不同生物樣本中14種金屬暴露生物標志物的比較研究

鮑宇，楊曉波，2

1.廣西醫科大學公共衛生學院職業衛生與環境衛生學系，廣西 南寧 530021 2.廣西科技大學醫學部公共衛生系，廣西 柳州 545006

金屬以單質或化合態形式廣泛存在于自然界中。金屬在工業、農業和醫藥業的廣泛應用增加了人們金屬暴露的機會。環境污染、職業接觸和飲食攝入是金屬暴露的主要來源。金屬被人體吸收后經血流分布而蓄積于血液（持續暴露）、頭發、指/趾甲和腎臟等組織器官［1］。有毒金屬在體內蓄積可導致健康損害效應［2］，而必需金屬元素過量或缺乏也可導致健康損害，如過量錳暴露可造成神經系統損害［3］。因此，金屬暴露水平評估是環境健康研究中的重要內容。

生物樣本中的金屬可作為內暴露生物標志物，體液（血液、尿液、唾液）、頭發和指/趾甲是用于評估人體內金屬暴露水平的主要生物樣本［4］。由于金屬在體內的分布、代謝特征差異，不同生物樣本中金屬濃度差異較大，導致環境健康研究結果可能容易受到所選生物樣本的影響。因此，選擇合適的暴露生物標志物評估金屬內暴露水平具有重要意義。目前關于金屬暴露生物標志物研究的主要特點是單金屬和單一生物樣本。

因此，基于評價生物樣本中多種金屬暴露生物標志物優先級的目的，本研究擬系統比較14 種金屬（8種有毒金屬：鋁、砷、鎘、鉻、汞、鎳、鉛、銻；6種必需元素：鈷、銅、鐵、錳、釩、鋅）內暴露生物標志物的組間差異（暴露組和對照組），以及內暴露生物標志物與外暴露之間的相關性。

1 材料與方法

1.1 檢索策略

從PubMed 數據庫檢索從建庫至2021年3月13日已發表的相關文獻，對研究的14 種金屬分別使用以下精確檢索：例如鋁，#1 （aluminum［Title/Abstract］） OR （Al［Title/Abstract］）；#2 （exposure［Title/Abstract］）；#3 （blood［Title/Abstract］） OR（whole blood［Title/Abstract］） OR （blood cells［Title/Abstract］） OR （blood cell［Title/Abstract］） OR （plasma［Title/Abstract］） OR （serum［Title/Abstract］） OR（urine［Title/Abstract］） OR （urinary［Title/Abstract］）OR （hair［Title/Abstract］） OR （hairs［Title/Abstract］）OR （nail［Title/Abstract］） OR （nails［Title/Abstract］）OR （toenail［Title/Abstract］） OR （toenails［Title/Abstract］） OR （fingernail［Title/Abstract］） OR（fingernails［Title/Abstract］） OR （red blood cell［Title/Abstract］） OR （red blood cells［Title/Abstract］） OR（erythrocyte［Title/Abstract］） OR （erythrocytes［Title/Abstract］） OR （saliva［Title/Abstract］） OR （salivary［Title/Abstract］）；#1 AND #2 AND #3，檢索到與8 種生物樣本（全血、血/紅細胞、血清、血漿、尿液、頭發、指/趾甲、唾液）中有毒金屬（鋁、砷、鎘、鉻、汞、鎳、鉛、銻）和必需元素（鈷、銅、鐵、錳、釩、鋅）內外暴露相關的文獻分別有26 073 和12 948 篇。審查員獨立審查文獻的題目、摘要、正文，從篩選的文獻中提取數據和評估研究質量，最終確定納入的文獻。納入標準：①研究人群暴露于金屬；②研究人群分為暴露組與對照組；③研究描述內外暴露之間的相關性；②和③有其一即可納入。按照納入標準嚴格篩選出315和109 篇與有毒金屬和必需元素相關的文獻，剔除重復的20 和4 篇文獻，最終分別有295 和105 篇文獻納入本研究。

1.2 數據收集

研究數據被提取到特定的電子表格中。根據研究方案，從每篇文獻中提取以下數據：（1）基本信息，包括第一作者、研究機構所在國家、發表年份、發表期刊、影響因子、PubMed 唯一標識碼；（2）研究相關信息，包括金屬種類、生物樣本類型（全血、血/紅細胞、血漿、血清、尿液、頭發、指/趾甲、唾液）、檢測方法（原子吸收光譜法、電感耦合等離子體質譜法等）；（3）分析信息，包括內暴露生物標志物的組間差異（即暴露組和對照組之間的金屬濃度是否存在差異）、內暴露生物標志物與外暴露之間的相關性（即相關系數、劑量-反應關系）、樣本量（包括暴露組和對照組的樣本量）。

1.3 統計學分析

提取和歸納研究的分析信息，剔除尚無研究報道存在組間差異或相關性的內暴露生物標志物，統計每種暴露生物標志物研究中暴露組和對照組存在差異的研究數量和樣本量以及研究總數量和總樣本量、研究中內外暴露相關系數≥0.3 的研究數量和樣本量以及研究總數量和總樣本量。

優序圖法［5］是一個棋盤格的圖式，共有n×n個空格，在評價指標進行兩兩比較時，用“1”表示相對重要，“0”表示相對不重要，“0.5”表示同等重要。滿足互補檢驗的各行數字橫向相加，分別與總數T［T=n（n-1）/2］相除得到各評價指標的權重系數。

根據優序圖法確定4 個評價指標（α：每個暴露生物標志物中暴露組和對照組存在差異的研究數量占總數量的百分比；β：每個暴露生物標志物與外暴露相關系數≥0.3 的研究數量占總數量的百分比；γ：每個暴露生物標志物中暴露組和對照組存在差異的研究樣本量占總樣本量的百分比；δ：每個暴露生物標志物與外暴露相關系數≥0.3 的研究樣本量占總樣本量的百分比）的權重系數（W）分別為0.5、0.3、0.1、0.1，計算各暴露生物標志物的加權優序數（K），即K=（α*0.5+β*0.3+γ*0.1+δ*0.1），以加權優序數的大小對各暴露生物標志物進行綜合評價的排序（1～8）?！?”表示加權優序數最大的樣本類型，“8”表示加權優序數最小的樣本類型，“—”表示尚無研究報道暴露組和對照組具有差異或內暴露生物標志物與外暴露之間的相關性，即具有不確定性的暴露生物標志物。

2 結果

2.1 金屬內暴露生物標志物的組間差異

有毒金屬（鋁、砷、鎘、鉻、汞、鎳、鉛、銻）內暴露生物標志物的研究數、樣本量在暴露組和對照組之間存在差異的研究數量和研究樣本量見補充材料表S1。與其他生物樣本比較時，暴露組和對照組之間全血中鉛（52）和銻（2），尿液中鋁（14）、砷（40）、鎘（26）、鉻（19）、汞（21）和鎳（11）存在差異的研究數量最高。此外，暴露組和對照組之間全血中鉻（3 268）、鉛（35 280）和銻（178），尿液中鋁（1 242）、砷（11 578）、鎘（5 667）、汞（2 982）和鎳（2 167）存在差異的研究樣本量最高。

必需元素（鈷、銅、鐵、錳、釩、鋅）內暴露生物標志物的研究數、樣本量在暴露組和對照組之間存在差異的研究數量和研究樣本量見補充材料表S1。與其他生物樣本比較時，暴露組和對照組之間全血中錳（15）和鋅（5），血清中銅（6）和鐵（4），尿液中鈷（6）和釩（4）存在差異的研究數量最高。此外，暴露組和對照組之間全血中錳（2 014）和鋅（728），血清中銅（1 055）和鐵（916），尿液中鈷（1 123）和釩（1 094）存在差異的研究樣本量最高。

2.2 金屬內暴露生物標志物與外暴露之間的相關性

有毒金屬（鋁、砷、鎘、鉻、汞、鎳、鉛、銻）內暴露生物標志物與外暴露之間相關性的研究數、樣本量、相關系數≥0.3 的研究數量和研究樣本量見補充材料表S2。與其他生物樣本比較時，全血中鉻（3）、鉛（5）和銻（2），尿液中鋁（2）、鎘（6）、汞（3）、鎳（5）和銻（2），指/趾甲中砷（19）與外暴露相關系數≥0.3的研究數量最高。此外，全血中鉻（572）、鉛（684）和銻（154），尿液中鋁（264）、砷（5 394）、鎘（1 004）、鎳（599）和銻（154），頭發中汞（383）與外暴露相關系數≥0.3 的研究樣本量最高。

必需元素（鈷、銅、鐵、錳、釩、鋅）內暴露生物標志物與外暴露之間相關性的研究數、樣本量、相關系數≥0.3 的研究數量和研究樣本量見補充材料表S2。與其他生物樣本比較時，全血中錳（4）和釩（1），尿液中鈷（10）、釩（1）和鋅（2），血/紅細胞中釩（1），血清中釩（1），頭發中鐵（1），指/趾甲中銅（2）與外暴露相關系數≥0.3 的研究數量最高。此外，尿液中鈷（972），血/紅細胞中釩（144），血清中釩（144），頭發中鐵（114）、錳（636）和鋅（420），指/趾甲中銅（206）與外暴露相關系數≥0.3 的研究樣本量最高。

2.3 金屬內暴露生物標志物的綜合評價

根據加權優序數的大小對各暴露生物標志物進行綜合評價的結果如表1所示。排序為“1”的內暴露生物標志物是全血中鉻（0.872）、鉛（1.000）、鈷（0.863）、釩（0.815），血/紅細胞中錳（0.816），尿液中鋁（0.866）、砷（0.833）、鎘（0.851）、汞（0.828）、鎳（0.915）、鋅（0.823），頭發中銻（0.841）、鐵（1.000）和指/趾甲中銅（0.776），即加權優序數最大。

表1 14種金屬暴露生物標志物的綜合評價Table 1 Comprehensive evaluation of exposure biomarkers for 14 metals

3 討論

本研究提示尿液鋁可能是鋁暴露的合適生物標志物。人體攝入的鋁通常只有0.2%被血液吸收，而機體內的鋁主要通過腎臟隨尿液排出［6］。職業性鋁暴露與尿液鋁和血清鋁濃度增加有關，而且尿液鋁濃度增加的比例大于血清鋁，已有研究發現尿液中鋁的濃度是評估人體內鋁負荷的生物標志物［7］，而血清鋁用于評估人體內鋁負荷時敏感性較低［8］。頭發中鋁的濃度雖然可達到檢出限，但是目前仍然無法確定其濃度與體內鋁負荷之間的關系。另外，研究中尿液鋁濃度應使用尿肌酐、尿滲透壓或尿相對密度來校正，并且應控制腎臟疾病因素的影響。

本研究提示尿液砷可能是砷暴露的合適生物標志物。人體內砷主要通過尿液排出，尿液中砷的濃度通?？煞从橙梭w內砷暴露的水平［9］。三價砷化物可與角蛋白的巰基結合蓄積于頭發和指/趾甲［10］。頭發砷和指/趾甲砷用于評估砷暴露的局限性主要是外源性的污染可導致砷暴露水平的高估［11］，尤其是三價砷暴露。由于指/趾甲空氣暴露時間短且生長速度緩慢，指/趾甲砷用于評估砷暴露水平的效果好于頭發砷［12-13］。研究發現，由于測量砷的各種代謝物和排泄物涉及血漿、血清或血細胞，血液砷可能不是一個理想的暴露生物標志物［12］。此外，由于唾液中大部分砷沒有甲基化，唾液砷也不是評估砷暴露后人體砷代謝的有效生物標志物［14］。

本研究提示尿液鎘可能是鎘暴露的合適生物標志物。機體鎘主要蓄積于腎臟，隨尿液排出，且腎臟中鎘的濃度通常與尿液中鎘的濃度成正比。尿液中鎘的濃度可反映體內鎘的總負荷量，是評估鎘暴露的有效生物標志物［15-16］。由于鎘與金屬硫蛋白結合可以促進鎘在循環系統轉運［17］，全血中鎘濃度的實用價值不如尿液鎘。此外，研究中應控制吸煙和腎臟疾病因素對尿液中鎘濃度的影響［18］。

本研究提示全血鉻可能是鉻暴露的合適生物標志物。體內鉻在血液中與轉鐵蛋白結合后，以胰島素敏感的方式而轉運至組織器官［19］。研究發現，由于六價鉻可穿過紅細胞膜而分布于紅細胞內，三價鉻不能穿過紅細胞膜而分布于血漿內，全血鉻是評估機體鉻暴露的理想生物標志物，而血/紅細胞鉻僅在評估機體六價鉻暴露時更有價值［20］。極短的生物半衰期、較低的生物利用度、較高的背景水平和顯著的個體間差異使尿液鉻的應用受到限制，因此，全血鉻作為鉻暴露的生物標志物比尿液鉻更為合適。

本研究提示尿液汞可能是汞暴露的合適生物標志物。由于體內汞的排泄主要通過腎臟隨尿液排出，且在血液停留的時間很短，尿液汞是機體汞暴露的理想生物標志物，也是反映機體汞負荷良好的指標［21-22］。既往研究表明，由于汞的血流動力學速度快，全血汞因只適用于評估高水平的汞暴露而導致其實際的應用受到限制［23］。此外，頭發的外源性汞污染不能被完全清除也使得頭發汞的實用價值不如尿液汞，特別是受污染地區［24］。

本研究提示尿液鎳可能是鎳暴露的合適生物標志物。機體鎳可蓄積于腎臟，主要經腎臟隨尿液排出［25］。尿液鎳和血清鎳是目前流行病學研究中用于評估環境鎳暴露的生物標志物。由于機體鎳在循環系統的代謝速度快且主要排序途徑為尿液，尿液鎳用于鎳暴露的評價比血清鎳更為敏感和實用。

本研究提示全血鉛是目前鉛暴露公認的生物標志物。機體鉛吸收后，進入血液的鉛與紅細胞結合，其余血漿中的鉛以磷酸鉛的形式蓄積于骨骼，全血中鉛濃度的升高可反映鉛過量吸收。因此，全血鉛是評估鉛暴露的身體負荷和體內暴露劑量的最合適生物標志物［26］。此外，連續測量全血鉛的濃度可能是一個更準確的鉛暴露指標，這可能是骨骼鉛回流到血液的結果。

本研究提示頭發銻可能是銻暴露的合適生物標志物。不同價態銻進入血液后分布的位置不同，五價銻主要存在于血漿，三價銻主要存在于血細胞，機體銻可蓄積于頭發和骨骼［27］。既往一項國內的研究為了確定銻的暴露生物標志物，分析了尿液、頭發、指/趾甲和唾液中銻的濃度與環境銻濃度之間的相關性，發現頭發銻是評價銻暴露效果最好的生物標志物［28］。但是，頭發的樣本處理需要有效的洗滌方法來避免外源性污染。此外，由于五價銻在體內甲基化經腎臟隨尿液排出，而三價銻在體內不被甲基化主要經膽汁隨糞便排出，尿液銻不適用于評估銻暴露的水平。職業接觸銻的工人全血中銻的濃度在暴露組和對照組之間差異無統計學意義，全血銻可能不適合作為準確反映機體銻暴露的生物標志物［29］。

本研究提示全血鈷可能是鈷暴露的合適生物標志物。體內鈷在腸內經細菌合成維生素B12 后被吸收進入血液，與血漿中運鈷蛋白結合，從而促進鈷在循環系統的轉運；此外，機體鈷不同的吸收途徑可能導致不同的排泄方式。既往的研究表明，全血鈷能夠準確地反映人體內鈷暴露的水平，也是機體鈷暴露的可靠生物標志物［30-31］。相比于尿液鈷，由于全血鈷具有更長的半衰期和更穩定的濃度，全血鈷用于評估鈷暴露的效果好于尿液鈷［32］。

本研究提示指/趾甲銅可能是銅暴露的合適生物標志物。既往研究表明，微量營養素缺乏可導致指/趾甲異常，測定指/趾甲中銅的濃度可評估機體組織銅營養的狀態［33］。指/趾甲緩慢的生長速度可能反映修剪前的金屬暴露水平［34］，由于指/趾甲中銅的濃度與外暴露環境中銅濃度之間的關聯具有統計學意義，因此，指/趾甲銅是目前評估銅暴露的合適生物標志物。此外，由于銅主要通過膽汁隨糞便排出，尿液銅不適用于評估機體的銅負荷。血液中銅與血漿銅藍蛋白結合而運輸，然而，血漿銅和血清銅不能準確反映體內銅狀態。由于血漿銅和血清銅與外暴露環境中銅濃度之間的統計學關聯尚無研究報道，血漿銅和血清銅是否可作為銅暴露的生物標志物還有待研究。

本研究提示頭發鐵可能是鐵暴露的合適生物標志物。人體內的鐵含量僅由吸收來控制，機體鐵參與毛囊內的生理過程，是促進頭發黑色素合成的重要元素之一［35］。機體鐵主要通過毛發、皮膚細胞或消化道細胞的脫落排出［36］。既往研究表明，鐵污染地區人群的頭發鐵濃度與該地區飲用水中鐵的濃度具有極強的正相關關系［37］。此外，研究發現，頭發中鐵受外部污染較輕，有效清洗可避免外源性暴露的污染［38］。因此，頭發鐵是鐵暴露的合適生物標志物。體內鐵主要分布于紅細胞，且鐵穩態受到鐵調素調控［39］，可能由于體內鐵動態平衡調節的原因，血液鐵不能準確反映機體鐵暴露的情況。此外，機體鐵的排泄途徑是由體表或消化道細胞脫落排出，尿液鐵也不能準確反映機體鐵暴露的水平。

本研究提示血/紅細胞錳可能是錳暴露的合適生物標志物。血液錳主要分布于紅細胞內，血漿的錳含量極低。研究表明，血/紅細胞錳是體內錳暴露可靠的、有潛在價值的生物標志物［40］。動物研究發現血液錳的半衰期僅為1.83 h，流行病學研究表明錳暴露工人尿液錳的半衰期小于30 h，機體錳主要通過消化道排出［41］。由于上述原因，全血錳、血漿錳、血清錳和尿液錳不能準確反映體內錳暴露的水平［42-43］。既往研究表明，頭發錳和指/趾甲錳是錳暴露的潛在生物標志物［44-46］，但是，頭發錳和指/趾甲錳的濃度與外暴露環境中錳的濃度之間不具有統計學意義的關聯。由于唾液錳與低水平錳暴露的相關性不強，個體間唾液錳的濃度差異較大，而且唾液中錳的濃度在低溫貯存時不穩定，唾液錳不適用于評估體內錳暴露的水平［47］。

本研究提示全血釩可能是釩暴露的合適生物標志物。釩進入血液與轉鐵蛋白和白蛋白結合，由于紅細胞具有釩還原的環境，釩也可分布于紅細胞內且與血紅蛋白結合［48］。因此，全血釩是比血/紅細胞釩和血清釩更能反映機體釩暴露的生物標志物。由于機體釩主要通過消化道排出，尿液釩的半衰期較短，尿液釩不適用于評估機體釩暴露的水平。

本研究提示尿液鋅可能是鋅暴露的合適生物標志物。機體鋅可由糞便和尿液排出。既往研究發現，過量鋅暴露時尿液鋅濃度與鋅暴露水平呈正相關關系，尿液鋅可作為鋅暴露的合適生物標志物［49］，而且尿液中鋅的濃度不受吸煙和飲酒因素的影響。鋅被吸收后進入血液成分（血清、血漿和血細胞），穩定的血清鋅和血漿鋅濃度通過體內平衡機制而維持，因此血清鋅和血漿鋅濃度可能不是評估體內鋅穩態的可靠生物標志物。目前關于頭發鋅的研究較少，頭發鋅作為潛在的生物標志物在環境健康研究中仍然具有不確定性。

本研究存在一些局限性：第一，由于生物樣本的易獲取性不同，不同生物樣本的研究數量和研究樣本量存在差異。因此，本研究綜合考慮了4 種指標以減少相應的樣本權重偏倚。第二，本研究主要系統評價了已發表的研究，可能存在一定的發表偏倚。第三，由于一些金屬內暴露生物標志物的組間差異，以及內外暴露之間的相關性尚無研究報道，對于具有不確定性的暴露生物標志物仍需相關研究進一步探討。第四，雖然本研究綜合評價多種生物樣本中14 種金屬內暴露生物標志物，但是未涉及短期與長期暴露生物標志物的評價。

本研究針對8 種生物樣本（全血、血/紅細胞、血清、血漿、尿液、頭發、指/趾甲、唾液）中有毒金屬（鋁、砷、鎘、鉻、汞、鎳、鉛、銻）和必需元素（鈷、銅、鐵、錳、釩、鋅）內外暴露相關的研究，對內暴露生物標志物暴露組和對照組的組間差異，以及內暴露生物標志物與外環境金屬暴露水平之間的相關性進行系統比較，結果表明全血可能適用于測定鉻、鉛、鈷和釩的濃度，血/紅細胞可能適用于測定錳的濃度，尿液可能適用于測定鋁、砷、鎘、汞、鎳和鋅的濃度，頭發可能適用于測定銻和鐵的濃度，指/趾甲可能適用于測定銅的濃度。