让致病危险无处藏身

记录你吃过的每一样食物和接触过的每一种东西，将有助于了解哪些环境因素可能导致疾病。

撰文 布兰登·博雷尔（Brendan Borrell）^[1]

翻译 石小东

十年前，作为饮食研究的一部分，心理学家汤姆·巴拉诺斯基（Tom Baranowski）被要求回想前一天吃下的每一样东西。他很自信地说晚餐吃了鸡肉，因为他记得晚餐是他亲手为自己和妻子贾尼斯（Janice Baranowski）准备的。事实上，巴拉诺斯基根本没吃鸡肉，直到后来他才意识到，那晚他只是用一个汉堡打发了自己。

巴拉诺斯基在美国得克萨斯州休斯敦市的贝勒医学院（Baylor College of Medicine）从事儿童饮食研究，按理说，他不太可能犯这种错误。由此，我们可以想象其他人对饮食的记忆有多糟糕。通过接连两天观察研究对象，巴拉诺斯基发现，孩子们对于自己吃过的食物，通常会有15%记不起来，而他们回想起的食物中，超过30%都是自己想象出来的。成年人的饮食记忆也显示出了类似的模式。巴拉诺斯基说：“饮食评估上的误差非常大。”

这些差错不只是说明人类记忆不太可靠，还可能动摇现代流行病学的基础。在流行病学领域，研究人员通常是从过去的事件和经历中寻找联系，弄清楚癌症或其他疾病发生的原因。但是，如果原始记录不准确，这些联系多半不明显，具有误导性，甚至根本就是错误的。这是饮食研究中最让人头痛的问题，它还会影响与运动、压力、污染或吸烟相关的研究——从根本上说，这些研究都依赖于人们在询问或问卷调查中报告自己接触过的东西。“这是流行病学中的薄弱环节，”英国帝国理工学院（Imperial College London）环境流行病学家保罗·维尼斯（Paolo Vineis）说。

为此，健康领域的科学家着手开发比问卷调查更精确、更客观的环境接触检测技术。一些科学家正以血液测试为基础，开发个性化的接触分析技术，还有些科学家想在受试者身上挂上一些传感器，让他们在街上溜达，然后通过传感器了解他们的活动，拍下他们午餐时所吃的食物，采集他们呼吸的空气样品。“我们都开始讨论，在哪里可以做一个50万人参加的大规模实验，给每人提供一个每天晚上都可以充电的、手机大小的设备，”美国北卡罗来纳州三角科技园国立环境健康科学研究所（National Institute for Environmental Health Sciences）接触生物学项目经理戴维·维尼斯（David Balshaw）说。

一些科学家已经预见到，有一天他们将跟踪记录一个个体的整个环境接触谱——也就是“接触组”（exposome，即一个人在生存环境中接触过的所有东西，参见文字框《如何测量每件事物》）。不过，要实现这个目标还有很长的路要走。本文报道了科学家为检测接触组的三个基本要素——空气污染物、身体活动和饮食习惯所作出的努力。这三个要素中的每一个都使接触组日渐接近现实，而问卷调查因为自身的缺陷，距离被淘汰也越来越近。

呼吸监测

这种奇妙的呼吸监测设备可以隐蔽地放在孩子的背包内，它由连接在一起的绿色塑料管、过滤器、抽气泵、电路板和一个重约3千克的大电池组成。打开开关时，设备会发出低沉的嗡嗡声，开始吸入空气。微型过滤器的作用是，在孩子走出家门、乘坐地铁来到学校、放学后回家的整个过程中，持续收集他们接触过的所有沙粒和烟尘。

上述监测设备是由地球化学家史蒂文·吉尔鲁德（Steven Chillrud）带领的团队在2004年研制出来的。对于吉尔鲁德来说，这套设备代表了接触生物学（exposure biology）的未来。在美国，环境科学家评估人们接触到的空气污染物的传统方法是，在建筑物顶安装传感器监控空气质量，然后对传感器传回的数据进行分析。但在2005年发表的一项里程碑式的研究中，这种传统方法的缺陷非常明显：研究人员发现，在室内，空气中很多危险化合物的含量都要高于室外。对于这一发现，已经在思考纽约市居民环境接触情况的吉尔鲁德并不意外， 毕竟“人们不是生活在建筑物的顶上”。

然而在纽约市警察局看来，吉尔鲁德发明的设备是一个潜在的恐怖威胁。自从2005年7月7日，4名恐怖分子在英国伦敦的公共交通系统引爆炸弹之后，纽约市警察局一直在对地铁系统进行随机检查。当吉尔鲁德向当地警察局知会他计划好的研究时，官员们惊得目瞪口呆，就连吉尔鲁德本人也承认，他的设备看上去是挺吓人的。“我们向这套设备倾注了很多心血，”吉尔鲁德边说边拿起他的监测设备，放到他在哥伦比亚大学拉蒙特－多赫蒂地球观测站（Lamont–Doherty Earth Observatory）的办公桌上，“结果，警方勒令我们停止手上的工作”。不过，纽约警察局为吉尔鲁德的团队指出了一个前进方向，“如果我们能够把监测设备的尺寸缩小到随身听大小，就可以继续进行相关研究”。

去年11月，在与合作者反复改进之后，吉尔鲁德的第一代随身听大小的环境传感器终于问世了。受试者离开了“家”的范围，设备就会在两个过滤器之间自动切换，这样吉尔鲁德就可以区分环境接触发生在家里还是其他地方。设备还集成了全球定位系统 （GPS），有助于研究人员辨别接触发生在上下班路上，还是在办公室或学校。使用几天之后，就可以对过滤器进行化学分析，确定炭黑和其他化学物质的来源。纽约市警察局也会很满意，因为这种精简版的设备很轻便，可以放进在衣领附近带有进风口的专用背心里。

用这套设备进行的首个健康研究将致力于更精确地监测烟草烟雾的被动接触。吉尔鲁德将利用便携式传感器和阿弗拉姆·斯比拉（Avrum Spira）发明的方法，对50个成年人和几个小孩进行研究。斯比拉是美国马萨诸塞州波士顿大学医学院的肺病专家，他的方法是从受试者的鼻孔刷取细胞，检测细胞中基因表达的变化，然后根据检测结果来评估受试者在香烟烟雾中的接触情况。斯比拉认为，对积累性香烟烟雾接触进行更精确的测量，可以解释为何一些（而非所有）吸烟者会患上肺癌和慢性阻塞性肺部疾病（chronic obstructive pulmonary disease） 之类的病症。他说：“我们测量的不仅仅是环境接触，而是你的身体如何对接触作出反应”。

活动监测

美国加利福尼亚大学圣迭戈分校的凯文·帕特里克（Kevin Patrick）把日常接触的另一个方面绘制在了一份地图上。这需要我们花几分钟的时间来理解。在上图的左侧，拍打着海岸的蓝色太平洋很容易识别，城市本身也是如此，它由代表高速公路、建筑物和公园的彩色图案拼合而成。最后，你开始注意到绿色、黄色、橙色和红色的小圆点，它们开始往一起汇集。这些小圆点显示了一个人在不同时间点的心跳速率：间隔最大的绿色圆点代表了开车去上班；绿色圆点层叠堆积在一起，代表的是待在办公室的时间；最后，慢跑或是沿着悬崖骑自行车则是一串橘色和红色小圆点，表明心跳在加快（参见第60页图片）。

现任加利福尼亚大学圣迭戈分校无线与人口健康系统中心（the Center for Wireless and Population Health Systems）负责人的帕特里克认为，这些地图在测量身体活动时，要比电子计步器以及他和其他科学家多年来一直采用的问卷调查更准确。他说：“我们意识到，我们不但要了解受试者的活跃程度，还要知道活动发生的地点。”这样的监控有助于研究人员了解，城市布局（如公园、丘陵和烟雾收集器的分布状况）如何通过影响身体活动，最终影响到市民健康。

帕特里克于2007年启动了测绘计划。他使用的身体活动定位测量系统（Physical Activity Location Measurement System，PALMS）结合了心率监视器、全球定位仪和加速度传感器来记录身体运动的细节。已经有1 500多位受试者穿过这套价值60美元的设备，结束一天的实验后，他们会坐下来讲述在这一天内，他们在不同的地点都做了些什么。帕特里克与计算机科学家合作，希望能开发出一个模式识别系统，可以自动识别不同的身体活动。

按计划，PALMS的首次应用，是在由美国国家心肺血液研究所等机构开展的西班牙裔社区健康研究/拉丁美裔研究（Hispanic Community Health Study/Study of Latinos）中，用于监测圣迭戈市受试者的身体活动。帕特里克还计划用它来评估某些干预手段的效果，比如鼓励人们应该多花时间在公园锻炼，而不要沉迷于逛街。

帕特里克参与的另一个项目是“城市传感”（CitiSense），由加利福尼亚大学圣迭戈分校的一名软件工程师威廉·格里斯沃德（William Griswold）负责。该项目的目标是，利用与吉尔鲁德发明的那种设备类似的工具，测量身体活动和空气污染物。在一个已经计划好的研究里，帕特里克将会把这些设备提供给圣迭戈市骑自行车的人，他们在骑自行车时，就可以得到空气质量的实时反馈。帕特里克说，他期待将来有一天，研究人员能把他正在收集的数据与社交网络、心理学和遗传学相关的数据联系起来，进而了解这些因素如何共同作用导致疾病。“我相信这个目标过不了多久就会实现”。

饮食监测

如果不考虑食物因素，任何人类接触研究都是不完整的。这就是2010年12月一个雨后的下午，巴兰诺斯基紧盯着一个液晶显示器上的玉米看的原因。事实上，这只是八盘玉米中的一盘，它们都放在蓝色的桌子上，只是它们的分量不等。巴兰诺斯基说，“孩子们要做的工作，就是挑取他们正好能吃完的那份”。

过去几年，巴兰诺斯基夫妇已经拍摄了一系列关于食物的照片，这些食物是在儿童营养研究中心（Children’s Nutrition Research Center）三楼的“代谢”厨房烹制的。拍摄的食物种类从早餐喝的粥、鸡块到葡萄应有尽有，总共大约有1.5万张照片。这些照片是美国国家癌症研究所（US National Cancer Institute）资助的一项研究的一部分，主要目标是改进巴兰诺斯基的食物摄入记录软件——24小时自动自我管理饮食回忆系统（Automated Self-Administered 24-hour Dietary Recall，ASA24），让它更适用于儿童。巴兰诺斯基说，在试验中，图片提示有助于孩子估计他们吃下的食物分量，准确率约为60%。巴兰诺斯基夫妇的目标是创建一个网络工具，让其他研究人员可以用它代替饮食日志，以便把饮食习惯与遗传特征和疾病风险联系起来。

美国匹兹堡大学的电子工程师孙民贵（Mingui Sun）试图通过技术手段彻底避免自我报告的发生。他制作了一个通用的、可以挂在脖子上的接触生物学设备，含有5～8个传感器，包括GPS定位仪、录音机、加速计和一部数码照相机。这部相机被设定为每秒拍摄2～5张照片，并连续拍摄一周。图像处理软件可以自动识别餐盘或牛奶，将视频流分割开，以便饮食专家稍后可以对膳食和烹饪过程进行评估。孙民贵说，这个设备将很快用于一项评估肥胖人群的热量摄入和身体活动水平的试验性研究。

但维尼斯采取了一种极为不同的方法来监测接触组中的饮食因素。这是他在十国参与的欧洲前瞻性癌症与营养研究（European Prospective Investigation into Cancer and Nutrition cohort）中所承担工作的一部分。去年11月，他的团队发表了一篇循证性论文。在文章中，通过对比24个已有7年病史的结肠癌患者和23个健康人的血浆分析和饮食评估数据，他们发现了一个生物标志物。该标志物是苯甲酸的一种衍生物，是由可以消化纤维的肠道细菌产生的。这一发现证实了膳食纤维的摄入和结肠癌风险降低之间具有对应关系。维尼斯把这种发现生物标志物的方法称为“中途相遇法”（meet-in-themiddle approach），这种方法在监测环境接触因素的同时，还可以显示这些接触因素引起疾病的可能过程。

然而，纤维只不过是人体遇到过的已知或未知接触因素中的一种，而且结肠癌也只这些因素引起的多种疾病中的一种。对接触组做整体性研究可能还要多年才能实现——就目前而言，维尼斯只是希望有一种更好的方法每次测量一个接触因素。他说：“我不认为我们将来会彻底放弃问卷调查。”

如何监测一切

在1998年的电影《楚门的世界》（The Truman Show）中，主人公楚门·伯班克（Truman Burbank）渐渐发现，他从一开始就生活在一个巨大的电影布景里，上千部不知藏在何处的摄像机拍摄着他的一举一动。如果我们再向电影添加一些超现实元素，对伯班克呼吸的空气、吃的食物、喝的水以及他的肠道菌群样本进行化学分析，再对他的血液中扰乱内分泌的化学物质、重金属和代谢产物进行化验，你就会对“接触组”无处不在的本质有所了解——这个概念指的就是一个人一生中遇到过的所有环境接触因素。

如果能够罗列出所有的接触因素，或许就可以弄清楚，哪些因素可能会在将来引发疾病。但就像“接触组”这个概念让人生畏一样，要想实现这个目标在技术上同样困难重重。世界卫生组织的分支机构国际癌症研究组织的主席克里斯多夫·维尔德（Christopher Wild）说：“人们可能认为‘接触组’太过复杂，是不可能完全弄清楚的。”“接触组”这个术语，正是维尔德在2005年创造的。

佩戴在身上的传感器可以记录“外部”接触组中的部分因素。但美国加利福尼亚大学伯克利分校的环境与健康生物学家斯蒂芬·拉帕波特（Stephen Rappaport）说，“这些设备对我们认识接触组并没有太大的帮助”。这就是拉帕波特和其他科学家正在想方设法记录“内部”接触组，研究那些可以揭示饮食、毒素及其他接触因素对人体影响的生物分子的原因。以杀虫剂DTT为例，它的代谢物在接触于环境20～30年后，还能在血液中检测到。科学家一直想实现的目标是，分析成千上万种化学物质的性质，据此得出一个人受到“化学攻击”的全部历史。但我们现在距离这个目标还有很长的路要走，部分原因是，一个人对饮食变化所作出的代谢反应可能完全不同于另一个人。

现在，一些研究人员正在梳理现有的接触数据，以寻找接触因素与特定疾病之间的关系。从1999年开始，美国疾病控制与预防中心就开始进行全美健康和营养调查研究，调查方式包括访谈、健康检查以及对血液中的数百种化学物质进行生物监测。去年，美国斯坦福医学院的生物信息学家兼儿科专家阿图尔·布特（Atul Butte）在一项全环境关联研究（environment-wide association study）中，曾利用全美健康和营养调查研究得到的数据，寻找Ⅱ型糖尿病和266种环境因子间的关系。最让人吃惊的发现是，一种维生素E竟会增加患糖尿病的风险。

From nature, Vol 470, 320-322, 17 February 2011

[1]布兰登·博雷尔是美国纽约的一位自由撰稿人。