Реч биомаркер је скраћеница за биолошки маркер, термин који се односи на мерљиви догађај који се дешава у биолошком систему, као што је људско тело. Овај догађај се онда тумачи као одраз, или маркер, општијег стања организма или очекиваног животног века. У здравству на раду, биомаркер се генерално користи као индикатор здравственог статуса или ризика од болести.
Биомаркери се користе за ин витро као и за ин виво студије које могу укључивати људе. Обично се идентификују три специфичне врсте биолошких маркера. Иако је неколико биомаркера тешко класификовати, они се обично деле на биомаркере изложености, биомаркере ефекта или биомаркере осетљивости (видети табелу 1).
Табела 1. Примери биомаркера изложености или биомаркера ефеката који се користе у токсиколошким студијама у здрављу на раду
| Узорак | Мера | Намена |
| Биомаркери изложености | ||
| Масно ткиво | Диоксин | Излагање диоксину |
| Крв | Довести | Изложеност олову |
| кост | Алуминијум | Излагање алуминијуму |
| Издахнути дах | Толуен | Излагање толуену |
| коса | Меркур | Излагање метилживи |
| Серум | Бензен | Изложеност бензену |
| Урин | Фенол | Изложеност бензену |
| Биомаркери ефекта | ||
| Крв | карбоксихемоглобин | Изложеност угљен моноксиду |
| Црвена крвна зрнца | Цинк-протопорфирин | Изложеност олову |
| Серум | Холинестераза | Излагање органофосфату |
| Урин | Мицроглобулинс | Нефротоксично излагање |
| бела крвна зрнца | ДНК адукти | Излагање мутагенима |
Уз прихватљив степен ваљаности, биомаркери се могу користити у неколико намена. На индивидуалној основи, биомаркер се може користити да подржи или оповргне дијагнозу одређене врсте тровања или другог хемијски изазваног нежељеног ефекта. Код здравог субјекта, биомаркер такође може одражавати индивидуалну хиперсклоност специфичним хемикалијама и стога може послужити као основа за предвиђање ризика и саветовање. У групама изложених радника, неки биомаркери изложености могу се применити за процену степена усклађености са прописима о смањењу загађења или ефикасности превентивних напора уопште.
Биомаркери изложености
Биомаркер изложености може бити егзогено једињење (или метаболит) у телу, интерактивни производ између једињења (или метаболита) и ендогене компоненте, или други догађај повезан са изложеношћу. Најчешће, биомаркери изложености стабилним једињењима, као што су метали, обухватају мерења концентрација метала у одговарајућим узорцима, као што су крв, серум или урин. Код испарљивих хемикалија може се проценити њихова концентрација у издахнутом даху (након удисања ваздуха без контаминације). Ако се једињење метаболише у телу, један или више метаболита се може изабрати као биомаркер изложености; метаболити се често одређују у узорцима урина.
Савремене методе анализе могу омогућити раздвајање изомера или конгенера органских једињења, као и одређивање специјације металних једињења или изотопских односа појединих елемената. Софистициране анализе омогућавају одређивање промена у структури ДНК или других макромолекула изазваних везивањем са реактивним хемикалијама. Такве напредне технике ће без сумње значајно добити на значају за апликације у студијама биомаркера, а ниже границе детекције и боља аналитичка валидност ће вероватно учинити ове биомаркере још кориснијим.
Посебно обећавајући развој догодио се са биомаркерима изложености мутагеним хемикалијама. Ова једињења су реактивна и могу да формирају адукте са макромолекулима, као што су протеини или ДНК. Адукти ДНК могу се открити у белим крвним зрнцима или биопсијама ткива, а специфични фрагменти ДНК могу се излучити урином. На пример, излагање етилен оксиду доводи до реакција са ДНК базама, и, након ексцизије оштећене базе, Н-7-(2-хидроксиетил)гванин ће се елиминисати у урину. Неки адукти се можда не односе директно на одређену изложеност. На пример, 8-хидрокси-2´-деоксигуанозин одражава оксидативно оштећење ДНК, а ову реакцију може покренути неколико хемијских једињења, од којих већина такође индукује пероксидацију липида.
Други макромолекули се такође могу променити формирањем или оксидацијом адукта. Од посебног интереса, таква реактивна једињења могу да генеришу адукте хемоглобина који се могу одредити као биомаркери изложености једињењима. Предност је у томе што се из узорка крви могу добити велике количине хемоглобина, а с обзиром на четворомесечни животни век црвених крвних зрнаца, адукти формирани са амино киселинама протеина ће указивати на укупну изложеност током овог периода.
Адукти се могу одредити осетљивим техникама као што је липидна хроматографија високих перформанси, а доступне су и неке имунолошке методе. Генерално, аналитичке методе су нове, скупе и захтевају даљи развој и валидацију. Боља осетљивост се може постићи коришћењем 32П тест обележавања након обележавања, што је неспецифична индикација да је дошло до оштећења ДНК. Све ове технике су потенцијално корисне за биолошки мониторинг и примењене су у све већем броју студија. Међутим, потребне су једноставније и осетљивије аналитичке методе. С обзиром на ограничену специфичност неких метода при ниском излагању, пушење дувана или други фактори могу значајно да утичу на резултате мерења, узрокујући потешкоће у интерпретацији.
Изложеност мутагеним једињењима, или једињењима која се метаболишу у мутагене, такође се може утврдити проценом мутагености урина изложене особе. Узорак урина се инкубира са сојем бактерија код којих је специфична тачкаста мутација изражена на начин који се лако може измерити. Ако су мутагене хемикалије присутне у узорку урина, онда ће се у бактеријама појавити повећана стопа мутација.
Биомаркери изложености се морају проценити с обзиром на временске варијације у изложености и однос према различитим одељцима. Дакле, временски оквир(и) представљени биомаркером, односно степен у коме мерење биомаркера одражава прошлу изложеност(е) и/или акумулирани терет тела, мора да се одреди из токсикокинетичких података да би се резултат интерпретирао. Посебно треба узети у обзир степен до којег биомаркер указује на задржавање у одређеним циљним органима. Иако се узорци крви често користе за студије биомаркера, периферна крв се генерално не сматра преградом као таквом, иако делује као транспортни медијум између одељења. Степен до којег концентрација у крви одражава нивое у различитим органима увелико варира између различитих хемикалија, а обично зависи и од дужине излагања, као и од времена од излагања.
Понекад се ова врста доказа користи за класификацију биомаркера као индикатора (укупне) апсорбоване дозе или индикатора ефективне дозе (тј. количине која је достигла циљно ткиво). На пример, излагање одређеном растварачу може се проценити на основу података о стварној концентрацији растварача у крви у одређено време након излагања. Ово мерење ће одражавати количину растварача који је апсорбован у тело. Део апсорбоване количине ће бити издахнут услед притиска паре растварача. Док циркулише у крви, растварач ће ступити у интеракцију са различитим компонентама тела и на крају ће постати подложан разградњи ензима. Исход метаболичких процеса може се проценити одређивањем специфичних меркаптурних киселина произведених коњугацијом са глутатионом. Кумулативно излучивање меркаптурних киселина може боље да одражава ефективну дозу него концентрација у крви.
Животни догађаји, као што су репродукција и старење, могу утицати на дистрибуцију хемикалије. Трудноћа значајно утиче на дистрибуцију хемикалија у телу, а многе хемикалије могу проћи плацентну баријеру, изазивајући излагање фетуса. Лактација може довести до излучивања хемикалија растворљивих у липидима, што доводи до смањеног задржавања код мајке заједно са повећаним уносом одојчета. Током губитка тежине или развоја остеопорозе, ускладиштене хемикалије се могу ослободити, што онда може довести до обновљеног и продуженог „ендогеног“ излагања циљних органа. Други фактори могу утицати на индивидуалну апсорпцију, метаболизам, задржавање и дистрибуцију хемијских једињења, а доступни су и неки биомаркери осетљивости (види доле).
Биомаркери ефекта
Маркер ефекта може бити ендогена компонента, или мера функционалног капацитета, или неки други индикатор стања или равнотеже тела или система органа, на који утиче изложеност. Такви маркери ефекта су генерално претклинички индикатори абнормалности.
Ови биомаркери могу бити специфични или неспецифични. Специфични биомаркери су корисни јер указују на биолошки ефекат одређене изложености, чиме се пружају докази који се потенцијално могу користити у превентивне сврхе. Неспецифични биомаркери не указују на појединачни узрок ефекта, али могу одражавати укупан, интегрисани ефекат због мешовите изложености. Обе врсте биомаркера стога могу бити од велике користи у здрављу на раду.
Не постоји јасна разлика између биомаркера изложености и биомаркера ефекта. На пример, могло би се рећи да формирање адукта одражава ефекат пре него излагање. Међутим, биомаркери ефекта обично указују на промене у функцијама ћелија, ткива или целог тела. Неки истраживачи укључују велике промене, као што је повећање тежине јетре изложених лабораторијских животиња или смањен раст код деце, као биомаркере ефекта. У сврху здравља на раду, биомаркери ефекта треба да буду ограничени на оне који указују на субклиничке или реверзибилне биохемијске промене, као што је инхибиција ензима. Најчешћи биомаркер ефекта је вероватно инхибиција холинестеразе коју изазивају одређени инсектициди, односно органофосфати и карбамати. У већини случајева, овај ефекат је потпуно реверзибилан, а инхибиција ензима одражава укупну изложеност овој одређеној групи инсектицида.
Нека излагања не доводе до инхибиције ензима, већ до повећане активности ензима. Ово је случај са неколико ензима који припадају породици П450 (погледајте „Генетске детерминанте токсичног одговора”). Они могу бити изазвани излагањем одређеним растварачима и полиароматичним угљоводоницима (ПАХ). Пошто се ови ензими углавном експримирају у ткивима из којих је тешко добити биопсију, активност ензима се одређује индиректно ин виво давањем једињења које се метаболише тим одређеним ензимом, а затим се производ разградње мери у урину или плазми.
Друге изложености могу изазвати синтезу заштитног протеина у телу. Најбољи пример је вероватно металотионеин, који везује кадмијум и подстиче излучивање овог метала; излагање кадмијуму је један од фактора који резултира повећаном експресијом гена за металотионеин. Слични заштитни протеини могу постојати, али још нису довољно истражени да би постали прихваћени као биомаркери. Међу кандидатима за могућу употребу као биомаркери су такозвани протеини стреса, првобитно названи протеини топлотног шока. Ове протеине генерише низ различитих организама као одговор на различита штетна излагања.
Оксидативно оштећење се може проценити одређивањем концентрације малондиалдехида у серуму или издисањем етана. Слично, излучивање протеина са малом молекулском тежином у урину, као што је албумин, може се користити као биомаркер раног оштећења бубрега. Неколико параметара који се рутински користе у клиничкој пракси (на пример, нивои серумских хормона или ензима) такође могу бити корисни као биомаркери. Међутим, многи од ових параметара можда нису довољно осетљиви да би се рано открило оштећење.
Друга група параметара ефеката односи се на генотоксичне ефекте (промене у структури хромозома). Такви ефекти се могу открити микроскопијом белих крвних зрнаца која пролазе кроз ћелијску деобу. Озбиљна оштећења хромозома — хромозомске аберације или формирање микронуклеуса — могу се видети под микроскопом. Оштећење се такође може открити додавањем боје ћелијама током ћелијске деобе. Излагање генотоксичном агенсу се тада може визуализовати као повећана размена боје између две хроматиде сваког хромозома (сестринска размена хроматида). Хромозомске аберације су повезане са повећаним ризиком од развоја канцера, али је значај повећане стопе размене сестринских хроматида мање јасан.
Софистициранија процена генотоксичности заснива се на одређеним тачкастим мутацијама у соматским ћелијама, односно белим крвним зрнцима или епителним ћелијама добијеним из оралне слузокоже. Мутација на одређеном локусу може учинити ћелије способним да расту у култури која садржи хемикалију која је иначе токсична (као што је 6-тиогуанин). Алтернативно, може се проценити специфични генски производ (нпр. концентрације онкопротеина у серуму или ткиву које кодирају одређени онкогени). Очигледно, ове мутације одражавају укупно настало генотоксично оштећење и не указују нужно на било шта о узрочној изложености. Ове методе још нису спремне за практичну употребу у здравству на раду, али брз напредак у овој линији истраживања би сугерисао да ће такве методе постати доступне у року од неколико година.
Биомаркери осетљивости
Маркер осетљивости, било наслеђен или индукован, је индикатор да је појединац посебно осетљив на дејство ксенобиотика или на ефекте групе таквих једињења. Највише пажње је усмерено на генетску подложност, иако други фактори могу бити барем једнако важни. Хиперсензибилност може бити последица наследне особине, конституције појединца или фактора околине.
Способност метаболизма одређених хемикалија је променљива и генетски је одређена (погледајте „Генетске детерминанте токсичног одговора”). Чини се да неколико релевантних ензима контролише један ген. На пример, оксидација страних хемикалија се углавном спроводи у породици ензима који припадају породици П450. Други ензими чине метаболите растворљивијим у води коњугацијом (нпр. Н-ацетилтрансфераза и μ-глутатион-S-трансфераза). Активност ових ензима је генетски контролисана и значајно варира. Као што је горе поменуто, активност се може одредити давањем мале дозе лека, а затим одређивањем количине метаболита у урину. Неки од гена су сада окарактерисани и доступне су технике за одређивање генотипа. Важне студије сугеришу да је ризик од развоја одређених облика рака повезан са способношћу метаболизма страних једињења. Многа питања и даље остају без одговора, чиме се у овом тренутку ограничава употреба ових потенцијалних биомаркера осетљивости у здрављу на раду.
Друге наследне особине, као што је алфа1-недостатак антитрипсина или недостатак глукоза-6-фосфат дехидрогеназе, такође резултира недостатком одбрамбених механизама у телу, што узрокује преосјетљивост на одређене изложености.
Већина истраживања у вези са осетљивошћу бавила се генетском предиспозицијом. Други фактори такође играју улогу и делимично су занемарени. На пример, особе са хроничном болешћу могу бити осетљивије на професионалну изложеност. Такође, ако је процес болести или претходна изложеност токсичним хемикалијама изазвала нека субклиничка оштећења органа, онда ће капацитет да се издржи ново токсично излагање вероватно бити мањи. Биохемијски индикатори функције органа се у овом случају могу користити као биомаркери осетљивости. Можда најбољи пример у вези са хиперсензибилношћу односи се на алергијске реакције. Ако је појединац постао осетљив на одређену изложеност, тада се у серуму могу открити специфична антитела. Чак и ако појединац није постао сензибилизиран, друга тренутна или прошла изложеност може повећати ризик од развоја штетних ефеката повезаних са професионалном изложеношћу.
Велики проблем је утврдити заједнички ефекат мешовитих експозиција на раду. Поред тога, личне навике и употреба дрога могу довести до повећане осетљивости. На пример, дувански дим обично садржи значајну количину кадмијума. Дакле, уз професионалну изложеност кадмијуму, тешки пушач који је акумулирао значајне количине овог метала у телу биће изложен повећаном ризику од развоја болести бубрега повезаних са кадмијумом.
Примена у здравству на раду
Биомаркери су изузетно корисни у токсиколошким истраживањима, а многи могу бити применљиви у биолошком праћењу. Без обзира на то, ограничења се такође морају препознати. Многи биомаркери су до сада проучавани само на лабораторијским животињама. Токсикокинетички обрасци код других врста не морају нужно да одражавају ситуацију код људи, а екстраполација може захтевати потврдне студије на људским добровољцима. Такође, морају се узети у обзир индивидуалне варијације због генетских или уставних фактора.
У неким случајевима, биомаркери изложености можда уопште нису изводљиви (нпр. за хемикалије које су краткотрајне ин виво). Друге хемикалије се могу складиштити или могу утицати на органе којима се не може приступити рутинским процедурама, као што је нервни систем. Пут излагања такође може утицати на образац дистрибуције, а самим тим и на мерење биомаркера и његову интерпретацију. На пример, директно излагање мозга преко олфакторног нерва ће вероватно избећи детекцију мерењем биомаркера изложености. Што се тиче ефеката биомаркера, многи од њих нису уопште специфични, а промена може бити узрокована разним узроцима, укључујући факторе начина живота. Можда посебно у вези са биомаркерима осетљивости, тумачење у овом тренутку мора бити веома опрезно, пошто остаје много неизвесности у вези са укупним здравственим значајем појединачних генотипова.
У здравству на раду, идеални биомаркер треба да задовољи неколико захтева. Пре свега, прикупљање и анализа узорака морају бити једноставни и поуздани. За оптималан аналитички квалитет потребна је стандардизација, али специфични захтеви значајно варирају. Главне области које изазивају забринутост укључују: припрему појединца, поступак узорковања и руковање узорком и поступак мерења; ово последње обухвата техничке факторе, као што су процедуре калибрације и осигурања квалитета, и факторе везане за појединца, као што су образовање и обука оператера.
За документацију аналитичке валидности и следљивости, референтни материјали треба да се заснивају на релевантним матрицама и са одговарајућим концентрацијама токсичних супстанци или релевантних метаболита на одговарајућим нивоима. Да би се биомаркери користили за биолошки мониторинг или у дијагностичке сврхе, одговорне лабораторије морају имати добро документоване аналитичке процедуре са дефинисаним карактеристикама перформанси и доступне записе који омогућавају верификацију резултата. У исто време, без обзира на то, економичност карактеризације и коришћења референтних материјала као допуна процедура обезбеђења квалитета уопште мора бити узета у обзир. Стога, достижни квалитет резултата и употреба на коју се они користе, морају бити у равнотежи са додатним трошковима осигурања квалитета, укључујући референтне материјале, радну снагу и инструментацију.
Други захтев је да биомаркер треба да буде специфичан, барем под околностима студије, за одређену врсту изложености, са јасним односом према степену изложености. У супротном, резултат мерења биомаркера може бити превише тежак за тумачење. За правилно тумачење резултата мерења биомаркера изложености, мора бити позната дијагностичка валидност (тј. превод вредности биомаркера у величину могућих здравствених ризика). У овој области, метали служе као парадигма за истраживање биомаркера. Недавна истраживања су показала сложеност и суптилност односа доза-одговор, са значајним потешкоћама у идентификацији нивоа без ефекта, а самим тим и у дефинисању подношљивих излагања. Међутим, ова врста истраживања је такође илустровала врсте истраживања и префињености које су неопходне да би се откриле релевантне информације. За већину органских једињења, квантитативне везе између изложености и одговарајућих штетних ефеката на здравље још нису доступне; у многим случајевима чак ни примарни циљни органи нису поуздани. Поред тога, процена података о токсичности и концентрација биомаркера је често компликована излагањем смешама супстанци, пре него излагањем једном једињењу у то време.
Пре него што се биомаркер примени у сврхе здравља на раду, неопходна су нека додатна разматрања. Прво, биомаркер мора одражавати само субклиничку и реверзибилну промену. Друго, с обзиром на то да се резултати биомаркера могу тумачити у односу на ризике по здравље, онда превентивни напори треба да буду доступни и треба их сматрати реалистичним у случају да подаци о биомаркерима указују на потребу да се смањи изложеност. Треће, практична употреба биомаркера се генерално мора сматрати етички прихватљивом.
Мерења индустријске хигијене могу се упоредити са применљивим границама изложености. Слично томе, резултати о биомаркерима изложености или биомаркерима ефеката могу се упоредити са границама биолошког деловања, који се понекад називају индекси биолошке изложености. Таква ограничења би требало да буду заснована на најбољим саветима клиничара и научника из одговарајућих дисциплина, а одговорни администратори као „менаџери ризика“ треба да узму у обзир релевантне етичке, друштвене, културне и економске факторе. Научна основа би, ако је могуће, требало да укључи односе доза-одговор допуњене информацијама о варијацијама у осетљивости унутар ризичне популације. У неким земљама, радници и припадници опште јавности укључени су у процес постављања стандарда и дају важан допринос, посебно када је научна несигурност знатна. Једна од главних нејасноћа је како дефинисати нежељени ефекат на здравље који треба спречити—на пример, да ли формирање адукта као биомаркера изложености само по себи представља нежељени ефекат (тј. биомаркер ефекта) који треба спречити. Вероватно ће се појавити тешка питања када се одлучује да ли је етички одбрамбено да за исто једињење има различите границе за случајну изложеност, с једне стране, и професионалну изложеност, с друге.
Информације добијене употребом биомаркера генерално треба да се пренесу појединцима који се прегледају у оквиру односа лекар-пацијент. Етички проблеми се морају посебно размотрити у вези са високо експерименталним анализама биомаркера које се тренутно не могу детаљно тумачити у смислу стварних здравствених ризика. За општу популацију, на пример, тренутно постоје ограничене смернице у погледу тумачења биомаркера изложености осим концентрације олова у крви. Такође је важно поверење у добијене податке (тј. да ли је урађено одговарајуће узорковање и да ли су у укљученој лабораторији коришћене добре процедуре за обезбеђење квалитета). Додатна област посебне бриге односи се на индивидуалну преосјетљивост. Ова питања се морају узети у обзир приликом пружања повратних информација из студије.
Сви сектори друштва на које утиче студија о биомаркерима или се баве извођењем студије о биомаркерима морају бити укључени у процес доношења одлука о томе како поступати са информацијама добијеним од студије. Специфичне процедуре за спречавање или превазилажење неизбежних етичких сукоба треба да буду развијене у правним и друштвеним оквирима региона или земље. Међутим, свака ситуација представља другачији скуп питања и замки, и не може се развити јединствена процедура за укључивање јавности која би обухватила све примене биомаркера изложености.