Exposure science

Exposure science is the study of the contact between humans (and other organisms) and harmful agents within their environment – whether it be chemical, physical, biological, behavioural or mental stressors – with the aim of identifying the causes and preventions of the adverse health effects they result in.^[1][2] This can include exposure within the home, workplace, outdoors or any other environment an individual may encounter.^[3] The term 'exposure' is the umbrella term for many different types, ranging from ultraviolet exposure,^[4] exposure to the chemicals in the food we eat,^[5] to exposure to long working hours being the occupational factor most attributable to the burden of disease.^[6]

The need for the field arises from the expansive range of exposures which have resulted in negative health outcomes for humans and other organisms, and mainly focus on the relationship between external exposure, internal exposure and dose.^[2] By tightly integrating the fields of epidemiology, toxicology, biochemistry, environmental science and risk assessment, holistic comprehension of an exposure is achieved to protect human and ecosystem health on an individual, community and global levels.^[1] Though the history of exposure science had an initial slow start, developments have significantly accelerated in the past three decades,^[7] including the beginnings of the formation of the "exposome".^[8] However, there is still much unknown and research in the field is only expanding to cover the increasing amount of identified exposures.

تتجلى أهمية أبحاث علم التعرض في النطاق الواسع للآثار الصحية السلبية التي تُثقل كاهل السكان. تتوقع منظمة الصحة العالمية أن ما يقارب 24% إلى 40% من عبء الأمراض العالمي ناتج عن عوامل بيئية، وهو ما يُمثل العبء الصحي الأكبر في الدول المتقدمة، كما أن الدخان الناتج عن وقود الطهي داخل المنازل يُسبب 3.8 مليون حالة وفاة سنويًا. ^{[ 9 ]} تشمل الأمراض والوفيات الأخرى الناتجة عن التعرض أنواعًا من السرطان (مثل سرطان الجلد الناتج عن التعرض للأشعة فوق البنفسجية)، والتوحد (المرتبط بمستويات عالية من تلوث الهواء)، ومرض باركنسون (المرتبط بالتعرض لأكسيد النيتريك)، وتلف الخلايا الذي يُسبب داء السكري وأمراض القلب والأوعية الدموية وأمراض الرئة. ^{[ 10 ]}

منذ بدء الأبحاث، تحققت العديد من الإنجازات التي حسّنت صحة الأفراد وحمتها. ومن الأمثلة على ذلك الربط بين التعرض للأشعة فوق البنفسجية وتطور الأنواع الثلاثة الرئيسية لسرطان الجلد، ^{[ 11 ]} مما أدى في نهاية المطاف إلى تطوير وسائل وقائية مثل التوعية بأهمية استخدام واقي الشمس. كما رُبط التعرض للعدوى أثناء الحمل (مثل الإنفلونزا والحصبة الألمانية) بزيادة خطر الإصابة بالتوحد والفصام. ^{[ 12 ]} وقد أدى تطوير الملابس والمواد التي تحمي العاملين في مجال الرعاية الصحية من التعرض للعدوى، ورجال الإطفاء من التعرض للحرارة، إلى زيادة مستوى الحماية في هاتين المهنتين. ^{[ 13 ]}

مع ذلك، لا يقتصر هدف علم التعرض على فهم وحماية صحة الإنسان فحسب، بل توجد العديد من الحالات الموثقة التي يُلحق فيها التعرض للأنشطة البشرية ضررًا بالبيئة. ففي عام 2003، اكتُشف أن تلف الكبد لدى الأسماك في خليج بيوجت ساوند (ولاية واشنطن) مرتبط بتلوث المياه بالهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات الموجودة في الفحم والبنزين. ^{[ 14 ]} كما تم اكتشاف استنزاف طبقة الأوزون نتيجةً لمركبات الكلوروفلوروكربون والهالونات الموجودة في الثلاجات ومكيفات الهواء وهالونات الطائرات وعلب الرذاذ. ^{[ 15 ] [ 16 ]} ويرتبط إنتاج غازات الاحتباس الحراري من مصادر مثل النقل والزراعة ارتباطًا وثيقًا بالاحتباس الحراري، ^{[ 17 ]} مما يؤدي بدوره إلى ارتفاع مستوى سطح البحر وإلحاق الضرر بالبيئات التي تعيش فيها العديد من الأنواع. ^{[ 18 ]}

أُجريت إحدى أقدم الدراسات حول التعرض للملوثات على يد أبقراط عام 400 قبل الميلاد، عندما نشر كتابه "الهواء والماء والأماكن"، موضحًا أن جودة الهواء والماء والغذاء والمعيشة تؤثر على انتشار الأمراض البشرية. ^{[ 19 ]} واستمرت هذه الدراسات حتى أواخر القرن العشرين الميلادي، حيث نُشرت المزيد منها، مثل دراسة العلاقة بين تلوث المياه ومرض الكوليرا في لندن عام 1855. ^{[ 20 ]} إلا أن من أبرز المنشورات التي أرست أسس توسع علم التعرض إلى ما هو عليه اليوم، دراسة "تقييمات التعرض البشري للملوثات المحمولة جوًا: التطورات والفرص" الصادرة عن المجلس الوطني للبحوث. ^{[ 21 ] [ 7 ]} وكانت هذه الدراسة الأولى التي "حددت المبادئ الأساسية لتقييم التعرض "، ^{[ 2 ]} وأسفرت عن زيادة الاستثمارات في تقنيات الإكسبوزوم، ونمو برامج علم التعرض مثل برنامج HELIX ^{[ 22 ]} والمختبر الوطني لأبحاث التعرض. ^{[ 23 ]} يتمثل أحدث تطور في علم التعرض في تحويل التركيز نحو تطوير "الإكسبوزوم" ليتوافق مع البناء الجاري بالفعل لـ"الجينوم" الكامل. ^{[ 8 ] [ 24 ]}

إن فهم مسار التعرض من المصدر إلى المرض يوفر صورة شاملة لمصدر التعرض ونتائجه الضارة على الكائن الحي، كما ذكر بول ليوي وكيرك سميث (2021) أن "علم التعرض يرتبط ارتباطًا مباشرًا بالمصادر التي يمكن السيطرة عليها وبالبيئة الداخلية للكائنات الحية المعنية". ^{[ 7 ] [ 2 ]}

يمكن تصنيف مصادر التعرض إلى مصادر خارجية (خارجية) ومصادر داخلية (داخلية). تشمل المصادر الخارجية الإشعاع، وملوثات الهواء، والغذاء، والتفاعلات الاجتماعية. أما المصادر الداخلية فتشمل البكتيريا المعوية، والإجهاد التأكسدي ، والضغط النفسي. ^{[ 10 ] [ 25 ]} من المعروف أن مصادر التعرض الداخلية قد تكون ناتجة عن مصادر خارجية سابقة. على سبيل المثال، قد يؤدي التعرض لنقص فيتامين ب12 في النظام الغذائي إلى ارتفاع مستوى الهوموسيستين في الدم، مما يزيد من الإجهاد التأكسدي في الجسم، ويؤدي إلى احتمالية الإصابة بالخرف الوعائي والسكتة الدماغية. ^{[ 26 ]} يُعد تحديد المصدر أمرًا بالغ الأهمية لتحديد العامل الذي قد يُسبب آثارًا ضارة على الإنسان أو الكائنات الحية الأخرى. كما أنه مؤشر على المجالات المحددة التي يجب إدراجها في دراسات آثارها. فعلى سبيل المثال، تتطلب دراسة التعرضات المرتبطة بالنظام الغذائي استشارة أخصائيي التغذية، بينما لا تتطلب دراسة التعرض للإشعاع ذلك، بل تتطلب استشارة الكيميائي.

يشير مصطلح "التلامس " إلى الموقع أو الطريقة التي يتعرض بها الكائن الحي للمصدر. على سبيل المثال، لا يحدث خطر التلامس مع الأشعة فوق البنفسجية الشمسية إلا خلال النهار، وليس في الليل. ^{[ 11 ]} يتغير مستوى تعرض الإنسان (أو أي كائن حي آخر) للمصدر باختلاف البيئات، أو قد تتغير جرعة التلامس أو تكراره. ^{[ 1 ]} يُمكّن تحديد أماكن التلامس الباحثين من معرفة كيفية تجنبها أو تقليلها. على سبيل المثال، يُقلل حظر الأطعمة التي تحتوي على الفول السوداني (مثل زبدة الفول السوداني) في المدارس من احتمالية تعرض طفل مصاب بحساسية الفول السوداني لها دون علمه، وبالتالي يمنع حدوث رد فعل تحسسي. ^{[ 27 ]}

بمجرد ملامسة المادة المُعرِّضة، يُعرَّف المسار بأنه الطريق الذي تصل من خلاله هذه المادة إلى مناطق الجسم التي يُحتمل أن تُسبب الضرر. تشمل الأمثلة الشائعة للمسارات الاستنشاق، والابتلاع، والامتصاص عبر الجلد، أو تلوث الجروح. ^{[ 7 ]} يُمكن للمسار أن يُحدد سرعة حدوث التعرض الضار، حيث يُعتبر الاستنشاق أسرع مسار لامتصاص المادة، يليه التلامس الجلدي ثم الابتلاع. ^{[ 28 ]}

يُستخدم مصطلح " الجرعة " غالبًا كمرادف لمصطلح "التعرض"، أو يُشار إليه بجرعة التعرض، أو الجرعة المستهدفة، أو الجرعة الداخلية، أو الجرعة الخارجية، على سبيل المثال لا الحصر. ^{[ 1 ]} يُعد قياس جرعة التعرض اللازمة لإحداث الضرر أمرًا أساسيًا لتحديد العتبة التي يتجاوز عندها مقدار التعرض الحد الآمن ويصبح سامًا. ^{[ 29 ]} وهنا يتقاطع مجال علم التعرض مع علم السموم. ويمكن أن تشمل الجرعة أيضًا الفترة الزمنية التي يتعرض فيها الكائن الحي: فكلما طالت مدة التعرض، زادت الجرعة وازداد احتمال تجاوزها العتبة.

إذا تجاوزت الجرعة عتبة سميتها، فقد تُسبب تأثيرًا بيولوجيًا يؤدي إلى مرض في الكائن الحي. ^{[ 7 ]} تُعدّ الآثار الصحية الضارة الناجمة عن التعرّض السبب الرئيسي لظهور علم التعرّض. ^{[ 1 ] [ 2 ]}

عرّف كريستوفر بول وايلد ^{[ 8 ]} مفهوم الإكسبوزوم لأول مرة بأنه "التعرضات البيئية طوال دورة الحياة (بما في ذلك عوامل نمط الحياة)، بدءًا من فترة ما قبل الولادة". ومع ذلك، عُدّلت تعريفات مشابهة، منها تعريف ميلر وجونز ^{[ 30 ]} اللذين أعادا تعريف الإكسبوزوم بأنه "المقياس التراكمي للتأثيرات البيئية والاستجابات البيولوجية المرتبطة بها طوال فترة الحياة، بما في ذلك التعرضات من البيئة والنظام الغذائي والسلوك والعمليات الداخلية". ويُطلق على دراسة الإكسبوزوم الآن اسم "علم الإكسبوزوميات" في إشارة إلى جميع التقنيات المستخدمة لدراسة البيئة والخلايا والمواد الكيميائية للكائن الحي. ^{[ 10 ]}

انبثقت الفكرة من المفهوم السابق لـ" الجينوم "، وهو مجموعة التعليمات الجينية الكاملة التي تُشغّل وظائف الجسم، والذي ركّز عليه وايلد طوال مسيرته المهنية في تقييم التعرّض وعلم جينوم السرطان . وقد أدى فهم الجينوم إلى القدرة على التنبؤ بالأشخاص المُعرّضين للإصابة بأمراض مزمنة مُحدّدة. ^{[ 8 ]} في مجال بحثه، يُحدّد كريستوفر وايلد التعرّض البيئي باعتباره العامل المؤثر الرئيسي واللغز الأساسي لانتشار السرطان. وخلص إلى ضرورة وجود "الإكسبوزوم"، مثل الجينوم، لرسم خريطة لمجموعة التعرّضات البيئية الكاملة التي يواجهها الإنسان طوال حياته، وذلك لتسهيل الوقاية من الأمراض المزمنة الناجمة عن التعرّض وتحديد مصادرها، بالإضافة إلى الفئات العمرية المُستهدفة. ^{[ 24 ]}

في عام ٢٠١٢، واصل وايلد توسيع نطاق وصفه للإكسبوزوم وتداعياته. ^{[ ٢٤ ]} وقد شمل ذلك العمليات الحيوية الداخلية كالأيض والهرمونات والميكروبات والإجهاد التأكسدي، والتعرضات الخارجية كالإشعاع والعوامل المعدية والنظام الغذائي، بالإضافة إلى التعرضات الاجتماعية والاقتصادية والنفسية. وشهدت التسعينيات تحولًا كبيرًا نحو الدراسات المتعلقة بالجينات والأمراض، بفضل سهولة تحديد النمط الجيني ودراسة تعدد الأشكال الجينية، ومؤخرًا سمحت تصميمات الدراسات الجديدة للباحثين بمتابعة أحجام عينات متزايدة. ^{[ ٨ ]} ومع ذلك، في عام ٢٠١٢ أيضًا، وصف وايلد الأدوات والأساليب العملية التي يمكن استخدامها لتطوير الإكسبوزوم بفعالية. وشمل ذلك علم الجينوم الحيوي (مثل علم الجينوم، وعلم النسخ ، وعلم المناعة )، وتقنيات الاستشعار (مثل استخدام الهواتف المحمولة لقياس النشاط البدني والإجهاد وإيقاعات النوم)، والتصوير (للأنظمة الغذائية والتفاعلات الاجتماعية).