Biomonitoring – význam a použití pro hodnocení expozice populace chemickým (toxickým) látkám z prostředí

Souhrn

Biomonitoring je nástroj využívaný v posledních letech stále častěji k ověření expozice populace chemickým látkám z prostředí, ke sledování časových trendů zátěže, k posouzení zdravotních rizik a ověření účinnosti nápravných opatření. Jedná se o sledování koncentrace chemických látek, jejich metabolitů či patofyziologických změn souvisejících s expozicí, souhrnně označovaných jako biomarkery, v tělních tekutinách a tkáních člověka. Referenční hodnoty (95% percentil naměřených hodnot) charakterizují horní limit expozice dané populace. Pro některé biomarkery jsou definovány i zdravotně významné limitní hodnoty, jejichž překročení signalizuje možné populační zdravotní riziko. V České republice probíhá biomonitoring od r. 1994 v rámci Systému monitorování zdravotního stavu populace ve vztahu k prostředí. Jsou sledovány koncentrace vybraných kovů (Pb, Cd, Hg) v krvi, moči i vlasech, perzistentní chlorované organické látky (DDT, PCB) v lipidové složce mateřského mléka a krve. Článek uvádí požadavky na odběr a analýzu vzorků a zmiňuje interpretaci výsledků. Harmonizace postupů při realizaci biomonitoringu v rámci Evropy je řešena v rámci projektu 7. RP EU COPHES.

Klíčová slova:
biomonitoring, expozice populace, referenční a limitní hodnoty.

Úvod

Zdraví člověka a kvalita jeho života jsou nepochybně ovlivněny charakterem prostředí, jehož je lidská společnost nedílnou součástí. Mezi významné faktory prostředí patří i chemické látky vyvíjené, vyráběné a používané člověkem v průmyslu, zemědělství, v medicíně i jako součást spotřebitelských výrobků. V průběhu druhé poloviny minulého století byla postupně shromážděna řada důkazů o tom, že kromě nesporných výhod vyplývajících z jejich mnohostranného využití mohou chemické látky představovat i rizika pro zdraví člověka i kvalitu prostředí.

Zvyšující se zájem veřejnosti o přítomnost chemických látek v životním prostředí, především v potravě, ale i v ovzduší či pitné vodě, se projevuje intenzivním sledováním informací o možných negativních důsledcích na zdraví a četnými diskusemi na toto téma. Obavy z poškození zdraví jsou často umocněny i (mnohdy dramatickou) prezentací této problematiky médii (např. dioxiny v mateřském mléce či metylrtuť v rybách), což na jedné straně sice správně upozorňuje na možné problémy a na nutnost jejich řešení, na druhé straně ale může vyvolat až nepřiměřené obavy z ohrožení zdraví především u osob zvýšeně dbajících o své zdraví nebo u rodičů obávajících se o zdraví svých dětí. Se svými obavami, nejistotami a dotazy na správné postupy při jejich řešení se pak nejčastěji obracejí na svého praktického lékaře; požadují jednoznačná, jasná a srozumitelná vysvětlení a vyšetření směřující k potvrzení či vyvrácení svých obav. Je proto důležité, aby lékař byl orientován v této problematice a mohl svým pacientům i svému okolí požadované informace a pomoc poskytnout.

Jakou informaci může praktický lékař poskytnout svým pacientům?

Hodnocení zdravotních rizik faktorů prostředí a jejich závažnosti pro populaci patří mezi významné činnosti orgánů ochrany a podpory zdraví (25) a je určeno jednotným metodickým postupem (22). Celý proces včetně interpretace, návrhů na opatření a komunikace s veřejností je však orientován na populaci či rizikovou populační skupinu, zatímco na praktického lékaře se obrací jedinec, konkrétní pacient, který se domnívá, že je ve svém pracovním nebo běžném (domácím) prostředí v kontaktu s nebezpečnými chemickými látkami nebo se jich obává v důsledku informací prezentovaných v médiích.

Protože nežádoucí účinek chemických látek z prostředí na zdraví může nastat pouze tehdy, pokud je člověk dané chemické látce skutečně exponován, je rozhodujícím krokem pro posouzení zdravotního rizika průkaz expozice.

Jak lze zjistit a ověřit, zda dotyčný jedinec byl či je exponován?

Metodický přístup umožňující toto zjištění, který v posledních letech nabývá celosvětově na významu, je humánní biomonitoring, který představuje důležitou spojnici mezi expozicí, dávkou, efektem a poškozením zdraví. Biomonitoring (v anglosaské literatuře Human Biomonitoring) lze obecně definovat jako detekci a systematické sledování koncentrace chemických látek, jejich metabolitů či patofyziologických změn, prokazatelně souvisejících s expozicí, v tělních tekutinách, tkáních či buněčných systémech organismu člověka. Tento přístup má dlouhou tradici v pracovním lékařství, kde se tyto metody používají od 50. let 20. století pod názvem biologické expoziční testy (BET) jako součást preventivních prohlídek u pracovníků v riziku expozice chemickým látkám (2, 20). Stále častěji je však tento metodický přístup aplikován i pro ověření expozice a zátěže běžné, profesně neexponované populace. Cílem tohoto populačního biomonitoringu prováděného na regionální, národní či dokonce mezinárodní úrovni je zjistit

• zda sledovaná chemická látka je v tělních tekutinách definované populační skupiny prokazatelná,
• zda existuje závislost koncentrace na věku, pohlaví, regionu či dalších faktorech,
• zda je při dlouhodobém monitoringu pozorována změna časového trendu, a 
• zda dochází k poklesu hodnot v souvislosti s aplikací preventivních opatření (1).

Parametry sledované v rámci biomonitoringu jsou obecně nazývány biomarkery. Nejčastěji se používá průkaz přítomnosti a koncentrace sledované látky či jejích metabolitů v tělních tekutinách a tkáních (tzv. biomarkery expozice) (7, 21). Tento údaj dokládá vstup dané látky do organismu (interní dávku) a signalizuje její nabídku kritickým cílovým tkáním a buněčným systémům. Jako klasický příklad lze uvést např. sledování hladiny olova v krvi (plumbemie) či sledování kotininu (metabolitu nikotinu) v moči či krevním séru při expozici tabákovému kouři.

Pro další upřesnění vztahu mezi expozicí a účinkem lze použít i mnohem sofistikovanější metody molekulární dozimetrie, které prokazují biologicky účinnou dávku – dokládají reakci sledované chemické látky s cílovými (DNA) nebo náhradními makromolekulami (hemoglobin, albumin) za vzniku aduktů poškozujících bezchybný přenos genetické informace (19).

Ani v tomto případě nelze klást jednoznačné rovnítko mezi průkazem těchto změn a poškozením zdraví; přítomnost aduktů a jejich množství však potvrzuje kontakt dané látky s kritickými místy molekuly, a tedy i vyšší pravděpodobnost nežádoucího účinku.

Biomarkery účinku jsou pak již zaměřeny na patofyziologické změny předcházející vývoj klinicky prokazatelného onemocnění. Jsou významným ukazatelem časných, ještě reverzibilních změn predikujících možnost nevratného zdravotního poškození, které se může projevit až s mnohaletým časovým odstupem. Příkladem jsou nádorová onemocnění s odstupem až několik desetiletí mezi expozicí karcinogennímu faktoru a diagnózou maligního procesu. Časné odhalení expozice pomocí biomarkerů účinku umožní uskutečnit preventivní opatření ještě ve fázi reverzibility procesu a významně tak snížit budoucí riziko.

Jediným validovaným markerem tohoto typu je až dosud detekce získaných chromozomových změn v lymfocytech periferní krve vyvolaných expozicí faktorům s genotoxickým účinky (16). Tento skupinový expoziční test lze využívat u profesionální expozice genotoxickým karcinogenům (např. expozice při výrobě a aplikaci cytostatik).

U běžné, profesionálně neexponované populace jsou metody molekulární dozimetrie a cytogenetická vyšetření pro náročnost provedení používány převážně jen v cílených epidemiologických studiích (5).

Jsou známy výsledky biomonitoringu pro českou populaci?

Přestože humánní biomonitoring je předmětem intenzivního zájmu odborníků hodnotících a řídících zdravotní rizika faktorů prostředí, není mnoho států, které by systematicky a dlouhodobě sledovaly expozici populace tímto způsobem. CDC v Atlantě organizuje a provádí biomonitoring dětské i dospělé populace USA již od začátku 80. let v rámci širšího programu National Health and Nutrition Examination Survey (NHANES) s postupně se rozšiřující paletou biomarkerů od pouhého monitorování olova v krvi až po celkem 148 chemických látek v krvi či moči sledovaných v současné době (2009) (6).

Dlouholetou tradici má humánní biomonitoring ve Spolkové republice Německo, kde tento typ šetření probíhá od r. 1985 pod názvem German Environmental Survey (GerES) nejprve v historických zemích, od r. 1989 pak ve všech zemích SRN (24). Komise pro humánní biomonitoring v SRN současně posuzuje relevantnost publikovaných epidemiologických studií a na základě dostupných dat navrhuje pro chemické látky zdravotně významné limitní hodnoty v tělních tekutinách a tkáních (18).

Rovněž Česká republika patří mezi státy s dlouhodobým programem monitorujícím vztah prostředí a zdraví. Systém monitorování zdravotního stavu české populace ve vztahu k prostředí (dále MZSO) byl iniciován již v r. 1991 Usnesením vlády České republiky č. 369/1991 a rutinně je provozován od r. 1994. MZSO je řízen Ministerstvem zdravotnictví a realizován Státním zdravotním ústavem (SZÚ) a příslušnými zdravotními ústavy. Představuje ucelený systém sběru dat, zpracování a hodnocení informací o stavu složek životního prostředí a o jejich vlivu na zdravotní stav české populace včetně humánního biomonitoringu (7, 9, 13).

U reprezentativní části dětské i dospělé populace se sledují vybrané toxické kovy v krvi, moči, popř. i ve vlasech a prvky s benefitním (příznivým) účinkem. V lipidové frakci krevního séra a mateřského mléka jsou měřeny hladiny hlavních zástupců perzistentních chlorovaných organických látek (DDT a další vybrané pesticidy, polychlorované bifenyly). Kotinin v moči dětí i dospělých slouží k ověření pasivní expozice tabákovému kouři. Expozice genotoxickým faktorům prostředí byla až do r. 2008 sledována vyšetřením získaných chromozomálních změn.

Výroční odborné zprávy o biomonitoringu jsou uveřejněny na webových stránkách SZÚ (www.szu.cz). Základní údaje jsou obsaženy i v Souhrnné výroční zprávě zahrnující data celého projektu. Výsledky jsou prezentovány formou popisné statistiky pro příslušné populační skupiny, regiony a roky a jsou tak k dispozici jako informační zdroj pro další resorty i širší odbornou veřejnost, tedy i pro praktické lékaře.

Jak lze data biomonitoringu interpretovat?

Na rozdíl od standardních hematologických, biochemických, imunologických a dalších individuálních vyšetření, které si lékař vyžádá pro stanovení či upřesnění diagnózy a pro něž je definováno rozmezí fyziologických a patologických hodnot, nemají výsledky humánního biomonitoringu přímý vztah k poškození zdraví. Tato data mají v principu populační charakter; charakterizují expozici a zátěž definované, v podstatě zdravé populace s přihlédnutím k věku, pohlaví, bydlišti, vývoji časových trendů a odezvy případných preventivních opatření (12). Jsou tedy vnímány jako skupinové parametry pro pozaďovou populační zátěž.

Průkaz chemické látky či fyziologických změn v lidském organismu v rámci biomonitoringu potvrzuje, že dotyčný jedinec či skupina byl dané látce či faktoru skutečně exponován, neznamená to však ještě poškození zdraví. Analytické metody dostupné a používané v současné době jsou natolik citlivé, že umožňují prokázat v tělních tekutinách a tkáních organismu i nepatrné koncentrace (na úrovni ng či pg) sledované chemické látky, metabolitu nebo velmi jemné odchylky fyziologických parametrů, které jsou pro danou populaci běžné, normální a které organismus dokáže odstranit nebo se s nimi bez problémů vyrovnat.

Rozmezí individuálních hodnot v rámci populace je obvykle značně široké a reflektuje odlišnosti dané životním a pracovním prostředím i způsobem života včetně stravovacích zvyklostí. Pro charakterizaci populační úrovně expozice, popř. zátěže, jsou na základě dostatečně velkého souboru individuálních dat stanovovány a používány referenční hodnoty (11).

Referenční hodnota vychází z deskriptivní statistiky a je definována jako 95% percentil hodnot sledovaného biomarkeru, respektive jeho horní hranice intervalu spolehlivosti (14) za předpokladu, že výsledky byly získány u dostatečně velké, reprezentativní populační skupiny, že vzorky tělních tekutin byly správně odebrány a že pro analýzu byla použita dostatečně citlivá analytická metoda v laboratoři s definovanou kontrolou kvality (např. akreditace). Referenční hodnotu lze pak považovat za hodnotu platnou pro celou, takto definovanou populaci.

Pro českou populaci byly do současné doby stanoveny referenční hodnoty pro olovo, kadmium a rtuť v krvi a moči dospělé populace a dětí ve věku 7–10 let pro období 2001–2003 (3, 10) (tab. 1a, 1b).

Pro srovnání uvádíme v tab. 2 referenční hodnoty platné pro německou populaci za v podstatě shodné období (17, 23). Vzhledem k předpokládaným změnám zátěže populace v čase jsou v současné době referenční hodnoty pro českou populaci aktualizovány na základě dat z období 2005–2009.

Referenční hodnoty jsou užitečný nástroj pro porovnání výsledků z různých studií, protože vymezují určitou bazální úroveň populační expozice v definovaném čase a prostoru. Nepředstavují však kriteria, která by vymezovala zdravotní rizika expozice. K tomu slouží zdravotně významné limitní hodnoty.

Limitní hodnoty, které by se vztahovaly ke zdravotnímu účinku pro běžnou populace a jejichž překročení by mohlo signalizovat možné poškození zdraví, jsou průběžně určovány na základě dostupných výsledků toxikologických a epidemiologických studií. Existují však dosud jen pro malý počet látek; pro většinu environmentálních xenobiotik není dosud pro jejich stanovení dostatek odborných podkladů. Zdravotně významné limitní hodnoty stanovuje průběžně Komise pro humánní biomonitoring v SRN a její závěry jsou používány i v České republice (18). Tato komise navrhuje v tomto směru dva stupně zdravotně významných limitních hodnot (tab. 3).

Limitní hodnoty I. stupně představují určitou varovnou hodnotu, jejich překročení vyžaduje další kontrolní měření a podrobnější sledování expozice, identifikace zdroje expozice a zavedení opatření ke snižování expozice.

Limitní hodnoty II. stupně pak vymezují již reálné zdravotní riziko a jejich překročení je důvodem pro aktivní řešení problému včetně sledování individuální expozice, lékařských vyšetření, intervencí, apod.

Jak hodnotit a interpretovat individuální výsledky?

Individuální výsledek lze porovnat na základě začlenění naměřené individuální hodnoty v rozmezí ohraničeném

• a) referenční hodnotou pro danou populační skupinu, a 
• b) zdravotně významnou hodnotou pro danou látku – pokud pro tuto chemickou látku existuje.

Individuální hodnoty se obvykle pohybují v rozmezí ohraničeném referenční hodnotou (95% percentil) pro danou populační skupinu. Jak je však patrné z definice referenčních hodnot, u 5 % osob se jedná o koncentrace tuto hodnotu převyšující. Pokud jsou stanovené zdravotně významné limitní hodnoty a individuální hodnoty těchto limitů nedosahují, není důvod ke znepokojení.

Obtížnější je interpretace individuálních výsledků v případě, že:

• a) individuální hodnoty jsou vyšší než zdravotně významné limity pro danou látku,
• b) zdravotně významné limity pro danou noxu nejsou stanoveny, nebo
• c) pro danou látku není k dispozici dostatek relevantních dat, které by umožnily odhad referenčních hodnot z hlediska geografické oblasti a populační skupiny.

Ad a):

Pokud individuální hodnoty převyšují zdravotně významné limitní hodnoty, pak je nutno tuto hodnotu ověřit opakovaným měřením, anamnesticky pátrat po důvodu zvýšené expozice:

• zaměstnání,
• znečištění lokálního prostředí (např. průmyslovými podniky, dopravou),
• životní styl (např. kouření),
• stravovací zvyklosti,
• zájmová činnost apod.

Na základě těchno zjištění zvážit návrhy preventivních a intervenčních postupů a jejich účinek s odstupem času ověřit.

Ad b):

Pokud zdravotně významné limity nejsou k dispozici, lze při interpretaci vycházet z referenčních hodnot tuzemských nebo zahraničních, znalosti závažnosti zdravotního významu expozice s přihlédnutím k zvýšeně vnímavým populačním skupinám pro dané xenobiotikum:

• děti, ženy v reprodukčním věku, apod.,
• k životnímu stylu (kuřáctví, stravovací zvyklosti), a 
• k reálnosti expozice v dané geografické oblasti.

Ad c):

Pokud nejsou k dispozici referenční hodnoty pro českou populaci, lze s určitým omezením využít referenčních hodnot určené pro populaci žijící v obdobných geografických celcích; pro Česko lze využít např. údaje ze Spolkové republiky Německo, Polska či Slovenska).

Co je nutno zvažovat před realizací biomonitoringu?

Výběr vhodného biomarkeru

Vychází z reálné možnosti expozice populace a toxikologické závažnosti sledovaných faktorů prostředí. Spektrum biomarkerů vhodných a ověřených pro sledování expozice faktorům prostředí je limitováno na několik desítek; většinou se jedná o vybrané toxické kovy (Pb, Cs, As, Hg), některé organické látky deponované v lipidových složkách organismu (DDT, PCB apod.), metabolity ftalátů, polycyklických aromatických uhlovodíků nebo mykotoxinů vylučovaných močí; z biomarkerů účinku lze pak zmínit získané cytogenetické změny (chromozomální zlomy a výměny, mikrojádra, apod.) (15).

Pro řadu expozičních faktorů tak dosud není vhodný biomarker k dispozici. Validace nového biomarkeru, zejména z oblasti molekulárních změn je odborně, časově i finančně značně náročný proces.

Volba vhodné tělní tekutiny či tkáně

Pro sledování expozice chemickým látkám z prostředí je nutno zvolit vhodnou tělní tekutinu s ohledem na cíl, kterého chceme dosáhnout a konkrétní látku či faktor. Při výběru vhodné tělní tekutiny a časovém nastavení odběrů se přihlíží k k toxikokinetice a toxikodynamice sledované látky (12). U biomonitoringu běžné populace je z etických důvodů upřednostňován neinvazivní odběr (moč, vlasy, mateřské mléko), ale pro sledování některých ukazatelů je vzorek krve, respektive séra nepostradatelný (např. olovo).

Výsledky získané v různých tělních tekutinách mají i rozdílnou výpovědní hodnotu. Koncentrace kadmia v krvi vypovídá např. o úrovni akutní zátěže především v souvislosti s kouřením, zatímco hladina kadmia v moči reflektuje dlouhodobou zátěž organismu v důsledku depot Cd v ledvinné tkáni. Látky lipofilní povahy nelze prokazovat v moči, ale pouze v tekutinách obsahujících tuk (mateřské mléko, krev).

Pro některé látky, které jsou přítomné i v prostředí analyzujících laboratoří a mohly by způsobit falešnou pozitivitu v důsledku zevní kontaminace vzorku, lze jako biomarkery volit metabolity těchto látek vylučované močí (např. 1-OH pyren pro polycyklické aromatické uhlovodíky nebo metabolity ftalátů), kde možnost kontaminace vzorku z prostředí nehrozí.

Pro ověření dlouhodobé zátěže lze použít i nehty nebo vlasy (např. arzén, metylrtuť) (4).

Odběry tělních tekutin a tkání

Základním požadavkem pro dosažení správných a přesných výsledků biomonitoringu je standardizace odběru vzorků tělních tekutin a tkání (8). Při realizaci odběrů biologických vzorků je nezbytné postupovat podle předem vytvořeného Standardního operačního protokolu, který definuje jednotlivé kroky při odběrech a způsob manipulace se vzorky až do jejich předání analyzující laboratoři. Při odběrech je nutno respektovat požadavky analyzujících laboratoří na množství a způsob odběru vzorků biologického materiálu, na vhodné odběrové nádobky a způsob uskladnění až do doby provedení příslušného vyšetření. Při analýze kovů je nutno zabránit sekundární kontaminaci vzorku krve chromem, niklem, manganem a železem v důsledku použití nerezové jehly.

Pro odběr vzorků určených k analýze organických látek nejsou vhodné plastové odběrové nádobky, které mohou přispět ke kontaminaci vzorku organickou látkou uvolňující se z plastu (8). Nezbytným požadavkem je použití odběrových nádobek stejného původu a šarže pro všechny vzorky v rámci biomonitoringu; jinak by při nepatrných koncentracích sledovaných látek v tělních tekutinách mohl být výsledek zkreslen těmito rozdíly.

Analytické postupy

Analyzující laboratoře a zvolené analytické postupy musí poskytovat garanci přesnosti a správnosti a srovnatelnosti dat. Není možno porovnávat výsledky získané různými analyzickými metodami; každý slediovaný biomarker je nutno stanovovat jednotným, předem určeným laboratorním postupem. Ideální je provádění analýz v jedné laboratoři, pokud možno kontinuálně a se stejnými šaržemi chemikálií a dalších laboratorních pomůcek; tím se limituje interlaboratorní i intralaboratorní variabilita.

Databáze a statistické zpracování dat

Všechny údaje získané v rámci biomonitoringu musí být před vložením do databáze anonymizovány a zakódovány. Vzhledem k tomu, že získaná data mají převážně log-normální rozložení, používá se pro statistickou analýzu neparametrických metod (např. Kruskal-Wallisův test, mediánový test). Při zpracování dat je nutno zohlednit rozdíly dané věkem, pohlavím, regionem, životními zvyklostmi (zejména kuřáctví), apod.

Význam a využití dat biomonitoringu

Tato informace je důležitá především z hlediska hodnocení populační zátěže, protože umožňuje formulovat zdravotní politiku státu a navrhovat preventivní opatření pro populaci nebo její více ohroženou část. Vybrané biomarkery expozice jsou proto v řadě států včetně Česka dlouhodobě sledovány (monitorovány) u populace bez profesní zátěže s cílem zjistit současný stav expozice populace či populačních skupin (pozaďové hodnoty) a sledovat její vývoj v čase či v závislosti na změnách. Současně je možno tímto způsobem ověřit i účinnost realizovaných preventivních opatření. Typickým příkladem je postupný pokles hladiny olova v krvi v souvislosti se zákazem používání olovnatého benzinu (u nás v r. 2001).

Význam biomonitoringu z mezinárodního hlediska

Data biomonitoringu získaná na národní úrovni jsou důležitou dokumentací při plnění mezinárodních dohod, vztahujících se k regulaci znečištění prostředí, k nimž se Česká republika zavázala. Jako příklad lze uvést Stockholmskou Úmluvu, která od r. 2001 zavazuje smluvní strany k odstranění výroby a použití nebo k omezenému užívání vybraných perzistentních organických látek definovaných Úmluvou (např. chlorované pesticidy, polychlorované bifenyly). Efektivita plnění této úmluvy je dokládána mimo jiné i biomonitoringem zmíněných látek v mateřském mléce vykazujícím postupný klesající trend.

V prosinci r. 2009 byla v rámci Evropského akčního plánu prostředí a zdraví zahájena pilotní studie projektu COPHES, jejímž cílem je sjednotit postupy biomonitoringu ve státech Evropské Unie i v dalších státech Evropy (Norsko, Švýcarsko). Této studie se účastní i Česká republika; očekávaným výstupem je harmonizace jednotlivých kroků nutných k realizaci biomonitoringu a na jejich základě definovat referenční hodnoty pro státy EU, mapovat časové trendy a dle potřeby navrhnout preventivní opatření.

Práce částečně podpořena projektem 7. RP EU COPHES (Consortium to Perform Human Biomonitoring on a European Scale) (Contract No. 244237).

prof. MUDr. Milena Černá, DrSc.
3. LF UK, Ústav obecné hygieny
Ruská 87
100 00 Praha 10
E-mail: milena.cerna@lf3.cuni.cz