编者按：这篇文章发表在《大众科学》八月刊。
几堆废金属和一个生锈的煤棚是这座发电厂仅存的遗迹，直到最近，它还像一条巨大的、喷吐浓烟的巨龙一样蹲在潼梁市中心，潼梁是中国中南部一个拥有10万人口的灰色城市。当我们走向棚屋时，一只比利时牧羊犬开始狂吠，猛烈地拉扯着铁链，露出尖牙。一双棕色的眼睛从敞开的门口向外窥视——那是一个穿着污迹斑斑衬衫的女孩，她抱着一只虎斑猫，当我们靠近时，猫跳开躲到一块水泥板下。这个女孩最多六七岁，似乎和她的父亲一起住在棚屋里，她的父亲警惕地从里面看着我们。
带我们参观现场的当地官员代表团感到尴尬；他们想匆匆带我们去附近的办公室，向我们展示一个精心制作的比例模型，这是一个为该地块规划的（按潼梁标准）豪华的900户住宅开发项目。但弗雷德里卡·佩雷拉很感兴趣。她走向那个女孩，友好地说了声“你好”，并露出了笑容。女孩也笑了笑，然后和她的父亲一起退回到阴影中。
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毕竟，儿童是佩雷拉来到这里的原因。她正在寻找空气污染与疾病之间的联系，尤其是在子宫内暴露于污染物的儿童中。作为哥伦比亚大学儿童环境健康中心的负责人，佩雷拉帮助开创了分子流行病学领域，该领域应用分子分析工具来识别导致疾病的遗传和环境因素。她和其他专注于环境与疾病联系的分子流行病学家越来越多地在发展中国家开展大部分工作，在发展中国家，污染无处不在，即使在小规模研究人群中，也可以校准其与健康的复杂联系。但他们的结论也应适用于美国、欧洲和日本等地，在这些地方，环境暴露更为微妙，其影响更难以在小规模研究中衡量。
无论他们在哪里工作，分子流行病学家的研究方法的独特之处在于他们寻找与毒性暴露和疾病密切相关的生物指标。通常，这些标记物以与 DNA 结合的化学物质或基因结构或活性的变化的形式出现，这些变化与特定类型的污染物和疾病相匹配。现在，DNA 微阵列和其他筛选技术使得测量许多此类生物标记物变得容易得多，因此，至少在理论上，常规使用此类工具可以通过识别面临特定污染物风险的人群来挽救生命。
然而，这门科学仍然存在争议，因为相对较少的候选易感性、暴露或早期疾病的分子生物标记物已得到充分验证——即，被证明预示着未来的疾病——而且因为很难排除混杂变量，例如饮食和遗传倾向，这些变量可能至少与污染物暴露一样重要，导致各种疾病。更困难的是掌握这些不同的风险如何相互作用以影响健康。
因此，在佩雷拉发表关于该主题的第一篇论文 25 年多后，分子流行病学的进展比其设计者最初希望的要慢，研究人员之间的共识是，无论理论上听起来多么诱人，现实世界的复杂性限制了它的用处。最初对少数特定生物标记物（肿瘤抑制蛋白 p53 是一个突出的例子）的变化可能是早期疾病的可靠指标的想法的热情已经消退，因为研究人员已经确定了许多疾病更复杂的病因，涉及一系列生化变化。“你可以说早期的接受有点过于热情。已经有一些过早的声明，”佩雷拉承认。“使用生物标记物进行早期检测和定制管理治疗的承诺已被证明并非易事。”
但是现在，在潼梁，佩雷拉相信她已经找到了分子水平环境流行病学的最佳案例——她和她的哥伦比亚同事唐德良正在获得结果来支持她的乐观态度。他们取得发现的过程几乎和他们的发现一样有趣。
“生物剂量计”
自从 1979 年开始研究生物标记物以来，佩雷拉最感兴趣的是 PAH-DNA 加合物，她和唐德良现在正在测量暴露于潼梁发电厂尾气的儿童的白细胞中的 PAH-DNA 加合物。PAH，或多环芳烃，是由有机物（尤其是煤炭，但也包括其他化石燃料、香烟甚至烧烤肉）不完全燃烧形成的大量化合物家族。它们是世界上最广泛和最有害的空气污染物之一。佩雷拉最感兴趣 PAH 的是它们粘稠的分子结构。许多 PAH 很容易与 DNA 形成紧密的共价键。这些融合的污染物-DNA 复合物，或加合物，会扰乱细胞分裂期间基因组的复制，从而改变促进或抑制疾病的基因的功能。
潼梁上空耸立的燃煤电站是 PAH 的维苏威火山，它在 2004 年的关闭几乎一夜之间改变了该城市的环境条件。这使得潼梁在流行病学领域变得非常罕见：一个衡量空气污染物前后健康影响的可行实验室。这座城市仍然远非原始，但过往的汽车不再从街道上扬起黑色的煤烟云，家庭可以将洗好的衣服挂在外面晾干几分钟以上，而白衬衫不会变灰。哥伦比亚团队在潼梁周围安装的空气污染监测器证实了这些改善：空气中最重要的 PAH 之一，苯并[a]芘或 BaP 的浓度在 2002 年至 2005 年间下降了约 30%。其他 PAH 的下降幅度更大。
然而，佩雷拉最感兴趣的变化发生在城市最年轻的居民身上。自 2002 年以来，她和唐德良以及重庆儿童医院的李廷玉一直在研究居住在电厂旧址两公里范围内的 450 名儿童，方法是从出生开始测试他们的 DNA 并测量他们的身心发育。研究人员的初步分析表明，2002 年出生的儿童（当时发电厂仍在运行）比 2005 年（电厂关闭一年后）出生的儿童头围更小，发育测试得分更差。分子水平也存在差异：2002 年潼梁新生婴儿白细胞中 BaP-DNA 加合物的浓度比三年后出生的儿童高约 40%。
也许最重要的是，在 2002 年出生的儿童中，测量的 BaP-DNA 加合物浓度与头围和发育测试分数密切相关。换句话说，儿童在子宫内 DNA 受到的损害越大，他们出生时头围越小，并且作为蹒跚学步的孩子，在运动技能和整体发育测试中得分越差的可能性就越大。2005 年出生的婴儿的相关性较弱，这表明随着总体水平下降，空气污染的风险会降低。佩雷拉此前的研究表明，加合物计数与癌症风险相关，因此 2005 年出生的儿童患癌症的可能性可能会略低。
佩雷拉说，潼梁的数据以及她之前在波兰和纽约市进行的早期研究表明，白细胞中加合物的测量是估计 PAH 对神经发育影响的可靠“生物剂量计”。她观察到，如果是这样，那么加合物测试有朝一日可能会成为儿科医生识别发育问题高风险儿童的武器库的一部分，从而需要早期干预。
约翰·霍普金斯大学的分子流行病学家约翰·D·格鲁普曼评论说，2002/2005 年的比较是“一个非常重要的发现”。“生物标记物验证的关键步骤之一是证明，如果您调节生物标记物，您可以显示对健康结果的影响。”
纽约州布朗克斯区蒙特菲奥雷儿童医院的约翰·F·罗森补充说：“我对佩雷拉博士取得的成就感到敬畏，他是一位长期的铅中毒研究人员，也曾在华工作。“毫无疑问，转化她的临床结果将促进中国和世界其他地区的儿童健康。”
发现潼梁
我和佩雷拉和唐德良一起到达潼梁的那天早上，正下着蒙蒙细雨。环绕城市三面的群山看起来很模糊，就像煤电厂运行时一样。中国这一地区的大部分电力来自水电，但由于融雪要到春季才会使长江水位上涨，许多较小的城市都依赖原始的燃煤电厂，这些电厂甚至缺乏基本的污染控制措施，以填补冬季的缺口。潼梁发电厂在 11 月至 5 月期间每月消耗超过 4,000 吨煤炭，而且这种煤炭尤其成问题，因为它含有非常高浓度的硫，因此燃烧不完全。富含 PAH 的灰烬和废气会从电厂 279 英尺高的烟囱中喷涌而出，像厚厚的毯子一样覆盖在低洼的城市上。
早在 2000 年，佩雷拉一直在寻找这样一个地方，以在她对 PAH-DNA 加合物作为疾病风险指标的二十年研究基础上继续深入研究。她的初步研究——有史以来首次在人类受试者中进行——测量了成年癌症患者肺组织中的加合物 [参见弗雷德里卡·P·佩雷拉的《揭示癌症风险的新线索》；大众科学，1996 年 5 月]，她继续测量了居住在纽约市污染社区和波兰工业城市克拉科夫的母亲和儿童的加合物。她的发现是，暴露于空气污染的人血液中的加合物水平较高，而这些高水平反过来又与已知的癌症和幼儿发育问题的风险因素的基因突变的存在有关。佩雷拉确定，空气更清洁的城市中的儿童加合物较少，患生长缺陷的可能性也较小。
尽管如此，她的研究规模很小，她无法排除未测量的生活方式差异，而不是污染，可能会解释她发现的居住在污染城市和未污染城市的母亲和儿童之间的健康和加合物水平的差异。现在，佩雷拉想通过寻找一个 PAH 排放量突然减少的城市来迈出下一步，从而可以在一个离散的人群中进行前后比较。
中国以其极端的环境问题和一个有能力一举关闭主要污染源的专制政府，是显而易见的寻找地点。而唐德良是指导佩雷拉设想的研究的最佳人选。唐德良是一位医生，也是上海本地人，他在佩雷拉的实验室接受了公共卫生博士培训，现在是她经常合作的研究人员。为了他的研究，他必须培训一小队中国医生和护士，从参加研究的母亲那里收集胎盘和脐带血，并在儿童成长过程中对他们进行认知测试。他还需要与一系列政府官员（从北京官僚到省级官员）谈判，以获得医院的合作，安排实验室空间，进口污染控制设备和出口血液样本——所有这些都是非常政治敏感的任务。
佩雷拉和唐德良在潼梁落户之前调查了 12 个候选地点，潼梁唯一的发电厂计划关闭，这是政府计划的一部分，旨在取代效率低下的燃煤电厂。潼梁之所以合适，不仅因为电厂即将关闭，还因为该市除了车辆交通外，其他重要的空气污染源相对较少。天然气已经取代了城市中的燃木和燃煤炉灶，该市没有大型工厂。同意参与的四家当地医院规模刚刚够大，可以共同产生足够的病例，以满足佩雷拉和唐德良计划的研究的统计要求：150 名非吸烟妇女，她们的怀孕期与电厂运营的月份重叠。在电厂关闭后的几年里，将对更多的母亲和新生儿进行测试。
但是，当佩雷拉和唐德良在 2002 年春天抵达潼梁开始招募孕妇参加研究时，他们发现自己身处争议之中。关于是否关闭发电厂的问题在潼梁已经酝酿多年。一些当地母亲甚至在政府会议期间站在外面，以沉默抗议继续运营——这在中国是一个非同寻常的举动。现在，市政府官员担心经济影响，正在考虑改造电厂或将其搬迁到城市边缘，而不是关闭它。哥伦比亚的研究人员不得不等待数月才能得到解决。最终，关于他们计划的研究的宣传帮助天平向关闭倾斜。旧烟囱在 2004 年 5 月喷出了最后一缕灰色的烟雾。
持续的并发症
三位焦虑的年轻父亲，他们都吸着烟，在潼梁县妇幼保健院拥挤的中央走廊里萎靡不振，离两块“禁止吸烟”标志不远。吸烟在中国男性中很普遍——一半的男性人口和三分之二的 25 岁以下成年男性经常吸烟——护士和医生似乎已经放弃了强制执行禁令。
在走廊尽头的一个房间里，医务人员正在全神贯注地照顾一个名叫李俊山的男孩，他出生于 2002 年春天，当时发电厂仍在强劲运转。李俊山是潼梁研究最初的 150 名受试者之一，但今天没有任何迹象表明他除了是一个健康、活泼的五岁儿童之外还有什么——活泼到一周前在操场事故中摔断了锁骨。李俊山今天来医院不是因为锁骨受伤，而是为了佩雷拉和唐德良的研究而进行的年度发育评估。目前，他正坐在椅子边上，兴奋地用中文喊着数字——“八！”……“三！”……“七！”——回答一位名叫徐坦的年轻儿科医生提出的简单算术问题。她的目标是评估李俊山的智力和身体发育；测试结束后，谭医生将称量他的体重并测量他的身高和头围。
医院里的场景说明了分子流行病学的一个关键挑战。佩雷拉和唐德良正在仔细研究的生长和发育缺陷与产前 PAH 污染暴露有关，这些缺陷是微妙的，并且可能有多种原因——包括二手烟，例如走廊另一端吸烟的父亲散发出的烟雾。研究人员试图通过只招募非吸烟、低风险妊娠的母亲，并询问母亲的教育程度、家庭吸烟习惯以及通过烤肉和其他食物以及其他一些可能的混杂解释暴露于 PAH 的情况来解决替代原因的问题。研究人员还测量了血液中的神经毒性金属和抗氧化剂，因为这些也可能影响儿童发育。因此，他们有理由相信，他们在潼梁儿童的加合物计数与几项重要的生长和学习指标之间发现的相关性主要源于空气污染暴露。
虽然具有统计学意义，但 2002 年（当时发电厂仍在运行）出生的潼梁儿童与 2005 年（电厂关闭后）出生的潼梁儿童之间的差异很小：头围和身高相差几毫米，体重相差一盎司，发育测试相差一两分。佩雷拉认为，结果表明，2002 年出生的儿童稍微更可能成为学习较慢的人，并且需要在学校获得额外的帮助，并且平均而言，他们的精细运动技能发展得比 2005 年出生的同龄人晚。
这些细微的健康影响一直是生物标记物研究中争论的焦点。在 20 世纪 70 年代和 80 年代，现任匹兹堡大学的赫伯特·L·尼德曼率先通过研磨婴儿牙齿并测量金属的痕量水平来研究人群中的铅水平，最终发现了与学习能力下降和不良行为的相关性。但是，尼德曼看到的神经系统问题的模糊性质以及他测量的非常低的铅水平使他的工作受到了铅行业的猛烈批评。最终，他的研究结果得到了重复，现在已被广泛接受为从汽油和油漆中去除铅的关键理由。同样，打击二手烟的行动也引用了测量可替宁（尼古丁最重要的分解产物）血液和尿液水平的研究。怀孕母亲和新生儿的可替宁水平已成为环境烟草烟雾与儿童广泛发育问题之间联系研究中广泛使用的标记物。
通过测量分子生物标记物来得出关于健康影响的结论，还存在另一个复杂的问题。仅仅因为铅、可替宁或 PAH-DNA 加合物的浓度很容易在血液中测量，并不意味着相同的剂量会到达大脑或其他可能发生有意义损害的器官。早期的一些加合物研究，其中一些是佩雷拉进行的，表明白细胞是诸如大脑和肺等靶器官的合理替代品，但污染物很少在全身均匀分布，即使它们是呼吸相同空气或饮用相同水的一致人群的一部分，代谢差异也可能导致个体之间存在巨大差异。
加合物与血液中铅和可替宁的测量相比，确实有一个重要的优势：它们不仅表明体内存在污染物，而且表明它正在产生可辨别的效果，在这种情况下是通过改变 DNA 分子。然而，在这里也存在一些很大的不确定性，因为对于加合物的形成如何导致儿童的发育问题尚无共识。在癌症研究中，佩雷拉最初使用加合物进行研究，这种联系在某种程度上更清晰，因为加合物扰乱细胞分裂期间准确基因组复制的能力可能会引发突变和其他遗传变化，从而导致恶性细胞的产生。但对于儿童的发育缺陷，这些理论更加模糊不清。
关于 PAH 可能如何影响大脑的主要观点之一涉及“神经修剪”，或受控的神经细胞死亡，这种死亡在发育中的大脑适应其环境并通过丢弃不需要的突触变得更有效时自然发生。PAH 的存在可能会通过将这个称为细胞凋亡的过程扩展到必需的突触（包括在子宫内和儿童早期）来改变大脑功能。另一个突出的理论是，PAH 会通过占据胎盘中的分子受体位点来破坏胎儿获取营养和氧气的能力。污染物还可能引发胎儿和幼儿释放改变新陈代谢的酶，并且还可能改变生长调节激素的水平。一些专家认为，最可能的答案是，大多数甚至可能所有这些机制都在对暴露于高浓度空气污染的儿童的大脑造成损害。
格鲁普曼说：“在过去 10 年中，我们了解到许多常见疾病中有多少途径。”格鲁普曼在中国和其他地方的研究主要集中在黄曲霉毒素与人类乙型肝炎病毒相互作用诱发肝癌。黄曲霉毒素由曲霉菌真菌产生，是中国和非洲普遍存在的食物污染物。“对于黄曲霉毒素和肝癌，您只处理一种化合物，并且处理在中国等国家非常常见的特定疾病。没有其他混杂来源，”他指出。他补充说，PAH 和儿童发育“是一个更为复杂的故事”。
下一步
佩雷拉和格鲁普曼都认为，下一步将是扩大规模和深入研究。更大规模的研究（可能涉及数千名儿童）具有更大的统计能力，可能能够找到 PAH 暴露与特定发育问题之间更强的相关性。与此同时，研究人员还将深入研究神经化学的复杂性，以寻找新的生物标记物，这将使他们能够更好地衡量大脑中导致生长和学习问题的精确变化。
这项研究已经将科学家带入表观遗传学领域，表观遗传学是研究可遗传的、环境诱导的变化，这些变化会改变基因的功能，而不会像 PAH 加合物那样改变其 DNA 代码的潜在序列。根据佩雷拉的说法，已经有一些证据表明，PAH 可能导致基因活性的表观遗传变化，而这些变化无法通过寻找遗传密码本身的断裂或中断来识别。由于加合物不能代表这些表观遗传变化，佩雷拉和其他分子流行病学家开始转向其他生物标记物，例如 DNA 甲基化，即甲基 (CH3) 基团与遗传物质的附着。甲基化通常会使基因沉默，一些证据表明，甲基化会随着 PAH 暴露而增加，并阻止基因产生参与抑制某些疾病（包括癌症）的蛋白质。
如果表观遗传变化被证明在改变儿童的生长和学习能力方面至关重要，那么计算甲基基团的数量最终可能成为衡量污染对大脑影响的更好剂量计，而不是计算 PAH-DNA 加合物。潼梁研究可能有助于解决这个问题，因为佩雷拉和唐德良计划分析他们所有的潼梁血液样本中的 DNA 甲基化，甚至可能分析其他表观遗传生物标记物。
有朝一日，医生或许能够测试一系列生物标记物——包括遗传和表观遗传——来评估儿童患各种健康和发育问题的总体风险。然而，就目前而言，像潼梁废弃煤棚里的那个女孩这样的儿童将不得不依靠他们的政府来保护他们免受 PAH 和其他有害空气污染物的侵害，佩雷拉从不放过任何机会敦促政府官员这样做。“潼梁之所以重要，是因为它表明政府可以采取具体行动来减少暴露，”她断言。“我们不仅是猜测，还可以衡量改进。”衡量因果关系的能力在中国和其他快速发展的国家尤其重要，这些国家正在就继续严重依赖煤炭还是转向更清洁但更昂贵的能源做出艰难的选择。
佩雷拉说，分子流行病学的复杂性和不确定性不应掩盖她在 29 年的时间里积累的数据的总体信息，这些数据用于研究空气污染对芬兰、波兰、中国以及她在上曼哈顿哥伦比亚大学附近的社区的健康影响。她解释说，这个信息在发达国家和重度污染的中国都同样重要，因为 PAH 是一种无处不在的污染物，即使在相对较低的浓度下也能够影响儿童。在纽约市，空气中 PAH 水平比潼梁低 10 倍以上，“我们已经能够衡量对胎儿生长减少和神经发育影响的影响，”佩雷拉指出。“这不是一些模糊的、理论上的威胁，可能会或可能不会通过更多研究证明其有效性。我们已经掌握了所有必要的证据，可以立即减少这些暴露。”
即使佩雷拉和唐德良继续分析他们的潼梁数据，他们也在寻找机会启动一项规模更大的研究，该研究基于与潼梁工作相同的前后假设。“这将需要找到恰到好处的地点，在恰到好处的环境中的魔力，”她说。“我们已经睁大眼睛寻找那个地点。”
注：本文最初标题为“中国的烟雾儿童”。
