超越吸入：空气作为暴露组学研究的整合性基质

《Environmental Science & Technology》：Beyond Inhalation: Air as an Integrative Matrix for Exposome Research

　　

六十年来，发表于《环境科学与技术》（Environmental Science & Technology, ES&T）的研究揭示了环境的复杂性。暴露组（exposome）——即个体一生中所有环境影响的集合——于21年前被构想为一个整合性框架，用以理解这些环境因素如何共同塑造人类健康。使这一框架可操作化仍是一项突出的挑战，原因在于这些影响在时间和空间上持续变化，并进一步因个体独特的社会和行为背景而异。在个体层面全面捕捉这种变化所需的工具仍在发展中。 将暴露组概念转化为可执行的干预措施，需要能够表征环境混合物及其来源的个性化测量。血液、尿液和头发等生物基质携带暴露的累积印记，但仅凭这些基质无法将生物学变化追溯至其来源。空气、水、食物和沉降灰尘等环境基质各自为外部影响提供了互补的观察窗口，基质的选择决定了暴露组的哪些特征可被检测。其中，空气特别适合暴露组学研究，它作为来自极其多样来源的化学物质的整合性储库。一些化学物质，包括许多挥发性有机化合物（volatile organic compounds, VOCs），通过燃烧、磨损或蒸发直接排放到空气中；而另一些，特别是半挥发性有机化合物（semi-volatile organic compounds, SVOCs），并非与含有它们的产品共价结合，而是持续迁移至周围空气中。空气中VOCs和SVOCs的广泛性使来源归因成为可能。任何单一化合物可能由多个来源共享，但它们共同构成足够独特的详细指纹，可三角定位其来源。在室内，这种模式可揭示来自居住者、消费品、个人护理产品、纺织品、家具、建筑材料、食品相关产品、烹饪和清洁剂的贡献。在室外，贡献延伸至交通源，包括尾气排放以及刹车、轮胎和道路磨损，以及建筑材料、工业活动、农药使用、娱乐表面和生物源。VOCs和SVOCs的辛醇-空气分配系数（octanol-air partition coefficient）决定了空气中浓度与源材料达到平衡的时间尺度，挥发性较高的化合物在数小时至数天内达到平衡，而挥发性较低的化合物则需要数周至数月。在源材料永久固定于某一空间或反复使用的情况下，这种延长的平衡意味着室内空气携带其来源的记忆，而非条件的瞬时快照。 气相色谱（gas chromatography, GC）和液相色谱（liquid chromatography, LC）高分辨质谱（high resolution mass spectrometry, HRMS）已被用于绘制空气的有机化学空间，解析出数万种化合物。这些化合物之间的模式指向特定来源。例如，环硅氧烷、合成麝香、紫外线过滤剂和邻苯二甲酸二乙酯共同提示化妆品添加剂，而丁基羟基甲苯、三醋精以及邻苯二甲酸二异丁酯和邻苯二甲酸二丁酯等邻苯二甲酸酯可反映加工食品和包装。单萜烯和倍半萜烯标志生物排放，有机磷酸酯阻燃剂则指示家具和电子产品。野火烟雾携带来自植被的左旋葡聚糖和甲氧基苯酚特征，而来自燃烧合成建筑材料的吡啶则指示建筑物结构也发生了燃烧。 任何个体在空气中的个人暴露谱反映了其穿越室内外微环境的独特序列。在个体层面捕捉这一谱图需要实用、负担最小且无需固定基础设施即可部署的采样策略。可穿戴被动采样器（wearable passive samplers）正是为满足这些约束而设计的。它们建立在五十多年前为职业暴露监测开发的基于扩散的固定装置之上，随后被改编用于环境监测。在过去十年中，带有硅酮吸附剂的可穿戴被动采样器已作为人群规模个人空气暴露评估的一项有前景的技术而出现。佩戴在手腕、手臂、胸部、鞋子和眼镜上，时长从数小时到一周不等，这些采样器随后返回实验室，通过GC-和LC-HRMS分析来表征收集的有机化学品。应用可穿戴被动采样器的摄取速率可确定吸入暴露浓度，但检测到的化合物往往是主要通过其他途径暴露的源示踪物。例如，空气中发现的化妆品成分指向涂抹在皮肤上的产品，而皮肤吸收通常超过吸入，因此个人空气谱揭示的暴露远超实际吸入的范围。除有机化学品外，其他被动采样器设计将覆盖范围扩展至颗粒结合组分，包括黑碳（black carbon）和金属，以及空气的生物组分，如病毒、细菌和真菌群落，将被动采样的覆盖范围扩展至暴露组的化学和生物学特征。纵向采样增加了时间维度，捕捉暴露谱随季节或生命历程的变化。由于使用可穿戴被动采样器评估的谱图是时间积分的，它们特别适合表征与慢性疾病风险相关的累积暴露。在多样化人群中使用并与HRMS分析相结合，这些工具已捕捉到暴露组测量中的个体间变异性，并支持了与跨越心血管代谢风险、呼吸功能、表观遗传衰老、生殖和围产期健康以及儿科神经发育的健康结局的发现驱动型关联。 可穿戴被动采样器解析的丰富化学信息可通过传感器技术进一步情境化，这些传感器捕捉暴露组的额外维度。与被动采样器不同，空气传感器使用原位电化学或光学检测连续测量目标污染物，包括细颗粒物、超细颗粒物、二氧化氮、臭氧、一氧化碳和二氧化碳。这些实时测量能够评估瞬时暴露事件，以及包括噪声、光照、温度和身体活动在内的物理应激源。GPS位置数据可将这些测量与特定微环境和活动模式联系起来。低成本空气传感器的日益普及及其测量精度的持续提高，拓宽了实时空气质量监测的可及性，对于表征仍缺乏良好建模的室内环境尤为有价值。 展望未来，分析和计算工作流程的持续进步，包括基于HRMS的可穿戴被动采样器非靶向分析，将扩展可表征的环境因素范围，并增强所检测分子特征的可解释性。将个人空气谱与地理空间模型和内部组学测量相结合，将使暴露组研究能够将环境驱动因素与其生理靶点联系起来，最终为更健康的未来提供有针对性的干预措施和循证政策。下一篇章是《ES&T》在未来六十年中完全有能力记录的内容。

论文解读

一、研究背景与问题

暴露组（exposome）概念于21年前被提出，旨在整合个体一生中所有环境暴露因素，作为理解环境因素如何共同塑造人类健康的框架。然而，该框架的可操作化始终面临重大挑战：环境暴露在时间和空间上持续变化，且因个体的社会和行为背景而异，在个体层面全面捕捉这种变化所需的工具仍在发展中。传统生物基质（如血液、尿液和头发）虽能反映暴露的累积效应，却无法将生物学变化追溯至具体来源；而环境基质中，空气因其特殊性成为暴露组研究的理想整合性基质——空气中汇集了来源极为广泛的化学物质，包括直接排放的挥发性有机化合物（VOCs）和从产品中持续迁移的半挥发性有机化合物（SVOCs），这些化合物的组合模式可形成足以追溯来源的化学指纹。

二、研究内容与核心结论

该论文系统阐述了以空气作为暴露组学整合性研究基质的理论框架与技术路径。研究人员指出，VOCs和SVOCs的辛醇-空气分配系数（octanol-air partition coefficient）决定了空气浓度与源材料平衡的时间尺度——挥发性较高的化合物在数小时至数天内达到平衡，而挥发性较低的化合物需数周至数月，这意味着室内空气携带的是其来源的"记忆"而非瞬时快照。通过气相色谱（GC）和液相色谱（LC）高分辨质谱（HRMS）技术，可在空气中解析数万种化合物，其组合模式可精确指向化妆品、食品包装、生物排放、家具电子、野火烟雾等具体来源。为在个体层面捕捉暴露谱，研究人员发展了可穿戴被动采样器（wearable passive samplers）技术，可佩戴于手腕、手臂、胸部、鞋子和眼镜等位置，时间从数小时至一周，结合HRMS分析可表征个人暴露的化学全谱。该技术已应用于多项人群研究，揭示了暴露测量的个体间差异，并建立了与心血管代谢风险、呼吸功能、表观遗传衰老、生殖健康及儿科神经发育等健康结局的关联。该论文发表于《Environmental Science & Technology》（ES&T）创刊60周年特刊。

三、主要技术方法

研究人员采用的关键技术方法包括：基于硅酮吸附剂的可穿戴被动采样器技术，用于个人空气暴露评估，可佩戴于手腕、手臂、胸部、鞋子和眼镜等不同部位；气相色谱-高分辨质谱（GC-HRMS）和液相色谱-高分辨质谱（LC-HRMS）联用技术，用于解析空气中数万种有机化合物并建立来源指纹；被动采样器的扩展设计，覆盖黑碳（black carbon）、金属及病毒、细菌和真菌群落等生物组分；低成本实时空气传感器技术，利用电化学或光学检测连续测量细颗粒物、超细颗粒物、二氧化氮、臭氧等目标污染物；GPS定位数据用于关联特定微环境和活动模式。研究涉及的人群队列包括中国济南老年人重复测量研究、南非VHEMBE儿童研究等。

四、研究结果

空气作为整合性暴露储库。 研究人员通过分析空气中VOCs和SVOCs的来源多样性发现，室内空气可反映居住者、消费品、个人护理产品、纺织品、家具、建筑材料、食品相关产品、烹饪和清洁剂的贡献；室外空气则涵盖交通尾气、刹车轮胎道路磨损、建筑材料、工业活动、农药使用和生物源。化合物组合模式可形成独特指纹用于来源三角定位。

化学指纹指向具体来源。 通过GC和LC-HRMS分析，研究人员识别出环硅氧烷、合成麝香、紫外线过滤剂和邻苯二甲酸二乙酯共同提示化妆品添加剂；丁基羟基甲苯、三醋精及邻苯二甲酸酯类反映加工食品和包装；单萜烯和倍半萜烯标志生物排放；有机磷酸酯阻燃剂指示家具和电子产品；野火烟雾携带左旋葡聚糖和甲氧基苯酚特征。

可穿戴被动采样器实现个体暴露测量。 研究人员验证了硅酮被动采样器在手腕、手臂、胸部、鞋子和眼镜等佩戴位置的有效性，证实其时间积分特性适合表征与慢性疾病风险相关的累积暴露，且检测到的化合物常为其他暴露途径（如皮肤吸收）的源示踪物，使个人空气谱揭示的暴露远超实际吸入范围。

传感器技术补充实时维度。 研究人员利用低成本空气传感器实现了对细颗粒物、二氧化氮、臭氧等污染物的连续实时测量，可评估瞬时暴露事件及噪声、光照、温度等物理应激源，对表征缺乏建模的室内环境尤为有价值。

五、讨论与结论

讨论部分指出，可穿戴被动采样器解析的丰富化学信息可通过传感器技术进一步情境化，GPS数据可关联特定微环境和活动模式。未来方向包括：基于HRMS的非靶向分析将扩展可表征的环境因素范围；将个人空气谱与地理空间模型和内部组学（omics）测量相结合，将使暴露组研究能够连接环境驱动因素与其生理靶点。研究结论强调，空气作为暴露组研究的整合性基质具有独特优势——它不仅是吸入暴露的媒介，更是多种来源化学物质的汇聚储库，通过可穿戴被动采样器与高分辨质谱联用，能够在人群规模上实现个人暴露的全面表征，为揭示环境因素与慢性疾病风险的关联提供关键工具，最终为个性化干预和循证政策提供科学依据。