用模型篩檢有害化學物質

編譯|高英哲

■許多人以為洗衣精跟地板清潔劑等等家用清潔產品,裡頭所用的化學物質都有經過嚴格的安全測試。不過事實的真相是:很少人知道現今約多達八萬種的商用化學物質裡,大多都有潛在的使用風險。

       業界一直試著撇清他們的產品跟科學尚無法證明的疾病來源之間有任何關連,然而民眾知道大公司為了賺錢,一定會說他們的產品安全無虞,所以對此都心存質疑。雙方面都尋求政府協助,美國負責監督市場上化學物質安全無虞的單位是環保署,環保署有權要求業界提供殺蟲劑的詳細毒性資料;然而就大多數其他的化學物質來說的話,環保署就必須指出哪種物質可能會對人類健康或環境產生危害,才能要求業界提供安全性資料。

廠商通常不會自願把毒性資料提供給環保署,環保署也沒有足夠的資源,透過傳統的活老鼠研究,評估數以萬計的化學物質是否有毒。因此環保署轉而採用計算模型,其中一個叫做 ToxCast 的化驗模型,利用約六百種高處理率的生化與細胞檢測分析,預估一口氣可以篩檢數千種化學物質;所得到的資料再跟既有的活體動物毒性資料,以及結構活動資訊進行整合,以此預估化學物質的毒性。

不過 ToxCast 有它的問題:大部份研發出來的化驗分析,都是用來篩檢藥物的,而不適合用來評估化學物質對環境的危害程度。比方說環境中會干擾甲狀腺功能的化合物,可以透過各種路徑影響人體,不過商業檢測只著重於其中一種會跟甲狀腺受器結合的化學物質;即使某種化學物質確實會干擾甲狀腺機能,只要它影響人體的路徑不同,就檢測不出來。

美國環保署已經成功研發出另一種甲狀腺化驗法,可監控人體是否吸入甲狀腺過氧化酵素;他們也針對其他目前 ToxCast 化驗法偵測不出來的其他化學反應,研發出一些新的檢測法。不過目前每年花在 ToxCast 的研究費用,只有區區七八百萬美元,實在是有些捉襟見肘。環保署對於人們暴露於化學物質之下劑量的掌握程度,甚至比他們對於化學物質毒性的了解還來得少,然而這兩者卻都是評估化學物質危險性的重要資訊。環保署已推出一項名叫 ExpoCast 的計畫,針對人們暴露於化學物質之下的劑量進行估計,不過這個計畫才剛起步而已。

ToxCast 在 2009 年便已完成第一階段的概念性實驗,準確預測出大約三百二十種殺蟲劑的毒性。美國環保署現正著手進行第二階段的化驗工作,將七百多種工業用途、消費產品、食物添加物、以及未能通過臨床試驗的藥物中,會用到的化學物質加以化驗。

雖然美國環保署打算將 ToxCast 的化驗資料,用於管制規範化學物質的相關決策,但事情卻進行得很不順利。第一個問題在於商用化驗法可以檢測出來的有害影響種類有限:這些化驗法主要是在篩檢出會致癌、造成不孕、發育不良跟內分泌失調的化學物質,有些毒物就被遺漏掉了。環保署研發部負責監督 ToxCast 研發進度的化學物質永續經營安全性研究計畫主持人蒂娜.巴哈多莉 (Tina Bahadori) 表示:「我們一開始推動這項計畫時,手頭上沒有資源從頭研發,所以只能將就於現有的化驗法。」

他們後來自己研發出一些化驗法,針對甲狀腺干擾素、粒腺體毒素、神經毒素等等化學物質進行篩檢。由於研究者對於會影響甲狀腺功能的毒物運作路徑已有很多了解,研發既有甲狀腺毒物商業檢測以外的化驗法,還算是頗有進展;然而人們對於會影響人體發育的神經毒素運作路徑目前所知不多,研發工作就不太順利。美國環保署的科學家們,利用可一次顯現數百個細胞其大小、形狀與位置的高解析度造影技術,搭配自動化的螢光顯微鏡,研究神經毒物如何影響老鼠大腦細胞,長出軸突並形成突觸的方式。

美國環保署還運用「微流體」 (microfluidics) 技術,模擬神經元網路的功能。微流體技術把神經元放在晶片上,每個晶片有六十四個電極,再把這些細胞暴露於各種化學物質之下,便能對其自發發訊的頻率與模式進行監控。「你可以把這看成一種試管腦電波圖。」環保署毒物學家提摩西.薛佛 (Timothy J. Shafer) 說。

至於化學物質對人體發育所產生的影響,美國環保署的研究員則是用斑馬魚來進行試驗,目前已經測試了上千種化學物質。斑馬魚成長得很快,從受精卵到孵成一條魚只需要五六天,因此研究起來比傳統得老鼠化驗要迅速多了;雖然速度比不上細胞化驗,不過斑馬魚具有完整的新陳代謝能力,這可是 ToxCast 許多高處理率的化驗法所沒有的。研究員利用斑馬魚,研究化學物質對血管、眼睛、心跳與體型的影響。這些人體系統整合得非常密切,用細胞分析很難看出個所以然。除了斑馬魚以外,美國環保署的研究員也利用老鼠胚胎幹細胞跟人類誘導性多功能幹細胞,評估化學物質對人體發育的影響。

美國環保署研發部國家計量毒物學研究中心主任羅素.湯馬斯 (Russell S. Thomas) 說:「為了研發這些化驗法,我們投入相當多的時間與精力。」但即便如此,仍然有 ToxCast 力有未逮之處,比方說藥物動力學便是一例。「你可能手上有個非常有效的藥物,但一下子就被你的身體清理掉了,根本發揮不了作用。」另一個 ToxCast 應接不暇的領域,是人類對化學物質所產生各種反應的變異性。「有些人對化學物質的反應,就是比其他人更為敏感,甚至同一個人在不同年紀時,反應程度也有差別。」美國環保署研發部人類健康風險評估計畫主持人約翰.范登堡 (John Vandenberg) 說。

至於為了補足 ToxCast 不足之處,以測估人們暴露於化學物質之下劑量為目標的 ExpoCast ,還有很多需要加強之處。美國環保署人類暴露及大氣科學部主任提摩西.伯克利 (Timothy J. Buckley) 說:「若要防杜暴露於化學物質之下,一定要從居家環境開始做起。」他還強調:「我們花很多精神注意周遭環境,但是也應該要注意藏在消費產品之中,被你帶回家的化學物質。」

不過問題是美國環保署並不知道所有含有某種特定化學物質的產品有哪些,也不清楚其含量多寡。 ExpoCast 目前是用零售巨人渥爾瑪的材質安全性資料表,把消費產品裡的化學物質種類與含量資訊找出來;另外也透過尼爾森調查公司的居家掃描計畫(全美有一萬五千戶自願掃描每一項他們帶回家的商品條碼),獲得家庭收入、成員數目與年齡,與其消費習慣之間的豐富資料。此外, Google 搜尋趨勢也能用於研究各種消費產品的消長趨勢。環保署利用這些消費者使用資料研發模型,然後跟疾病管制局全國健康與營養普查的資料進行校正比對,提高模型的預測能力。

美國環保署的終極目標,是要根據 ToxCast 與 ExpoCast 計量模型所預測出來的化學物質危害與暴露量資訊,做出風險評估與相關決策。不過在此之前,恐怕還有很長一段時間,免不了要用活體動物進行化驗篩選的工作。范登堡說:「我們當然想要儘可能少用活體動物,還能多獲得一些資訊,不過目前實在是沒有辦法。」

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 研究出處:Getting Real About Chemical Risks
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