《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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本研究旨在通過多維化學分析方法，解決傳統健康監測手段難以全面、實時反映社區層面整體健康狀況的難題。研究團隊在香港開展了為期五周的“城市污水健康掃描”研究，通過對12個污水匯水區401個樣品的分析，將117種生物標志物歸類為7大健康類別。結果表明，該方法能夠系統性繪制城市內部健康負擔分布，揭示未被傳統調查充分報告的抗生素使用、煙草暴露及慢性病用藥模式，并與空氣污染物（如CO）存在顯著相關性，為靶向性公共衛生監測提供了新視角。
城市下水道如同城市的排泄系統，匯集了數百萬居民日常生活產生的廢水，其中包含著豐富的化學物質“痕跡”。這些“痕跡”源自我們攝入的藥物、食物以及環境暴露，被稱為生物標志物。如果對污水進行分析，就像為城市做了一次“健康體檢”，能揭示社區整體的健康秘密。這種研究方法被稱為污水流行病學(Wastewater-Based Epidemiology, WBE)。過去，WBE主要用于監測毒品、酒精等單一物質，但要全面評估社區健康，特別是日益增長的慢性非傳染性疾病負擔，僅靠少數指標是遠遠不夠的。香港作為全球人口密度最高的城市之一，同時也是預期壽命的領跑者，但其高壽背后的健康圖譜，尤其是與慢性病、環境相關的健康模式，仍有待深入探索。為了更全面地了解香港人口的健康狀況，并提供一個可以系統化解讀社區健康信息的新框架，香港大學的研究團隊在《Water Research》期刊上發表了一項研究，進行了一次開創性的“城市污水健康掃描”。
為了完成這項“掃描”，研究者們部署了一套系統的方法。他們在2023年10月至2024年3月期間，對香港11座主要污水處理廠的12個污水匯水區進行了五次采樣，共收集了401個24小時時間比例復合樣品。這些匯水區覆蓋了香港超過90%的污水流量。研究團隊運用了多殘留分析方法，通過超高效液相色譜-三重四極桿質譜(UPLC-MS/MS)聯用技術，定量分析了117種與健康相關的生物標志物及其代謝物。在數據分析階段，他們首先將這些生物標志物根據香港醫管局藥物名冊和世界衛生組織國際疾病分類(WHO ICD-11)的原則，歸納整合為45個特征，并進一步歸類為7大健康類別：傳染病、內分泌疾病、中樞神經系統疾病、心血管疾病、呼吸系統疾病、疼痛相關疾病和生活方式相關物質。核心觀測指標是人口標準化日負荷量(Population-normalized Daily Mass Load, PNDL)。研究者還運用了主成分分析(PCA)和模糊聚類等統計方法，探索不同區域的健康模式差異，并將PNDL與外部公共數據集（如空氣污染數據、藥物處方數據、健康調查數據）進行對比和關聯分析，以驗證WBE結果的可靠性并挖掘其公共衛生含義。
研究結果
3.1. 一個連接污水生物標志物與公共衛生意義的七類別WBE框架
研究建立了一個結構化的“90個生物標志物-45個特征-7個類別”分析框架，成功對香港進行了城市層面的污水健康掃描，計算了人口標準化日負荷量(PNDL)、攝入量(PNDI)和藥物使用流行率，并將其與外部公共數據進行比較，以評估公共衛生意義。
3.2. “城市污水健康掃描”：將城市內部健康特征的差異映射為三個聚類
模糊聚類分析將12個污水匯水區分為三個主要集群。集群1（MPS2, SL, SK）的特征是特定藥物使用模式，如局部抗真菌藥咪康唑、雄激素甲基睪酮等。集群3（SWH, SW, ShamT）則表現出廣泛的多種高水平的生物標志物，反映了更復雜的用藥模式，包括大環內酯類抗生素、抗抑郁藥SSRIs、苯二氮卓類鎮靜催眠藥、尼古丁等。集群2（MPS1, TP, ST等）的特征為中等水平的多類藥物。通過Top-N分析進一步發現，呼吸系統疾病相關特征的城市內部差異最顯著，香港北部水平較高。傳染病和心血管病相關類別也顯示出明顯的城市內部差異。
3.3. 呼吸系統疾病：交通相關的CO是最強關聯因子
研究發現，呼吸系統藥物沙丁胺醇、二羥丙茶堿和右美沙芬的PNDL與空氣污染物一氧化碳(CO)呈顯著正相關，且這種關聯可持續2-5天。其中，CO是香港44%源自道路交通的污染物。沙丁胺醇還與二氧化氮(NO2)、氮氧化物(NOx)、可吸入顆粒物(PM10)和細顆粒物(PM2.5)等與交通相關的污染物呈正相關。沙丁胺醇的估計使用流行率為12.5‰，高于歐洲和中國大陸的報告值。
3.4. 生活方式相關物質：可替寧水平全球較低，與沙丁胺醇有選擇性關聯
基于可替寧估算的尼古丁消費量為1454 mg/天/1000人，處于全球最低水平之一。由此估算的吸煙流行率為14.6%，高于基于調查的估計值(9.9%)，提示可能存在未報告的吸煙行為、電子煙使用或二手煙暴露。可替寧與沙丁胺醇呈強正相關(r=0.75)。咖啡因消費量約為117 mg/天/人，遠低于歐洲食品安全局(EFSA)建議的安全攝入量。
3.5. 傳染病：抗生素負荷升高提示非處方使用和局部熱點
在傳染病類別中，喹諾酮類和大環內酯類抗生素的PNDL最高。與處方數據對比發現，阿奇霉素、環丙沙星等多種抗生素的WBE估算消費量高于處方數據，表明可能存在非處方來源或未記錄的使用。局部抗真菌藥咪康唑和個人護理產品相關生物標志物三氯生、三氯卡班在少數污水區（如ShamT, SL, SK）水平顯著升高，這些區域恰好是海灘密集區。
3.6. 心血管疾病：抗高血壓生物標志物負荷反映高血壓流行率，區域差異顯著
在心血管疾病類別中，血管緊張素II受體拮抗劑(ARBs)的估計使用流行率最高(25.0%)，其次是鈣通道阻滯劑(CCBs, 14.6%)。ARBs和血管緊張素轉換酶抑制劑(ACEIs)在SW和ShamT地區（集群3）的流行率顯著更高，這些藥物通常推薦給年輕患者或有心腎并發癥的患者。基于一線治療藥物估算的ACEI/ARB使用率為26.3%，與香港2020-22年人口健康調查(PHS)報告的高血壓總體患病率(25.5%)高度吻合。
3.7. 疼痛相關疾病：疼痛負擔介于西方國家與中國大陸之間，NSAIDs流行率與市場份額匹配
在疼痛相關疾病中，非處方藥對乙酰氨基酚的估計流行率最高(4.6‰)，其次是非甾體抗炎藥(NSAIDs, 3.8‰)。NSAIDs中各藥物的流行率排序與其市場份額大體一致。這些生物標志物的PNDL低于英國、西班牙和澳大利亞的報告值，但高于中國大陸的報告值。
3.8. 中樞神經系統疾病：區域失眠負擔異質性及癡呆癥藥物依從性差距需關注
盡管大多數中樞神經系統疾病生物標志物的時空變異性較低，但鎮靜催眠/抗焦慮藥存在顯著差異。苯二氮卓類(BZDs)在集群3地區（特別是ShamT和SWH）最高，而Z-drugs在集群1地區（特別是SL和SK）占主導，顯示了失眠負擔的區域差異。抗抑郁藥中，5-羥色胺-去甲腎上腺素再攝取抑制劑(SNRIs)的估計流行率最高(9.2‰)。抗癡呆藥物加蘭他敏和美金剛的流行率較低，而傳統中藥石杉堿甲的使用率更高，這可能提示癡呆癥患者的藥物依從性有待提高。
3.9. 內分泌疾病：糖尿病藥物依從性差距
在內分泌疾病類別中，一線抗糖尿病藥二甲雙胍的估計使用流行率為8.7‰。根據其處方比例推算的2型糖尿病患病率估計值為1.3%，顯著低于香港PHS報告的7.4%，這可能與用藥模式和患者依從性有關。雄激素甲基睪酮在海灘豐富的地區（SK和SL）顯示出更高的PNDL。
結論與重要意義
本研究表明，一個結構化的多維“城市污水健康掃描”框架可以將WBE從單一目標監測，轉變為用于常規、注重公平的人口健康管理的可操作工具。其關鍵意義在于：首先，它將多樣的生物標志物組織到具有臨床意義的類別中，使WBE能夠充當城市的定期“健康體檢”，追蹤傳染病和非傳染性疾病負擔。其次，基于類別的分析揭示了清晰的城市內部健康異質性，特別是在呼吸系統藥物、傳染病抗真菌藥和失眠相關中樞神經系統藥物方面。社會經濟地位較低的區域顯示出更高的總體藥物生物標志物負荷，這為基于地理和需求的重點預防提供了依據。第三，從香港整體健康圖譜來看，其生物標志物負荷在全球處于中低范圍，煙草相關生物標志物極低，特征與良好的心血管疾病控制一致。然而，WBE估算的吸煙率高于調查數據，并且交通相關空氣污染與呼吸系統藥物使用之間存在顯著的時滯正相關。這些發現突顯了在香港這樣的高密度城市環境中，進一步探究空氣污染、二手煙暴露與呼吸系統疾病負擔之間關系的必要性。最后，受常規健康檢查啟發，該研究提出的框架為城市層面的健康檢查奠定了基礎。它具有可擴展性和可轉移性，可以通過納入更多生物標志物，應用于其他城市，以實現更全面的人口健康評估。
