編者按：這篇文章發表在《大眾科學》八月刊。
幾堆廢金屬和一個生鏽的煤棚是這座發電廠僅存的遺蹟，直到最近，它還像一條巨大的、噴吐濃煙的巨龍一樣蹲在潼梁市中心，潼梁是中國中南部一個擁有10萬人口的灰色城市。當我們走向棚屋時，一隻比利時牧羊犬開始狂吠，猛烈地拉扯著鐵鏈，露出尖牙。一雙棕色的眼睛從敞開的門口向外窺視——那是一個穿著汙跡斑斑襯衫的女孩，她抱著一隻虎斑貓，當我們靠近時，貓跳開躲到一塊水泥板下。這個女孩最多六七歲，似乎和她的父親一起住在棚屋裡，她的父親警惕地從裡面看著我們。
帶我們參觀現場的當地官員代表團感到尷尬；他們想匆匆帶我們去附近的辦公室，向我們展示一個精心製作的比例模型，這是一個為該地塊規劃的（按潼梁標準）豪華的900戶住宅開發專案。但弗雷德里卡·佩雷拉很感興趣。她走向那個女孩，友好地說了聲“你好”，並露出了笑容。女孩也笑了笑，然後和她的父親一起退回到陰影中。
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畢竟，兒童是佩雷拉來到這裡的原因。她正在尋找空氣汙染與疾病之間的聯絡，尤其是在子宮內暴露於汙染物的兒童中。作為哥倫比亞大學兒童環境健康中心的負責人，佩雷拉幫助開創了分子流行病學領域，該領域應用分子分析工具來識別導致疾病的遺傳和環境因素。她和其他專注於環境與疾病聯絡的分子流行病學家越來越多地在發展中國家開展大部分工作，在發展中國家，汙染無處不在，即使在小規模研究人群中，也可以校準其與健康的複雜聯絡。但他們的結論也應適用於美國、歐洲和日本等地，在這些地方，環境暴露更為微妙，其影響更難以在小規模研究中衡量。
無論他們在哪裡工作，分子流行病學家的研究方法的獨特之處在於他們尋找與毒性暴露和疾病密切相關的生物指標。通常，這些標記物以與 DNA 結合的化學物質或基因結構或活性的變化的形式出現，這些變化與特定型別的汙染物和疾病相匹配。現在，DNA 微陣列和其他篩選技術使得測量許多此類生物標記物變得容易得多，因此，至少在理論上，常規使用此類工具可以透過識別面臨特定汙染物風險的人群來挽救生命。
然而，這門科學仍然存在爭議，因為相對較少的候選易感性、暴露或早期疾病的分子生物標記物已得到充分驗證——即，被證明預示著未來的疾病——而且因為很難排除混雜變數，例如飲食和遺傳傾向，這些變數可能至少與汙染物暴露一樣重要，導致各種疾病。更困難的是掌握這些不同的風險如何相互作用以影響健康。
因此，在佩雷拉發表關於該主題的第一篇論文 25 年多後，分子流行病學的進展比其設計者最初希望的要慢，研究人員之間的共識是，無論理論上聽起來多麼誘人，現實世界的複雜性限制了它的用處。最初對少數特定生物標記物（腫瘤抑制蛋白 p53 是一個突出的例子）的變化可能是早期疾病的可靠指標的想法的熱情已經消退，因為研究人員已經確定了許多疾病更復雜的病因，涉及一系列生化變化。“你可以說早期的接受有點過於熱情。已經有一些過早的宣告，”佩雷拉承認。“使用生物標記物進行早期檢測和定製管理治療的承諾已被證明並非易事。”
但是現在，在潼梁，佩雷拉相信她已經找到了分子水平環境流行病學的最佳案例——她和她的哥倫比亞同事唐德良正在獲得結果來支援她的樂觀態度。他們取得發現的過程幾乎和他們的發現一樣有趣。
“生物劑量計”
自從 1979 年開始研究生物標記物以來，佩雷拉最感興趣的是 PAH-DNA 加合物，她和唐德良現在正在測量暴露於潼梁發電廠尾氣的兒童的白細胞中的 PAH-DNA 加合物。PAH，或多環芳烴，是由有機物（尤其是煤炭，但也包括其他化石燃料、香菸甚至燒烤肉）不完全燃燒形成的大量化合物家族。它們是世界上最廣泛和最有害的空氣汙染物之一。佩雷拉最感興趣 PAH 的是它們粘稠的分子結構。許多 PAH 很容易與 DNA 形成緊密的共價鍵。這些融合的汙染物-DNA 複合物，或加合物，會擾亂細胞分裂期間基因組的複製，從而改變促進或抑制疾病的基因的功能。
潼樑上空聳立的燃煤電站是 PAH 的維蘇威火山，它在 2004 年的關閉幾乎一夜之間改變了該城市的環境條件。這使得潼梁在流行病學領域變得非常罕見：一個衡量空氣汙染物前後健康影響的可行實驗室。這座城市仍然遠非原始，但過往的汽車不再從街道上揚起黑色的煤煙雲，家庭可以將洗好的衣服掛在外面晾乾幾分鐘以上，而白襯衫不會變灰。哥倫比亞團隊在潼梁周圍安裝的空氣汙染監測器證實了這些改善：空氣中最重要的 PAH 之一，苯並[a]芘或 BaP 的濃度在 2002 年至 2005 年間下降了約 30%。其他 PAH 的下降幅度更大。
然而，佩雷拉最感興趣的變化發生在城市最年輕的居民身上。自 2002 年以來，她和唐德良以及重慶兒童醫院的李廷玉一直在研究居住在電廠舊址兩公里範圍內的 450 名兒童，方法是從出生開始測試他們的 DNA 並測量他們的身心發育。研究人員的初步分析表明，2002 年出生的兒童（當時發電廠仍在執行）比 2005 年（電廠關閉一年後）出生的兒童頭圍更小，發育測試得分更差。分子水平也存在差異：2002 年潼梁新生嬰兒白細胞中 BaP-DNA 加合物的濃度比三年後出生的兒童高約 40%。
也許最重要的是，在 2002 年出生的兒童中，測量的 BaP-DNA 加合物濃度與頭圍和發育測試分數密切相關。換句話說，兒童在子宮內 DNA 受到的損害越大，他們出生時頭圍越小，並且作為蹣跚學步的孩子，在運動技能和整體發育測試中得分越差的可能性就越大。2005 年出生的嬰兒的相關性較弱，這表明隨著總體水平下降，空氣汙染的風險會降低。佩雷拉此前的研究表明，加合物計數與癌症風險相關，因此 2005 年出生的兒童患癌症的可能性可能會略低。
佩雷拉說，潼梁的資料以及她之前在波蘭和紐約市進行的早期研究表明，白細胞中加合物的測量是估計 PAH 對神經發育影響的可靠“生物劑量計”。她觀察到，如果是這樣，那麼加合物測試有朝一日可能會成為兒科醫生識別發育問題高風險兒童的武器庫的一部分，從而需要早期干預。
約翰·霍普金斯大學的分子流行病學家約翰·D·格魯普曼評論說，2002/2005 年的比較是“一個非常重要的發現”。“生物標記物驗證的關鍵步驟之一是證明，如果您調節生物標記物，您可以顯示對健康結果的影響。”
紐約州布朗克斯區蒙特菲奧雷兒童醫院的約翰·F·羅森補充說：“我對佩雷拉博士取得的成就感到敬畏，他是一位長期的鉛中毒研究人員，也曾在華工作。“毫無疑問，轉化她的臨床結果將促進中國和世界其他地區的兒童健康。”
發現潼梁
我和佩雷拉和唐德良一起到達潼梁的那天早上，正下著濛濛細雨。環繞城市三面的群山看起來很模糊，就像煤電廠執行時一樣。中國這一地區的大部分電力來自水電，但由於融雪要到春季才會使長江水位上漲，許多較小的城市都依賴原始的燃煤電廠，這些電廠甚至缺乏基本的汙染控制措施，以填補冬季的缺口。潼梁發電廠在 11 月至 5 月期間每月消耗超過 4,000 噸煤炭，而且這種煤炭尤其成問題，因為它含有非常高濃度的硫，因此燃燒不完全。富含 PAH 的灰燼和廢氣會從電廠 279 英尺高的煙囪中噴湧而出，像厚厚的毯子一樣覆蓋在低窪的城市上。
早在 2000 年，佩雷拉一直在尋找這樣一個地方，以在她對 PAH-DNA 加合物作為疾病風險指標的二十年研究基礎上繼續深入研究。她的初步研究——有史以來首次在人類受試者中進行——測量了成年癌症患者肺組織中的加合物 [參見弗雷德里卡·P·佩雷拉的《揭示癌症風險的新線索》；大眾科學，1996 年 5 月]，她繼續測量了居住在紐約市汙染社群和波蘭工業城市克拉科夫的母親和兒童的加合物。她的發現是，暴露於空氣汙染的人血液中的加合物水平較高，而這些高水平反過來又與已知的癌症和幼兒發育問題的風險因素的基因突變的存在有關。佩雷拉確定，空氣更清潔的城市中的兒童加合物較少，患生長缺陷的可能性也較小。
儘管如此，她的研究規模很小，她無法排除未測量的生活方式差異，而不是汙染，可能會解釋她發現的居住在汙染城市和未汙染城市的母親和兒童之間的健康和加合物水平的差異。現在，佩雷拉想透過尋找一個 PAH 排放量突然減少的城市來邁出下一步，從而可以在一個離散的人群中進行前後比較。
中國以其極端的環境問題和一個有能力一舉關閉主要汙染源的專制政府，是顯而易見的尋找地點。而唐德良是指導佩雷拉設想的研究的最佳人選。唐德良是一位醫生，也是上海本地人，他在佩雷拉的實驗室接受了公共衛生博士培訓，現在是她經常合作的研究人員。為了他的研究，他必須培訓一小隊中國醫生和護士，從參加研究的母親那裡收集胎盤和臍帶血，並在兒童成長過程中對他們進行認知測試。他還需要與一系列政府官員（從北京官僚到省級官員）談判，以獲得醫院的合作，安排實驗室空間，進口汙染控制裝置和出口血液樣本——所有這些都是非常政治敏感的任務。
佩雷拉和唐德良在潼梁落戶之前調查了 12 個候選地點，潼梁唯一的發電廠計劃關閉，這是政府計劃的一部分，旨在取代效率低下的燃煤電廠。潼梁之所以合適，不僅因為電廠即將關閉，還因為該市除了車輛交通外，其他重要的空氣汙染源相對較少。天然氣已經取代了城市中的燃木和燃煤爐灶，該市沒有大型工廠。同意參與的四家當地醫院規模剛剛夠大，可以共同產生足夠的病例，以滿足佩雷拉和唐德良計劃的研究的統計要求：150 名非吸菸婦女，她們的懷孕期與電廠運營的月份重疊。在電廠關閉後的幾年裡，將對更多的母親和新生兒進行測試。
但是，當佩雷拉和唐德良在 2002 年春天抵達潼梁開始招募孕婦參加研究時，他們發現自己身處爭議之中。關於是否關閉發電廠的問題在潼梁已經醞釀多年。一些當地母親甚至在政府會議期間站在外面，以沉默抗議繼續運營——這在中國是一個非同尋常的舉動。現在，市政府官員擔心經濟影響，正在考慮改造電廠或將其搬遷到城市邊緣，而不是關閉它。哥倫比亞的研究人員不得不等待數月才能得到解決。最終，關於他們計劃的研究的宣傳幫助天平向關閉傾斜。舊煙囪在 2004 年 5 月噴出了最後一縷灰色的煙霧。
持續的併發症
三位焦慮的年輕父親，他們都吸著煙，在潼梁縣婦幼保健院擁擠的中央走廊裡萎靡不振，離兩塊“禁止吸菸”標誌不遠。吸菸在中國男性中很普遍——一半的男性人口和三分之二的 25 歲以下成年男性經常吸菸——護士和醫生似乎已經放棄了強制執行禁令。
在走廊盡頭的一個房間裡，醫務人員正在全神貫注地照顧一個名叫李俊山的男孩，他出生於 2002 年春天，當時發電廠仍在強勁運轉。李俊山是潼梁研究最初的 150 名受試者之一，但今天沒有任何跡象表明他除了是一個健康、活潑的五歲兒童之外還有什麼——活潑到一週前在操場事故中摔斷了鎖骨。李俊山今天來醫院不是因為鎖骨受傷，而是為了佩雷拉和唐德良的研究而進行的年度發育評估。目前，他正坐在椅子邊上，興奮地用中文喊著數字——“八！”……“三！”……“七！”——回答一位名叫徐坦的年輕兒科醫生提出的簡單算術問題。她的目標是評估李俊山的智力和身體發育；測試結束後，譚醫生將稱量他的體重並測量他的身高和頭圍。
醫院裡的場景說明了分子流行病學的一個關鍵挑戰。佩雷拉和唐德良正在仔細研究的生長和發育缺陷與產前 PAH 汙染暴露有關，這些缺陷是微妙的，並且可能有多種原因——包括二手菸，例如走廊另一端吸菸的父親散發出的煙霧。研究人員試圖透過只招募非吸菸、低風險妊娠的母親，並詢問母親的教育程度、家庭吸菸習慣以及透過烤肉和其他食物以及其他一些可能的混雜解釋暴露於 PAH 的情況來解決替代原因的問題。研究人員還測量了血液中的神經毒性金屬和抗氧化劑，因為這些也可能影響兒童發育。因此，他們有理由相信，他們在潼梁兒童的加合物計數與幾項重要的生長和學習指標之間發現的相關性主要源於空氣汙染暴露。
雖然具有統計學意義，但 2002 年（當時發電廠仍在執行）出生的潼梁兒童與 2005 年（電廠關閉後）出生的潼梁兒童之間的差異很小：頭圍和身高相差幾毫米，體重相差一盎司，發育測試相差一兩分。佩雷拉認為，結果表明，2002 年出生的兒童稍微更可能成為學習較慢的人，並且需要在學校獲得額外的幫助，並且平均而言，他們的精細運動技能發展得比 2005 年出生的同齡人晚。
這些細微的健康影響一直是生物標記物研究中爭論的焦點。在 20 世紀 70 年代和 80 年代，現任匹茲堡大學的赫伯特·L·尼德曼率先透過研磨嬰兒牙齒並測量金屬的痕量水平來研究人群中的鉛水平，最終發現了與學習能力下降和不良行為的相關性。但是，尼德曼看到的神經系統問題的模糊性質以及他測量的非常低的鉛水平使他的工作受到了鉛行業的猛烈批評。最終，他的研究結果得到了重複，現在已被廣泛接受為從汽油和油漆中去除鉛的關鍵理由。同樣，打擊二手菸的行動也引用了測量可替寧（尼古丁最重要的分解產物）血液和尿液水平的研究。懷孕母親和新生兒的可替寧水平已成為環境菸草煙霧與兒童廣泛發育問題之間聯絡研究中廣泛使用的標記物。
透過測量分子生物標記物來得出關於健康影響的結論，還存在另一個複雜的問題。僅僅因為鉛、可替寧或 PAH-DNA 加合物的濃度很容易在血液中測量，並不意味著相同的劑量會到達大腦或其他可能發生有意義損害的器官。早期的一些加合物研究，其中一些是佩雷拉進行的，表明白細胞是諸如大腦和肺等靶器官的合理替代品，但汙染物很少在全身均勻分佈，即使它們是呼吸相同空氣或飲用相同水的一致人群的一部分，代謝差異也可能導致個體之間存在巨大差異。
加合物與血液中鉛和可替寧的測量相比，確實有一個重要的優勢：它們不僅表明體記憶體在汙染物，而且表明它正在產生可辨別的效果，在這種情況下是透過改變 DNA 分子。然而，在這裡也存在一些很大的不確定性，因為對於加合物的形成如何導致兒童的發育問題尚無共識。在癌症研究中，佩雷拉最初使用加合物進行研究，這種聯絡在某種程度上更清晰，因為加合物擾亂細胞分裂期間準確基因組複製的能力可能會引發突變和其他遺傳變化，從而導致惡性細胞的產生。但對於兒童的發育缺陷，這些理論更加模糊不清。
關於 PAH 可能如何影響大腦的主要觀點之一涉及“神經修剪”，或受控的神經細胞死亡，這種死亡在發育中的大腦適應其環境並透過丟棄不需要的突觸變得更有效時自然發生。PAH 的存在可能會透過將這個稱為細胞凋亡的過程擴充套件到必需的突觸（包括在子宮內和兒童早期）來改變大腦功能。另一個突出的理論是，PAH 會透過佔據胎盤中的分子受體位點來破壞胎兒獲取營養和氧氣的能力。汙染物還可能引發胎兒和幼兒釋放改變新陳代謝的酶，並且還可能改變生長調節激素的水平。一些專家認為，最可能的答案是，大多數甚至可能所有這些機制都在對暴露於高濃度空氣汙染的兒童的大腦造成損害。
格魯普曼說：“在過去 10 年中，我們瞭解到許多常見疾病中有多少途徑。”格魯普曼在中國和其他地方的研究主要集中在黃麴黴毒素與人類乙型肝炎病毒相互作用誘發肝癌。黃麴黴毒素由麴黴菌真菌產生，是中國和非洲普遍存在的食物汙染物。“對於黃麴黴毒素和肝癌，您只處理一種化合物，並且處理在中國等國家非常常見的特定疾病。沒有其他混雜來源，”他指出。他補充說，PAH 和兒童發育“是一個更為複雜的故事”。
下一步
佩雷拉和格魯普曼都認為，下一步將是擴大規模和深入研究。更大規模的研究（可能涉及數千名兒童）具有更大的統計能力，可能能夠找到 PAH 暴露與特定發育問題之間更強的相關性。與此同時，研究人員還將深入研究神經化學的複雜性，以尋找新的生物標記物，這將使他們能夠更好地衡量大腦中導致生長和學習問題的精確變化。
這項研究已經將科學家帶入表觀遺傳學領域，表觀遺傳學是研究可遺傳的、環境誘導的變化，這些變化會改變基因的功能，而不會像 PAH 加合物那樣改變其 DNA 程式碼的潛在序列。根據佩雷拉的說法，已經有一些證據表明，PAH 可能導致基因活性的表觀遺傳變化，而這些變化無法透過尋找遺傳密碼本身的斷裂或中斷來識別。由於加合物不能代表這些表觀遺傳變化，佩雷拉和其他分子流行病學家開始轉向其他生物標記物，例如 DNA 甲基化，即甲基 (CH3) 基團與遺傳物質的附著。甲基化通常會使基因沉默，一些證據表明，甲基化會隨著 PAH 暴露而增加，並阻止基因產生參與抑制某些疾病（包括癌症）的蛋白質。
如果表觀遺傳變化被證明在改變兒童的生長和學習能力方面至關重要，那麼計算甲基基團的數量最終可能成為衡量汙染對大腦影響的更好劑量計，而不是計算 PAH-DNA 加合物。潼梁研究可能有助於解決這個問題，因為佩雷拉和唐德良計劃分析他們所有的潼梁血液樣本中的 DNA 甲基化，甚至可能分析其他表觀遺傳生物標記物。
有朝一日，醫生或許能夠測試一系列生物標記物——包括遺傳和表觀遺傳——來評估兒童患各種健康和發育問題的總體風險。然而，就目前而言，像潼梁廢棄煤棚裡的那個女孩這樣的兒童將不得不依靠他們的政府來保護他們免受 PAH 和其他有害空氣汙染物的侵害，佩雷拉從不放過任何機會敦促政府官員這樣做。“潼梁之所以重要，是因為它表明政府可以採取具體行動來減少暴露，”她斷言。“我們不僅是猜測，還可以衡量改進。”衡量因果關係的能力在中國和其他快速發展的國家尤其重要，這些國家正在就繼續嚴重依賴煤炭還是轉向更清潔但更昂貴的能源做出艱難的選擇。
佩雷拉說，分子流行病學的複雜性和不確定性不應掩蓋她在 29 年的時間裡積累的資料的總體資訊，這些資料用於研究空氣汙染對芬蘭、波蘭、中國以及她在上曼哈頓哥倫比亞大學附近的社群的健康影響。她解釋說，這個資訊在發達國家和重度汙染的中國都同樣重要，因為 PAH 是一種無處不在的汙染物，即使在相對較低的濃度下也能夠影響兒童。在紐約市，空氣中 PAH 水平比潼梁低 10 倍以上，“我們已經能夠衡量對胎兒生長減少和神經發育影響的影響，”佩雷拉指出。“這不是一些模糊的、理論上的威脅，可能會或可能不會透過更多研究證明其有效性。我們已經掌握了所有必要的證據，可以立即減少這些暴露。”
即使佩雷拉和唐德良繼續分析他們的潼梁資料，他們也在尋找機會啟動一項規模更大的研究，該研究基於與潼梁工作相同的前後假設。“這將需要找到恰到好處的地點，在恰到好處的環境中的魔力，”她說。“我們已經睜大眼睛尋找那個地點。”
注：本文最初標題為“中國的煙霧兒童”。
