия , поскольку он измеряет внутреннюю дозу токсичного вещества внутри организма, а не его концентрацию вне организма, с тем преимуществом, что он подтверждает, произошло ли не только воздействие, но и поглощение. [14] [44] Он также учитывает различия в метаболизме, физических нагрузках и смесях токсичных веществ между людьми, которые влияют на внутреннюю дозу. Это можно делать индивидуально или коллективно. [44]
Основное применение данных профессиональной токсикологии заключается в определении того, какие биомаркеры (включая как токсикант, так и его метаболиты ) могут использоваться для биомониторинга и установления индексов биологического воздействия. Они используются во время оценки воздействия и надзора за здоровьем на рабочем месте для выявления чрезмерного воздействия и проверки обоснованности пределов профессионального воздействия . Эти биомаркеры предназначены для помощи в профилактике путем выявления ранних неблагоприятных последствий, в отличие от диагностики для клинической медицины, которая предназначена для выявления запущенных патологических состояний. [48] [49]
В Соединенных Штатах Управление по охране труда и технике безопасности по состоянию на 2017 год имеет три положения, которые требуют биомониторинга: после воздействия бензола при незапланированном выбросе и для сотрудников, подвергшихся воздействию кадмия или свинца на определенном уровне или выше в течение определенного периода времени. [14] В Европейском союзе биологические предельные значения основаны на состоянии здоровья, в то время как биологические ориентировочные значения выводятся статистически и указывают на фоновое воздействие на население в целом. По состоянию на 2020 год свинец является единственным веществом, которое имеет обязательное биологическое предельное значение в ЕС. [44] Добровольные списки пределов биологического воздействия или уровней действия ведутся Американской конференцией государственных промышленных гигиенистов , Немецким исследовательским фондом , Исполнительным комитетом по охране труда и технике безопасности Великобритании , Французским ANSES и Швейцарским фондом страхования от несчастных случаев . Биомониторинг в исследовательских целях проводится Национальным институтом охраны труда США в рамках его программы эпидемиологии и надзора за свинцом в крови взрослых , а также других исследований в области охраны труда. [14]