DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46595-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38480749
تاريخ النشر: 2024-03-13
المؤلف: Lei You وآخرون
الموضوع الرئيسي: الصحة، البيئة، الشيخوخة الإدراكية
نظرة عامة
يتناول هذا القسم من ورقة البحث القيود المفروضة على الدراسات الحالية حول التعرضات الكيميائية في العالم الحقيقي والمخاطر المرتبطة بها للأمراض المزمنة. أجرى المؤلفون دراسة شاملة لمراقبة البيوماركر في المصل شملت 5,696 فردًا في الصين، بما في ذلك مرضى يعانون من 12 مرضًا مزمنًا، حيث تم تحليل 267 مادة كيميائية باستخدام الكروماتوغرافيا الغازية والكروماتوغرافيا السائلة مع مطياف الكتلة. تم تحديد 74 مادة كيميائية تم الكشف عنها بشكل متكرر لتوصيف التعرض وتحليل المخاطر، مما كشف أن المنطقة الجغرافية هي العامل الرئيسي الذي يؤثر على مستويات التعرض، تليها العمر. ومن الجدير بالذكر أن المبيدات العضوية الكلورية والمواد الكيميائية البيرفلورية كانت مرتبطة بالعديد من الأمراض المزمنة، حيث تجاوزت بعض التعرضات الحدود الآمنة.
استخدمت الدراسة نماذج متعددة للتعرض، مما أظهر تأثيرات مخاطر كبيرة للتعرض الكيميائي على حالات مثل فرط شحميات الدم، ومتلازمة الأيض، وفرط حمض اليوريك. تسهم النتائج في تطوير أطلس التعرض البشري في المصل، والذي يعد مصدرًا قيمًا للدراسات المستقبلية حول الأسباب والنتائج المتعلقة بالتعرضات البيئية ونتائج الصحة. يدعو المؤلفون إلى اتباع نهج “من الأعلى إلى الأسفل”، والذي يُطلق عليه “تعرض الدم”، لالتقاط البيئة الكيميائية الداخلية للفرد بشكل فعال، وبالتالي معالجة تعقيدات التعرض المشترك لمجموعة متنوعة من المواد الكيميائية البيئية وآثارها على مخاطر الأمراض المزمنة.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون التقييم المنهجي الذي تم إجراؤه لضمان استقرار وملاءمة طرقهم التحليلية قبل اختبار العينات على نطاق واسع. يعتمد التقييم على دراسات سابقة تتعلق بمنصات الكروماتوغرافيا الغازية مع مطياف الكتلة (GC-MS/MS) والكروماتوغرافيا السائلة مع مطياف الكتلة (LC-MS/MS)، حيث تم توسيع قائمة المراقبة وإعادة تحليل بعض الجوانب المنهجية. بالنسبة لمنصة GC-MS/MS، تم إعداد حلول معيارية متطابقة مع المصفوفة بتركيزات تتراوح من 0 إلى 100 نانوغرام/مل، بينما استخدمت منصة LC-MS/MS حلولًا من 0 إلى 200 نانوغرام/مل. تم تحديد حد الكمية (LOQ) بناءً على نسبة الإشارة إلى الضوضاء التي تتجاوز 10، وتم تقييم خطية المعايرة باستخدام معاملات الارتباط ($r^2$) عبر مستويات متعددة من المعاير.
تم تقييم الدقة باستخدام عينات مراقبة الجودة (QC) المضافة بتركيزات 2 نانوغرام/مل و10 نانوغرام/مل لكلا المنصتين. تم إجراء اختبارات الدقة لكل منحنى معايرة، مع استهداف مستويات تركيز محددة: 2، 5، و20 نانوغرام/مل لـ GC-MS/MS، و1، 10، و100 نانوغرام/مل لـ LC-MS/MS. اعتمد المؤلفون عامل انحدار وزني قدره $1/x$ لتقليل أخطاء الحساب عند التركيزات المنخفضة. تم توفير ملفات الطريقة الخام لكلا المنصتين في البرنامج المساعد، المتوافق مع “محطة عمل ماس هانتر” من Agilent وبرنامج “المحلل” من AB SCIEX.
النتائج
في هذه الدراسة، تم إنشاء مجموعة من 5,696 فردًا، تضم كل من المشاركين الأصحاء وأولئك الذين يعانون من الأمراض المزمنة، عبر 15 مقاطعة في الصين لتقييم العلاقة بين التعرض في المصل ومخاطر الأمراض المزمنة. شملت الأمراض المزمنة التي تم التحقيق فيها السكري، فرط حمض اليوريك، السمنة، وأشكال مختلفة من اضطرابات شحميات الدم، من بين أمور أخرى. شملت جمع البيانات تسعة عوامل وبائية أساسية وتسعة معايير سريرية، بالإضافة إلى عينات مصل تم تحليلها لمجموعة فرعية من 267 مادة كيميائية باستخدام الكروماتوغرافيا الغازية مع مطياف الكتلة (GC-MS/MS) والكروماتوغرافيا السائلة مع مطياف الكتلة (LC-MS/MS). ومن الجدير بالذكر أنه تم تحديد 74 مادة كيميائية بترددات عالية وتم اختيارها لمزيد من التحليل كأهداف رئيسية.
تم تصنيف المشاركين بناءً على المعلومات الوبائية الأساسية، مما سمح بتحديد مستويات المواد الكيميائية المتبقية في المصل ضمن هذه المجموعات. أقامت الدراسة روابط قوية بين التعرضات الكيميائية ومخاطر الأمراض المزمنة من خلال نماذج التعرض الفردي والمتعدد، مما ساعد في تحديد بقايا كيميائية محددة مرتبطة بتطور الأمراض المزمنة. تؤكد هذه النتائج على التأثير المحتمل للتعرض في المصل على نتائج الصحة المزمنة.
المناقشة
في هذا القسم، تناقش الدراسة المراقبة البيولوجية البشرية لـ 97 و170 مادة كيميائية ذات أولوية، بما في ذلك المبيدات العضوية الكلورية (OCPs)، والمبيدات العضوية الفوسفاتية (OPPs)، والمواد الكيميائية البيرفلورية والمتعددة (PFASs)، من بين أمور أخرى. استخدمت التحليل الكروماتوغرافيا الغازية مع مطياف الكتلة (GC-MS/MS) والكروماتوغرافيا السائلة مع مطياف الكتلة (LC-MS/MS) لتقييم عينات المصل من 5,696 مشاركًا. كشفت النتائج عن تردد كشف أعلى بنسبة 50% لـ 74 تعرضًا، مع اختلافات كبيرة في تركيزات المواد الكيميائية في المصل تأثرت بشكل رئيسي بالعوامل الإقليمية، التي شكلت 15.6% من التباين في مستويات التعرض. ومن الجدير بالذكر أن PFASs تأثرت بشكل خاص بالاختلافات الإقليمية، حيث تم العثور على تركيزات أعلى في المناطق ذات الكثافة السكانية العالية والمناطق الصناعية مثل شنغهاي.
كما درست الدراسة العلاقة بين التعرضات في المصل ومجموعة من العوامل الوبائية، بما في ذلك العمر، الجنس، التعليم، واختيارات نمط الحياة. تم تحديد العمر كعامل مهم، حيث زادت تراكم المواد الكيميائية عمومًا مع تقدم العمر، خاصة بالنسبة لـ OCPs وPFASs. بالإضافة إلى ذلك، أشارت التحليلات إلى أن مستويات التعليم والدخل الأعلى كانت مرتبطة بزيادة التعرض لبعض المواد الكيميائية. ربط تحليل مخاطر الصحة التعرضات الكيميائية المحددة بالأمراض المزمنة، مما كشف أن OCPs وPCBs كانت مرتبطة بارتفاع ضغط الدم ومتلازمة الأيض، بينما كانت PFASs مرتبطة بفرط شحميات الدم والسكري. بشكل عام، تؤكد الأبحاث على التفاعل المعقد بين التعرضات البيئية ونتائج الصحة، مما يبرز الحاجة إلى المراقبة المستمرة وتقييم المخاطر في السكان المتنوعين.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-46595-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38480749
Publication Date: 2024-03-13
Author(s): Lei You et al.
Primary Topic: Health, Environment, Cognitive Aging
Overview
This research paper section discusses the limitations of current studies on real-world chemical exposures and their associated risks for chronic diseases. The authors conducted a comprehensive serum biomonitoring study involving 5,696 individuals in China, including patients with 12 chronic diseases, analyzing 267 chemicals using gas and liquid chromatography-tandem mass spectrometry. They identified 74 frequently detected chemicals for exposure characterization and risk analysis, revealing that geographic region is the primary factor influencing exposure levels, followed by age. Notably, organochlorine pesticides and perfluoroalkyl substances were linked to multiple chronic diseases, with some exposures exceeding safe limits.
The study employed multi-exposure models, demonstrating significant risk effects of chemical exposure on conditions such as hyperlipidemia, metabolic syndrome, and hyperuricemia. The findings contribute to the development of a human serum exposome atlas, which serves as a valuable resource for future cause-and-effect studies regarding environmental exposures and health outcomes. The authors advocate for a “top-down” approach, termed the “blood exposome,” to effectively capture an individual’s internal chemical environment, thereby addressing the complexities of co-exposure to various environmental chemicals and their implications for chronic disease risk.
Methods
In this section, the authors detail the methodological evaluation conducted to ensure the stability and feasibility of their analytical methods prior to large-scale sample testing. The evaluation builds upon previous studies involving Gas Chromatography-Tandem Mass Spectrometry (GC-MS/MS) and Liquid Chromatography-Tandem Mass Spectrometry (LC-MS/MS) platforms, extending the monitoring list and reanalyzing certain methodological aspects. For the GC-MS/MS platform, matrix-matched standard solutions were prepared at concentrations ranging from 0 to 100 ng/mL, while the LC-MS/MS platform utilized solutions from 0 to 200 ng/mL. The limit of quantification (LOQ) was established based on a signal-to-noise ratio exceeding 10, and the linearity of calibration was assessed using correlation coefficients ($r^2$) across multiple calibrator levels.
Precision was evaluated using spiked quality control (QC) samples at concentrations of 2 ng/mL and 10 ng/mL for both platforms. Accuracy tests were performed for each calibration curve, with specific concentration levels targeted: 2, 5, and 20 ng/mL for GC-MS/MS, and 1, 10, and 100 ng/mL for LC-MS/MS. The authors adopted a weighting regression factor of $1/x$ to reduce calculation errors at lower concentrations. The raw method files for both platforms are provided in the Supplementary Software, compatible with Agilent’s “MassHunter Workstation” and AB SCIEX’s “Analyst” software.
Results
In this study, a cohort of 5,696 individuals, comprising both healthy participants and those with chronic diseases, was established across 15 provinces in China to evaluate the relationship between the serum exposome and chronic disease risk. The chronic diseases investigated included diabetes, hyperuricemia, obesity, and various forms of dyslipidemia, among others. Data collection encompassed nine basic epidemiological factors and nine clinical parameters, alongside serum samples that were analyzed for a subset of 267 chemicals using gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS). Notably, 74 chemicals were identified at high frequencies and selected for further analysis as key targets.
The participants were stratified based on basic epidemiological information, allowing for the determination of residual chemical levels in serum within these groups. The study established robust associations between chemical exposures and chronic disease risk through both single-exposure and multiexposure models, effectively identifying specific chemical residues linked to the development of chronic diseases. These findings underscore the potential impact of the serum exposome on chronic health outcomes.
Discussion
In this section, the study discusses the human biomonitoring of 97 and 170 priority chemicals, including organochlorine pesticides (OCPs), organophosphate pesticides (OPPs), and per- and polyfluoroalkyl substances (PFASs), among others. The analysis utilized gas chromatography-tandem mass spectrometry (GC-MS/MS) and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) to assess serum samples from 5,696 participants. The findings revealed a 50% higher detection frequency for 74 exposures, with significant variations in serum chemical concentrations influenced primarily by regional factors, which accounted for 15.6% of the variance in exposure levels. Notably, PFASs were particularly affected by regional differences, with higher concentrations found in densely populated and industrialized areas like Shanghai.
The study also examined the correlation between serum exposures and various epidemiological factors, including age, gender, education, and lifestyle choices. Age was identified as a significant factor, with chemical accumulation generally increasing with age, particularly for OCPs and PFASs. Additionally, the analysis indicated that higher education and income levels correlated with increased exposure to certain chemicals. The health risk analysis associated specific chemical exposures with chronic diseases, revealing that OCPs and PCBs were linked to hypertension and metabolic syndrome, while PFASs were associated with hyperlipidemia and diabetes. Overall, the research underscores the complex interplay between environmental exposures and health outcomes, highlighting the need for ongoing monitoring and risk assessment in diverse populations.