【学习目标】

     掌握  生物监测的基本概念、特点，生物标志物概念和分类；

     熟悉  生物监测结果的解释和局限性；

   了解  生物监测策略，生物接触限值。

第三节 生物监测 电子教材

第三节 生物监测 授课视频

第三节 生物监测 教学课件

职业卫生与职业医学的最终目的是通过识别、评价、预测和控制职业性有害因素（物理性、化学性以及生物性等），创造一生、安全的职业环境，充分有效地保护职业人群健康。监测是研究有害物质动态变化及健康影响的一种方法和手段，在职业卫生服务领域，主要包括环境监测、生物监测和健康监护。生物监测（biological monitoring）是指定期（有计划）地、系统地监测人体生物材料（血、尿和呼出气等）中化学物及其代谢物的含量或由它们所致的生物效应水平，将测得值与参考值相比较，以评价人体接触化学物质的程度及其对健康产生的潜在影响。

一、生物标志物与生物监测

生物标志物（biomarker）是指反映生物系统与外源性化学物、物理因素和生物因素之间相互作用的任何可测定指标。根据生物标志物代表的意义，义可将生物标志物分为接触性标志物、效应性标志物和易感性标志物，其关系见图4-6。一般来讲，生物监测的主要内容是经过验证的生物标志物。

（一）接触性生物标志物（biomarker of exposure）

接触性生物标志物反映机体生物材料中外源性化学物或其代谢物或外源性化学物与某些靶细胞或靶分子相互作用产物的含量。接触性生物标志物如与外剂量相关或与毒作用效应相关，可评价接触水平或建立生物接触限值。接触性生物标志物可以进一步分为反映内剂量（internal dose）和生物效应剂量（biologically effective dose）两类标志物。内剂量表示吸收到体内的外源性物质的量，包括细胞、组织、体液或排泄物中（血、尿、粪便、呼出气、唾液、毛发、指甲和耵聍等）原型或者代谢产物的含量。例如，血铅可以反映接触铅的内剂量水平；红细胞内铬的含量可以反映六价铬的接触量。生物效应剂量是指达到机体效应部位（组织、细胞和分子）并与其相互作用的外源性物质或代谢产物的含量，包括外源性物质或代谢产物与白蛋白、血红蛋白、DNA等生物大分子共价结合，或者蛋白与DNA交联物的水平。如DNA氧化损伤标志物8-羟基脱氧鸟嘌呤(8-OHdG)、三硝基甲苯（TNT）血红蛋白加合物的水平。由于直接测定效应部位或者靶部位的剂量十分困难，因此，常使用替代生物标志物（surrogate biomarker）水平推测靶部位的剂量，比如外周血全血铬或红细胞内铬含量，可以间接反映经呼吸道进人肺组织的铬含量或六价铬的含量。

（二）效应性生物标志物（biomarker of effect）

指机体中可测出的生化、生理、行为或其他改变的指标。又可进一步分为反映早期生物效应（early biomarker effect）、结构和（或）功能改变（alteredstructure/function）及疾病（disease）三类，其中前两类效应性生物标志物在生物监测中对预防工作具有重要意义。早期生物效应一般是指机体接触环境有害因素后，出现的早期反应。例如铅接触，可抑制δ-氨基-γ-酮戊酸脱水酶活性（δ-amino-γ-levulinate dehydratase，δ-ALAD）和血红素合成酶（hemek synthetase）活性，表现为尿δ-氨基-γ-酮戊酸（δ-amino-γ-levulinic acid，δ-ALA）含量和血中锌原卟啉（zinc protoporphyrin，ZPP）水平增加等；接触有机磷农药可对胆碱酯酶活性产生抑制。疾病标志物为疾病诊断的各种检测指标，例如诊断苯所致再生障碍性贫血和白血病的血液和骨髓检测指标，有机溶剂正己烷所致周围神经改变的神经

肌电图生理改变等。

（三）易感性标志物（bilmarker of susceptibility）

包括反映机体先天遗传性和后天获得性两类。参与环境化学物代谢酶的基因多态性会影响酶的活性，属遗传易感性标志物；N-乙酰转移酶如果缺乏，机体对芳香胺化合物及多环芳香烃较敏感，也属遗传易感性标志物；环境因素作为应激原时，机体的神经、内分泌和免疫系统的反应及适应性，亦可反映机体的易感性，属于获得性易感性标志物。在职业卫生领域，易感性生物标志物的主要用途为筛选发现敏感人群，采取针对性的预防和保护措施。此外，易感性生物标志物对于提高危险度评价的准确度和精确度也有重要的意义。

需要指出，将生物标志物进行分类只是为了表述方便和研究应用。从外源性化合物进入人体内到产生疾病是一个多阶段的、有机而连续的过程，根据研究目的，同一标志物可以划分为不同的类别。例如，血液中碳氧血红蛋白，在与环境接触水平相联系时，可以用作一氧化碳早期效应和接触性生物标志物；而当与器官损害或者疾病相联系时，则可以被当作一氧化碳内剂量，用于诊断。选择生物标志物时，需要考虑：①该指标与研究的生物学现象之间的联系即关联性；②能反映早期和低水平接触所引起的轻微改变，以及多次重复低水平接触累加引起的远期效应即灵敏度和特异度；③受检对象可接受程度即实用性和准确性。

二、生物监测的特点

（一）反映机体总的接触量和负荷

生物监测可反映不同途径（呼吸道、消化道和皮肤等）和不同来源（职业和非职业接触）机体总的接触量和总负荷。在职业卫生服务领域，环境监测多指空气监测，空气监测仅能反映呼吸道吸人的估计量，而劳动者实际接触方式往往是多途径的。据统计，在美国已制定的阈限值（threshold limit value，TLV）中，大约有23％是能经皮肤吸收的。故对经皮肤吸收的毒物，生物监测就比环境监测更显优越和重要。在生产环境中，毒物浓度常常波动较大。从时间来说，可连续可间断；在生产环境中，所接触的毒物又往往是混合物；同时劳动者接触时，是否使用个人防护用品以及劳动强度和气象条件的差别都会影响毒物吸收。在这种情况下，环境监测就不能全面反映机体接触的真实程度。此外，劳动者除职业性接触外，还有非职业性接触的可能，如评价镉的职业接触时．必须考虑吸烟、饮食等冈素的影响。同时，有害因素在体内的代谢及分布，存在个体差异，测定生物样品中毒物及其代谢产物的量，可控制个体因素所带来的影响。

因此，生物监测可以提供机体实际接触水平（生物暴露水平），控制了较多的不确定因素，用生物接触水平构建有害因素接触与生物学效应间的剂量-反应关系，更具优势，从而能更好地评价职业性有害因素危险度。

（二）具有系统性和连续性

生物监测强调定期（有计划）地进行，即指不能将生物监测单纯地看作生物材料中化学物质及其代谢产物或效应的一次性检测。生物监测强调评价人体接触化学物质的程度及可能的健康影响，其目的是为了控制和降低其接触水平。只有定期地对接触者进行监测，才能达到上述目的。若一旦发现超过所规定的接触水平，就应采取相应的控制措施，如降低工作环境空气中化学物质的浓度，缩短接触时间，减少皮肤污染或及时清除和使用个人防护用品等，以提高对职业人群健康的保护水平。

三、生物监测策略

生物监测是一个系统工程，应对生物监测的全面程序有所认识，才能进行正确的生物监测。生物监测应包括监测项目和指标的选择，选择的原则依据被监测物质毒理学特别是中毒机制的研究与毒物代谢动力学规律和监测的目的而定，同时需要考虑样品的采集和贮存、采样的时间和频率以及检测方法及结果评价等。

（一）毒物代谢动力学

毒物代谢动力学主要研究化学物经机体吸收、分布、生物转化和排泄过程的动态变化规律，需要用数学模型和计算公式来表达毒物在体内的变化，进而揭示毒物在体内存在的部位、含量和时间三者之间的关系。这是外源性化合物与机体相互作用的过程，该过程受多种因素的影响，包括受试者自身因素如遗传背景、身高、体重和营养、健康状况、药物使用以及饮酒和吸烟习惯等；另外，还包括工作负荷，接触化合物的种类等外界因素。这些因素对选择适当的生物学指标（毒物原型还是代谢产物）、生物材料（血或尿或呼出气）、采样时间以及结果解释等，都是至关重要的。

在生物监测中，所参考的毒物代谢模型主要有2种：①简单的毒物代谢动力学模式即线性模式，可获得生物半减期，生物利用率等重要参数。②生理、毒理学模式，包括血流量、肺通气量和代谢清除率等。在动力学研究中，生物半减期的研究尤为重要，半减期的长短是决定采样时间的主要参数，有时一个毒物可能有几个半减期，这与不同器官、不同组织的分布相适应，采样时应遵循其主要的半减期，例如在接触水溶性六价铬化合物的金属电焊工和电镀工中，尿铬排出量与空气铬浓度密切相关，尿铬可用作反映近期铬接触量的指标，尿铬的清除分为三相，第一、二和三相的半减期分别为7小时、15～30天和3～5年，我国可溶性铬酸盐尿铬接触限值为连续工作一个月、工作周末的班末尿总铬（30ug/g肌酐）作为长期接触铬酸盐劳动者的生物接触限值。对具有长半减期的毒物，采样时间不十分严格，但对于半减期较短的化合物，则采样时间需严格遵守。半减期与推荐的采样时间关系见表4-2。

（二）利用统计学方法对生物监测指标进行筛选和描述

生物监测总体来说是用于群体评价的，生物监测工作者除具备一般的统计学知识外，在整个生物监测的程序中，均需要使用统计学方法。如检测指标和分析方法被选定后，该指标是否可以作为生物监测指标，尚需进行现场调查验证，根据验证结果，提出敏感度、特异度和预测值等，然后才能判断该指标的取舍。若单一指标不理想，则需进行多项指标最优组合的选择，这时需用判别分析，计算每个指标的贡献率，并将判别结果用四格表法汁算出各组指标敏感度和特异度后，再进行选择。此外，还可使用逐步回归的方法进行选样。参考值和非职业接触水平的建立及对结果的正确评价均需利用统计学知识。

（三）生物监测指标选择的原则

1．对已制定职业接触生物限值的待测物，应按照其要求选择生物监测指标。

2．尚未制定职业接触生物限值的有害物质，应根据待测物的的理化性质及其在人体内的代谢规律，选择能够真实反映接触有害物质程度或健康危害程度的生物监测指标。

3．所选择指标的本底值（即非职业接触人群的浓度水平）明显低于接触人群。

4．所选择的指标应具有一定的特异性、足够的灵敏度，即反映生物接触水平的指标与环境接触水平要有较好的剂量-反应（效应）关系，而存不产生有害效应的暴露水平下仍能维持这种关系。

5．所选择的指标，在监测分析的重复性以及个体生物差异，都在可接受的范围内。

6．所进择的指标其毒代动力学参数，特别是清除率和生物半减期的信息有助于采样时间的选择。

7．所选择的指标要有足够的稳定性，以便于样品的运输、保存和分析。

8．所进择的指标采样时最好对人体无损伤，能为受试者所接受。

（四）生物监测样品的选择

最常用的生物监测样品有尿、血和呼出气。生物监测样本的选择主要依据被测化学物的毒代动力学特性、样品中被测物的浓度以及分析方法的灵敏度。此外，还包括采样和样品保存的难易程度等因素。

1．尿样  因为尿样无损伤性，易于被接受，故是最常用的生物样品之一。尿样适合于检测有机化学物的水溶性代谢产物，及某些无机化学物。根据化学物在体内半减期以及是否在体内蓄积等，确定采尿时间。同时，尿中被测物的浓度需用尿比重或尿肌酐来校正。对于尿比重大于1.030或小于1.010和尿肌酐浓度小于0.3g／L。或大于3g／L，的尿样应慎熏使用。尿的测定结果可能受肾功能的影响，对于肾病患者，不宜用尿样进行监测。尿样采集过程还应注意来自环境的污染。如测定尿中微量重金属时，采尿容器等需在使用胁．作金属本底值分析和处理。

2．血样血液是机体转运外源性化学物的主要载体。大多数无机化合物或有足够生物半减期的有机化合物都可以通过血样来监测。测定血液中的原形化合物比测定其在尿中的代谢物更具有特异性。同时，血液组成成分相对稳定，血液中被测物的水平通常可反映化学物的近期接触水平。有蓄积性的毒物（如多氯联苯）血中浓度主要反映机体的负荷。根据监测物质在血液不同组分中的分布规律，可确定采集全血、血清、血浆还是红细胞以及选择合适的抗凝剂。但采血因具损伤性，没有尿样使用得广泛，且血样的储存条件和分析前处理要求较高。

3．呼出气  呼出气的监测仅限于在血中溶解度低的挥发性有机化合物或在呼出气中以原形呼出的化学物监测。呼出气中挥发性物质的浓度与采样时血液浓度成一定比例，在血中半减期短的化学物其呼出气检测会受到一定限制。采集呼出气时，应注意区别混合呼出气和终末（肺泡）呼出气。混合呼出气指尽力吸气后，尽可能呼出的全部呼出气。终末呼出气指先尽力吸气并平和呼气后，再用最大力量呼出的呼出气。因为混合呼出气包括了呼吸道的无效腔体积（大约150 ml）。通常在接触期间，混合呼出气中毒物的浓度大于终末（肺泡）呼出气；接触结束后，混合呼出气中浓度小于终末（肺泡）呼出气。选择呼出气的优点是无损伤性，其主要缺点是易污染，波动大。采样时间需非常严格。

4．其他材料  测定乳汁和脂肪组织可反映亲脂毒物（如有机氯农药等）的负荷，也可用于评价毒物是否能影响新生儿。由于活体检测技术的开发，体内的靶部位原位研究也有了很大发展，如用X线荧光方法测定骨铅、中子活化法测定肾皮质爰肝脏中的镉，但目前这种方法还难以用于常规检测。

四、生物接触限值

职业卫生工作中，生物监测的目的是评价职业人群和（或）劳动者个体接触有害因素的水平和潜在的健康影响。为使生物监测结果有评判的准则，必须同工作场所夺气中有害因素监测那样，建立生物接触限值，作为生物监测的卫生标准。世界卫生组织提出了保护劳动者健康的职业接触生物限值（Occupatlohal biological  exposure limits）；美国政府工业卫生者协会（American Conference of IndustrialHygienists，ACGIH）推荐的为生物接触指数（biological exposure indices,BEI），是工业卫生实践中用于评价潜在健康损害的参考值指南，表示接触化学物的健康劳动者生物材料中受检物测定值与吸入接触阈限值的相当量，并不表示损害与无损害接触量的显著区别；联邦德国工作场所化学物引起健康损害检查委员会制订的为生物耐受值（biologischerarbeitsstoff-toleranzwert，BAT-WERT），是指劳动者体内化学物或其代谢产物或其所引起的生物学参数偏离正常值的最高容许量等。

我国卫生部颁布的职业卫生生物监测行业推荐性卫生标准中，也称职业接触生物限值，是指接触有害化学物劳动者生物材料（血、尿、呼出气等）中化学物或其代谢产物或其引起生物反应的限量值。职业接触生物限值主要用于保护绝大多数劳动者健康，不能保证每个劳动者在该限值下，不产生任何有损害健康的作用。职业接触生物限值与非职业接触化学毒物的健康人群中可检测到一定水平的参比值（或参考值，reference value）不同，与职业病诊断值也不同，不能混淆。

目前，WHO专题组建议的职业接触生物限值的化学物已包括铅、镉、汞、一氧化碳、三氯乙烯、甲苯、二甲苯、马拉硫磷、甲萘威、林丹和二硝基邻甲酚等，ACGIH和德国制订的也已超过40种（类），我国颁布的目前已有17种（铅、镉、一氧化碳、氟及其无机化合物、二硫化碳、三氯乙烯、甲苯、三硝基甲苯、苯乙烯、正己烷、有机磷、铬、汞、苯、酚、五氯酚和二甲基甲酰胺），见表4-3。

五、生物监测结果的解释及局限性

（一）生物监测结果的解释

1．个体评价   所得的结果与生物接触限值或合适的参考值进行比较。必须注意，由于个体对化学物质的易感性不同，即使生物监测结果低于生物接触限值，也不能保证所有个体均没有健康损害效应发生。某些情况下，考虑到接触个体之间的变异性，可将其接触比较。

2．群体评价   生物监测结果可以在群体基础上进行比较，即通过群组数据的统计分析做出评价。对属于正态分布的数据，应给出平均值、标准差和范围。如为对数正态分布，应给出几何均值、几何标准差和范围或中位数、90％和10％位数和范围。对不属于正态分布（包括几何正态分布）者，可给出中位数、90％和10％位数和范围。

如果所有人的测得值都在生物监测接触限值以下，可以认为工作环境是符合职业卫生要求的。如果绝大部分人或全部测得值都高于生物接触限值，说明总的接触环境不符合职业卫生要求，必须综合治理。如果大部分人的测得值都在生物接触限值以下，而少数人测得值远高于生物接触限值，可能有两种情况：一种是这少数人的工作岗位，暴露了较高浓度水平的污染物；另外一种如果所有人的环境暴露水平相似，少数人生物监测结果偏高，可能是不良的生活习惯．不注意个体劳动保护、或非职业接触凼素和个体的遗传易感性所致。

（二）生物监测的局限性

1．有些化学物不能或难以进行生物监测  对于刺激性卤素、无机酸类、二氧化硫等酸酐、肼等化学活性大，刺激性强的化合物，由于在接触呼吸道黏膜或皮肤时就起反应，急性刺激作用明显，不需要做生物监测；有些吸人体内后不易溶解。如石英、炭黑、氧化铁、石棉、玻璃纤维等，沉积在肺组织中，不易在尿液或外周血液中检出；对于外源性化合物代谢产物与正常代谢产物属于一类物质的，一般参比值波动范围大，作为生物监测指标的意义也不大。

2．生物监测方法学有待完善 生物监测不能反映车间空气中化学物瞬间浓度变化的规律。生物监测对象是人，监测对象依从性的问题值得重视，因此，所用的方法应不给监测对象带来不便和痛苦，更不能损害健康。目前真正有价值、能反映实际接触水平，特别是反映生物效应剂量的监测指标尚不多；有关生物监测指标与外环境接触水平及生物学效应之间关系的指标则更少；某些在理论上可用作生物监测的指标由于采样困难或分析技术的原因，仍不能在实际工作中推广和应用。今后在生物监测领域，除要继续加强化学物代谢动力学和毒效动力学等基础研究、确定已有生物监测指标与接触水平及健康损害之间关系以及研制标准化的分析技术和方法以外，明确血、尿、痰等替代物测定分析结果与到达靶器官或靶组织作用剂量以及效应关系也应列入工作重点，同时还需加速职业接触生物限值卫生标准的研制和推广应用。

3．生物监测指标个体闻差异较大，影响因素较多  由于生物监测综合了个体间接触毒物的差异因素和毒物代谢过程的变异性，个体间的生物多样性必然会影响代谢的各过程。另外，在实际工作中，劳动者往往会接触到不同的职业性有害因素，当劳动者同时接触几种毒物时，一种毒物的代谢过程可能会影响另一种毒物的代谢，例如乙醇的代谢包括两个连续的氧化反应，一是乙醇二氢酶的催化，一是乙醛二氢酶的催化，其他有机溶剂如甲醇、三氯乙烯、二甲苯、甲苯等的氧化也需要上述两种酶，当这些化合物随乙醇一起被机体吸收时，彼此的氧化反应就会出现干扰。同时，监测结果还受生物样品采样时间、运输和保存等条件影响，如样品采集、运输和保存过程中的样品水分蒸发、样品分解、沉淀、吸附和污染等；血液样品中脂肪含量、水分以及被测物分布的差异；尿样比重、肌酐浓度和采样时间的影响；通气量以及肺功能对呼出气的影响；机体患有肝、肾疾病对外源化合物代谢的影响等。因此，生物监测结果的解释远比环境监测结果的解释复杂。

但综合生物监测的优点及目前的发展趋势，在职业卫生技术服务领域，生物监测的发展前景仍令人展望。