牙齿中的生命——我们的牙齿如何揭示我们的健康状况

Manish Arora 在他的电脑屏幕上研究一个小男孩的牙齿，寻找关于孩子过去的关键细节。这个男孩，10岁——我们叫他马克斯——住在墨西哥城一个贫困社区的郊区，那里铅暴露是一个长期存在的问题。而这体现在牙齿上。马克斯一直暴露在受污染的空气和水中的铅中——甚至食物中，因为金属会从铅釉陶器中渗出。

屏幕上的图像本质上是男孩牙齿的颜色编码图。它显示马克斯在出生前，在胎儿发育的最后几个月，铅暴露量有一个高峰。出生后，他的暴露量下降到当地人口的常见水平。

血液检查可以在任何给定时刻检测到铅，但它们无法揭示过去的暴露或暴露发生的时间戳。Arora 发现，牙齿可以做到这两点——不仅适用于铅，也适用于越来越多的其他元素和化学物质。这一发现对环境健康研究具有巨大的潜力，例如试图解开自闭症谱系障碍的病因。这也是为什么世界各地的科学家，从墨西哥到瑞典再到伊拉克，都纷纷涌向 Arora，他是西奈山弗兰克·劳滕贝格环境健康科学实验室的牙医兼暴露生物学主任。

他正在把牙齿变成时间机器。

“想象一下，如果你在这里测量血铅水平，”Arora 指着牙齿出生后生长的一部分说。“你会认为风险较小。但回到过去。就在出生前，铅暴露量有一个巨大的高峰。”

离 Arora 位于曼哈顿上城意外朴素的办公室几步之遥，他的办公桌上摆满了他的三胞胎女儿的照片，他庞大的实验室里摆满了不起眼的设备。但仅需几个小时到一天多一点的时间，Arora 就能确定一颗牙齿——通常是从多年的感性储存中挖出来的——在其一生中暴露于什么。对于乳牙来说，这通常可以追溯到怀孕的第一个三个月结束。这台时间机器不仅让 Arora 成为环境健康领域的名人，它还在彻底改变一个长期以来专注于评估物质毒性作用时人体暴露剂量领域的领域。

牙齿在生长过程中会形成环——就像树木一样，但每天而不是每年。它们在出生那天也会形成一个独特的环，即新生儿线。Arora 利用这些环以惊人的特异性测量身体何时暴露于某些物质。在此过程中，他表明时机对于确定化学暴露造成的伤害类型和严重程度至关重要。

你懂的

Arora 是一个说话温和的人，他在印度有一个牙科诊所，但他放弃了它，转而寻求将环境融入他的工作的方法。他不是发现牙齿储存过去暴露记录的人；他研究过使用磨碎的牙齿测量牙齿中金属总量​​的环境科学家的工作。他也不是第一个使用激光揭示化学指纹的人——地质学家长期以来一直将其用于岩石。但 Arora 说，大自然启发他将这些技术结合起来。他知道树木年轮记录了特定年份的环境条件，他认为牙齿中的生长环肯定可以用于类似的目的。

然而，在 2000 年代初期，他是一名在澳大利亚苦苦挣扎的研究生。当他寻求资助来测试他的非传统概念时，资助并没有源源不断地涌入。他还采取了一种非传统的研​​究方法，融合了不同学科，与核物理学家、地质学家、生物统计学家和其他人交谈，而不是向自己领域的导师寻求帮助。“我一直在超越我的训练范围，这很可怕，”他说。

他坚信自己有所发现，于是坚持不懈，找到了小额资助，最终找到了一位富有同情心的地质学家，允许他在实验室空闲时使用他的地球和行星科学实验室。但他没有自己的钥匙，实验室里也没有洗手间。没有办法重新进入，他很快学会了在漫长的夜晚开始之前控制自己的饮水量。最终，他习惯了夜间独自一人在实验室里待上几个月，试图看看牙齿是否能作为铅暴露的生物标志物。

现在，他经营自己的实验室，并雇佣了从组织学（对生物细胞和组织的详细研究）到蜂鸟鸣叫等专业领域的研究人员。

这是一种不寻常的组合。在一个专注于牙齿的研究小组中，他是唯一的牙医。“我真的对治疗蛀牙不感兴趣，”Arora 说。“我感兴趣的是那些能够观察任何人体组织并了解它携带了什么信息的人。”

追逐铅

整个过程始于一个狭小的房间，一台锯子放在长长的柜台边缘。

在这里，Arora 或他的一位实验室研究人员使用特殊的刀片将牙齿分成两半，然后用含有细金刚石颗粒的糊状物抛光所得表面，直到光滑。然后他将其送入激光，激光会产生微小的坑并检测金属。或者，如果他正在寻找牙齿中的有机化学物质，他会将其交给一个机器人，该机器人可以使用质谱仪检测它们，质谱仪会生成一系列数字，就像地图上的点一样。这些仪器告诉 Arora 牙齿中含有哪些化合物以及它们的位置。他解释说，每个数据点都会为他的牙齿整体地图添加一个像素。

Arora 正在追溯各种化学物质的暴露。但他通常在寻找铅暴露。铅存在于我们周围，它会损害大量的生命系统和器官。这是因为铅在体内与钙和锌等必需矿物质竞争。它对儿童尤其危险，因为他们正在生长的身体吸收更多的铅，而且他们的神经系统对铅更敏感。科学家们也正在了解到铅与钙一起储存在我们的骨骼中，随着时间的推移而积累。

利用 Arora 的实验室，亨利·福特医疗系统流行病学家 Andrea Cassidy-Bushrow 和她的团队发现，密歇根州的一些儿童在出生前就暴露于铅，出生后铅暴露量有所下降。这些婴儿可能吸收了他们母亲在几年前甚至几十年前暴露的铅。

“我坐在这里有点傻眼，”参与这项研究的底特律母亲芭芭拉·威廉姆斯说。“当你怀孕时，你会考虑你摄入的一切……你不会考虑你六个月前所做的事情可能会如何影响你的怀孕。”

研究人员认为，婴儿在怀孕后期没有吸收钙，而是从母亲的骨骼中吸收了铅——身体可能将其误认为是钙。那是快速成长的胎儿需要大量骨骼矿物质的时候。

而且存在明显的暴露模式。“我们看到铅暴露在种族和民族界线上存在非常一致的差异，”Cassidy-Bushrow 说。“非洲裔儿童比高加索儿童铅暴露的风险要高得多，即使我们考虑到他们居住的地方、住房的年龄和家庭收入——任何你认为可能的原因，这种差异仍然存在。”

对 Arora 来说，这种差异是一个环境正义问题。女性，即使是在怀孕期间尽一切努力生下健康宝宝的女性，也实质上会传承她们之前的铅暴露。这发生在任何女性身上，无论种族如何。但由于非洲裔女性一生中接触铅的程度往往高于白人女性，她们的孩子出生时往往处于自动劣势。虽然有很多方法可以从一开始就预防铅暴露，但这些女性和儿童在她们的情况下无法做任何事情来预防或解决这个问题。

“非洲裔孩子的铅含量更高，我们知道这一点，”Arora 说。

“这似乎在我们这样的第一世界国家是不可接受的事情，”他补充道。“你为什么在出生前就继承了如此的不公？”

85,000 种化学品

Arora 最初使用他的牙齿时间机器来检测铅。现在，他和他的同事正试图将他们的底特律研究扩展到遭受铅污染的密歇根州弗林特及其他地区，寻找广泛近期铅暴露带来的额外影响。他还表明牙齿记录了体重变化和压力。他现在正在检查该技术可以在牙齿中检测到的各种其他物质，包括其他矿物质元素，以及农药和邻苯二甲酸酯等化学物质——一种许多消费品中可能有害的化合物。

例如，他的团队研究了加州农场工人的孩子，发现他们的锰含量升高，锰用于杀菌剂。锰是植物和动物的必需营养素，但在高浓度下，它会损害中枢神经系统，包括大脑功能。Arora 的团队将这些高锰含量——在出生前和出生后不久观察到——与 7 到 10 岁儿童的负面行为模式联系起来。他们甚至表明，当农场工人把他们的工作鞋或衣服带进室内时，锰含量更高。

最终，他的愿景是彻底改变我们理解环境健康的方式。首先，他希望科学家们能重视暴露的时机，而不仅仅是剂量。他还试图帮助该领域摆脱逐个研究化学物质的模式，转向研究物质混合物（这是人们在现实生活中接触事物的方式）如何影响人类健康。

在此过程中，Arora 正在推进一个新兴领域，称为暴露组学；他想研究一生的暴露以及由此产生的健康影响。该领域在环境健康研究人员中获得了动力，并获得了国家卫生研究院 (NIH) 等机构的政府资助。

但它也面临着强烈的怀疑。暴露组学研究可以比作撒下一张巨大的渔网，而传统的科学方法更像是使用单独的鱼竿。如果你知道你在寻找什么以及它在哪里，那么单个鱼竿——一个在传统实验中测试的重点假设——就非常有用。但是研究人员已经意识到，当你认识到你不知道多少，并且你想考虑到所有可能存在的情况时，更宽泛的网就很有用。

“这是一种与该领域所有人都受过训练的方式完全不同的研究方法，”西奈山暴露组学研究所所长罗伯特·赖特说。

赖特是暴露组学的倡导者，他帮助将 Arora 带到西奈山，并帮助为他的实验室寻找资源。他说暴露组学正在获得关注，但它曾经引起足够的争议，以至于在提案中提及它可能会扼杀资金。

如果研究人员要赶上现代环境健康风险的现实，这种更广泛的网状方法可能至关重要。一次研究一种化学物质——如铅或双酚 A（塑料中的常见添加剂）——永远无法在理解当今市场上 85,000 多种化学物质的影响方面取得突破。从一开始，Arora 就刻意挑战传统方法。

过去，科学家们使用个人病史问卷来评估铅和其他毒素的暴露情况。但这类调查并不完善；人们很少准确地自我报告，因为他们不了解自己的暴露情况。“这是 Manish 工作带来的真正突破，”Wright 说。“我们可以客观地测量过去的时间暴露。”

Wright 现在正在扩展这种方法，进行人群水平的研究。他正在测量追溯到 2005 年的空气污染水平，以更好地了解污染物如何影响人们的健康。这与观察单个牙齿相去甚远，但它建立在 Arora 的工作之上。

将疾病与暴露联系起来

Arora 将这种牙齿技术视为研究各种疾病的平等机会助手，它可能正在填补长期以来困扰科学家的病因方面的知识空白。

瑞典卡罗林斯卡学院的研究人员 Sven Bölte 和 Kristiina Tammimies 多年来一直在研究环境与自闭症谱系障碍的联系。Bölte 表示，他们已尽最大可能控制了遗传原因。现在他希望 Arora 的技术能让他们识别环境因素。不一致的双胞胎——那些没有相同的身体疾病或特征的双胞胎，例如一个患有哮喘或自闭症而另一个没有——提供了观察环境因素的机会，同时消除了遗传变量。牙齿提供了孩子在自闭症出现之前接触过的东西的时间胶囊。“其他一切，我们都是在症状已经出现，或者孩子已经确诊时收集的，”他说。他继续说，头发可能是另一种可能性，但它不像牙齿那样可以追溯到更远的时间，而且有些孩子出生时没有头发。

当 Arora 检查瑞典研究人员收集的牙齿时，他发现了一个令人惊讶的模式。与他们的双胞胎兄弟姐妹相比，患有自闭症的儿童在怀孕的第三个月锌和锰水平较低，出生后锰水平也较低。“从第一项研究开始，我对时机感到非常惊讶，”Tammimies 说。“这是关键影响之一。我们可以使用 [Arora 的] 工具来开始精确确定暴露的确切时机。”

从 2015 年开始，Arora 主导了一项 NIH 研究，该研究得出了类似的结果。他的团队再次研究了双胞胎，发现患有自闭症儿童的乳牙铅含量较高，锰和锌含量较低。他们的发现表明，金属暴露——以及身体处理它们的方式——可能对自闭症的风险很重要。Arora 和他的同事们此后在 2 月提交给 NIH 的一项更大规模的研究中复制了这些早期结果。

目前，Arora 与世界各地的研究人员合作——在瑞典和蒙古研究自闭症，在墨西哥城研究神经发育障碍，在孟加拉国研究砷的影响，以及在密歇根州研究铅等等。在纽约市，他正在收集 9/11 左右出生的儿童脱落的牙齿，分析他们接触了什么以及这些接触可能如何影响他们的健康。他还研究了成年人的健康问题，例如帕金森病和卢伽雷氏症。

Arora 有意避免了对某一特定疾病的更传统关注。他的目标是了解许多疾病和许多暴露的影响——并将整个环境健康领域引向研究一个更大的图景，而不是一次研究一种疾病或化学物质。

“如果环境对我们的整个生理系统很重要，那么根据这个定义，它对生理系统的许多扰动也很重要，因此它对许多疾病也很重要，”他说。

Arora 对未来充满期待，他表示他的目标是同时分析牙齿中的数万种化学物质。他提议与未确诊疾病网络合作，研究罕见且鲜为人知的疾病，并且他不断尝试寻找新的方法来理解环境对人类健康的影响。

坐在办公室里，在与远方合作者通电话和与实验室工作人员商讨之间，他看着墨西哥城那个男孩的牙齿。铅分析是他与包括墨西哥国家公共卫生研究所（该研究所希望减少铅暴露）在内的合作伙伴正在进行的一项研究的一部分。

“他们的使命是为公共健康带来积极的变化，”他说。

最终，他希望牙齿作为时间机器技术能用于此。我们越了解环境中哪些事物正在损害我们的健康以及何时损害，我们就越能在最重要的时候避免它们。