《Water Research》：From Health Check-Ups to “City Sewage Health Scan”: Multidimensional Chemical Analysis for Wastewater-Based Epidemiology in Hong Kong
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本研究旨在通过多维化学分析方法，解决传统健康监测手段难以全面、实时反映社区层面整体健康状况的难题。研究团队在香港开展了为期五周的“城市污水健康扫描”研究，通过对12个污水汇水区401个样品的分析，将117种生物标志物归类为7大健康类别。结果表明，该方法能够系统性绘制城市内部健康负担分布，揭示未被传统调查充分报告的抗生素使用、烟草暴露及慢性病用药模式，并与空气污染物（如CO）存在显著相关性，为靶向性公共卫生监测提供了新视角。
城市下水道如同城市的排泄系统，汇集了数百万居民日常生活产生的废水，其中包含着丰富的化学物质“痕迹”。这些“痕迹”源自我们摄入的药物、食物以及环境暴露，被称为生物标志物。如果对污水进行分析，就像为城市做了一次“健康体检”，能揭示社区整体的健康秘密。这种研究方法被称为污水流行病学(Wastewater-Based Epidemiology, WBE)。过去，WBE主要用于监测毒品、酒精等单一物质，但要全面评估社区健康，特别是日益增长的慢性非传染性疾病负担，仅靠少数指标是远远不够的。香港作为全球人口密度最高的城市之一，同时也是预期寿命的领跑者，但其高寿背后的健康图谱，尤其是与慢性病、环境相关的健康模式，仍有待深入探索。为了更全面地了解香港人口的健康状况，并提供一个可以系统化解读社区健康信息的新框架，香港大学的研究团队在《Water Research》期刊上发表了一项研究，进行了一次开创性的“城市污水健康扫描”。
为了完成这项“扫描”，研究者们部署了一套系统的方法。他们在2023年10月至2024年3月期间，对香港11座主要污水处理厂的12个污水汇水区进行了五次采样，共收集了401个24小时时间比例复合样品。这些汇水区覆盖了香港超过90%的污水流量。研究团队运用了多残留分析方法，通过超高效液相色谱-三重四极杆质谱(UPLC-MS/MS)联用技术，定量分析了117种与健康相关的生物标志物及其代谢物。在数据分析阶段，他们首先将这些生物标志物根据香港医管局药物名册和世界卫生组织国际疾病分类(WHO ICD-11)的原则，归纳整合为45个特征，并进一步归类为7大健康类别：传染病、内分泌疾病、中枢神经系统疾病、心血管疾病、呼吸系统疾病、疼痛相关疾病和生活方式相关物质。核心观测指标是人口标准化日负荷量(Population-normalized Daily Mass Load, PNDL)。研究者还运用了主成分分析(PCA)和模糊聚类等统计方法，探索不同区域的健康模式差异，并将PNDL与外部公共数据集（如空气污染数据、药物处方数据、健康调查数据）进行对比和关联分析，以验证WBE结果的可靠性并挖掘其公共卫生含义。
研究结果
3.1. 一个连接污水生物标志物与公共卫生意义的七类别WBE框架
研究建立了一个结构化的“90个生物标志物-45个特征-7个类别”分析框架，成功对香港进行了城市层面的污水健康扫描，计算了人口标准化日负荷量(PNDL)、摄入量(PNDI)和药物使用流行率，并将其与外部公共数据进行比较，以评估公共卫生意义。
3.2. “城市污水健康扫描”：将城市内部健康特征的差异映射为三个聚类
模糊聚类分析将12个污水汇水区分为三个主要集群。集群1（MPS2, SL, SK）的特征是特定药物使用模式，如局部抗真菌药咪康唑、雄激素甲基睾酮等。集群3（SWH, SW, ShamT）则表现出广泛的多种高水平的生物标志物，反映了更复杂的用药模式，包括大环内酯类抗生素、抗抑郁药SSRIs、苯二氮卓类镇静催眠药、尼古丁等。集群2（MPS1, TP, ST等）的特征为中等水平的多类药物。通过Top-N分析进一步发现，呼吸系统疾病相关特征的城市内部差异最显著，香港北部水平较高。传染病和心血管病相关类别也显示出明显的城市内部差异。
3.3. 呼吸系统疾病：交通相关的CO是最强关联因子
研究发现，呼吸系统药物沙丁胺醇、二羟丙茶碱和右美沙芬的PNDL与空气污染物一氧化碳(CO)呈显著正相关，且这种关联可持续2-5天。其中，CO是香港44%源自道路交通的污染物。沙丁胺醇还与二氧化氮(NO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入颗粒物(PM10)和细颗粒物(PM2.5)等与交通相关的污染物呈正相关。沙丁胺醇的估计使用流行率为12.5‰，高于欧洲和中国大陆的报告值。
3.4. 生活方式相关物质：可替宁水平全球较低，与沙丁胺醇有选择性关联
基于可替宁估算的尼古丁消费量为1454 mg/天/1000人，处于全球最低水平之一。由此估算的吸烟流行率为14.6%，高于基于调查的估计值(9.9%)，提示可能存在未报告的吸烟行为、电子烟使用或二手烟暴露。可替宁与沙丁胺醇呈强正相关(r=0.75)。咖啡因消费量约为117 mg/天/人，远低于欧洲食品安全局(EFSA)建议的安全摄入量。
3.5. 传染病：抗生素负荷升高提示非处方使用和局部热点
在传染病类别中，喹诺酮类和大环内酯类抗生素的PNDL最高。与处方数据对比发现，阿奇霉素、环丙沙星等多种抗生素的WBE估算消费量高于处方数据，表明可能存在非处方来源或未记录的使用。局部抗真菌药咪康唑和个人护理产品相关生物标志物三氯生、三氯卡班在少数污水区（如ShamT, SL, SK）水平显著升高，这些区域恰好是海滩密集区。
3.6. 心血管疾病：抗高血压生物标志物负荷反映高血压流行率，区域差异显著
在心血管疾病类别中，血管紧张素II受体拮抗剂(ARBs)的估计使用流行率最高(25.0%)，其次是钙通道阻滞剂(CCBs, 14.6%)。ARBs和血管紧张素转换酶抑制剂(ACEIs)在SW和ShamT地区（集群3）的流行率显著更高，这些药物通常推荐给年轻患者或有心肾并发症的患者。基于一线治疗药物估算的ACEI/ARB使用率为26.3%，与香港2020-22年人口健康调查(PHS)报告的高血压总体患病率(25.5%)高度吻合。
3.7. 疼痛相关疾病：疼痛负担介于西方国家与中国大陆之间，NSAIDs流行率与市场份额匹配
在疼痛相关疾病中，非处方药对乙酰氨基酚的估计流行率最高(4.6‰)，其次是非甾体抗炎药(NSAIDs, 3.8‰)。NSAIDs中各药物的流行率排序与其市场份额大体一致。这些生物标志物的PNDL低于英国、西班牙和澳大利亚的报告值，但高于中国大陆的报告值。
3.8. 中枢神经系统疾病：区域失眠负担异质性及痴呆症药物依从性差距需关注
尽管大多数中枢神经系统疾病生物标志物的时空变异性较低，但镇静催眠/抗焦虑药存在显著差异。苯二氮卓类(BZDs)在集群3地区（特别是ShamT和SWH）最高，而Z-drugs在集群1地区（特别是SL和SK）占主导，显示了失眠负担的区域差异。抗抑郁药中，5-羟色胺-去甲肾上腺素再摄取抑制剂(SNRIs)的估计流行率最高(9.2‰)。抗痴呆药物加兰他敏和美金刚的流行率较低，而传统中药石杉碱甲的使用率更高，这可能提示痴呆症患者的药物依从性有待提高。
3.9. 内分泌疾病：糖尿病药物依从性差距
在内分泌疾病类别中，一线抗糖尿病药二甲双胍的估计使用流行率为8.7‰。根据其处方比例推算的2型糖尿病患病率估计值为1.3%，显著低于香港PHS报告的7.4%，这可能与用药模式和患者依从性有关。雄激素甲基睾酮在海滩丰富的地区（SK和SL）显示出更高的PNDL。
结论与重要意义
本研究表明，一个结构化的多维“城市污水健康扫描”框架可以将WBE从单一目标监测，转变为用于常规、注重公平的人口健康管理的可操作工具。其关键意义在于：首先，它将多样的生物标志物组织到具有临床意义的类别中，使WBE能够充当城市的定期“健康体检”，追踪传染病和非传染性疾病负担。其次，基于类别的分析揭示了清晰的城市内部健康异质性，特别是在呼吸系统药物、传染病抗真菌药和失眠相关中枢神经系统药物方面。社会经济地位较低的区域显示出更高的总体药物生物标志物负荷，这为基于地理和需求的重点预防提供了依据。第三，从香港整体健康图谱来看，其生物标志物负荷在全球处于中低范围，烟草相关生物标志物极低，特征与良好的心血管疾病控制一致。然而，WBE估算的吸烟率高于调查数据，并且交通相关空气污染与呼吸系统药物使用之间存在显著的时滞正相关。这些发现突显了在香港这样的高密度城市环境中，进一步探究空气污染、二手烟暴露与呼吸系统疾病负担之间关系的必要性。最后，受常规健康检查启发，该研究提出的框架为城市层面的健康检查奠定了基础。它具有可扩展性和可转移性，可以通过纳入更多生物标志物，应用于其他城市，以实现更全面的人口健康评估。
