je bent niet alleen wat je eet, maar ook wat je drinkt of inademt. het geheel van stoffen waaraan je tijdens je leven wordt blootgesteld wordt het exposoom genoemd, naar analogie met het genoom. uit recent epidemiologisch onderzoek blijkt nu dat het exposoom verrassend veel van het risico op ziekte bepaalt, meer zelfs dan genetische factoren. in ‘exposomics’ wordt het verband tussen blootstelling en de ontwikkeling van ziekte bestudeerd.

Het exposoom: op zoek naar de oorzaken van ziekte in onze omgeving

Lode Godderis

‘Je bent wat je eet’ is een oude volkswijsheid: ze leert ons dat als je gezond eet, je gezond zal worden en blijven. Het omgekeerde geldt evenzeer: als je ongezond leeft (met weinig fysieke activiteit, een vetrijk dieet en roken) of je woont in een ongezonde omgeving met veel pollutie, dan neemt de kans toe dat een ziekte zich ontwikkelt. Je bent dus niet alleen wat je eet, maar ook wat je drinkt of inademt. Alles wat je opneemt tijdens je leven, draagt potentieel bij tot je gezondheid. Die totaliteit van externe factoren en stoffen die we opnemen tijdens ons leven wordt het exposoom genoemd, naar analogie met het genoom. Het genoom beschrijft de volledige genetische samenstelling van de mens, terwijl het exposoom het geheel van stoffen beschrijft waaraan de mens wordt blootgesteld. Beide factoren dragen bij tot het risico op ziekte, naast andere factoren zoals gedrag of levensstijl. Voor een aantal vaak voorkomende aandoeningen (zoals de ziekte van Alzheimer, de ziekte van Parkinson, long- en darmkanker) kennen we een aantal genetische en omgevingsfactoren. Ondanks de vooruitgang in de geneeskunde blijven deze ziektes echter nog voor een groot deel onverklaarbaar. Uit recent epidemiologisch onderzoek blijkt dat het exposoom verrassend veel van het risico bepaalt. Onderzoek bij immigranten en tweelingen toont aan dat slechts tien procent van de aandoeningen uitsluitend toe te schrijven is aan genetische factoren. Het merendeel van de chronische aandoeningen (negentig procent) wordt veroorzaakt door niet-genetische factoren.

Hoe langer een migrant in een gastland woont, hoe meer zijn gezondheidsrisico het risico van de inheemse bevolking zal benaderen

Eeneiige tweelingen hebben niet hetzelfde risico om chronische ziektes (zoals kanker) te ontwikkelen, ondanks het feit dat ze genetisch identiek zijn en dezelfde leeftijd hebben. Daarnaast is ook bekend dat de gezondheidstoestand bij immigrantenpopulaties geleidelijk aan evolueert in de richting van het gastland. Hoe langer een migrant in een gastland woont, hoe meer zijn gezondheidsrisico het risico van de inheemse bevolking zal benaderen. Dit werd aangetoond bij Russische immigranten in Israël en Duitsland. De doodsoorzaken van de immigranten van beide gastlanden verschilden niet alleen onderling, er was bovendien een heel duidelijk onderscheid met de sterfteoorzaken van het land van oorsprong (Rusland). Het risico op onder andere maagkanker lag opvallend lager in beide gastlanden. Bij de immigranten werd de daling in het voorkomen van maagkanker verklaard door de verhoogde beschikbaarheid en consumptie van fruit, groenten en andere bronnen van antioxidantia, in combinatie met een verminderd verbruik van gezouten, gerookt en bewaard vlees. Als we een brede definitie gebruiken van omgeving, is het risico op een chronische of een degeneratieve aandoening dus eerder te verklaren door omgevingsfactoren. Door gedragswijzigingen en preventiemaatregelen kan een belangrijk aandeel van de chronische ziekten worden voorkomen. Daarom is het belangrijk het exposoom van een individu volledig te kunnen karakteriseren, om zo het verband tussen blootstelling en ziekte te bestuderen. Die bevindingen hebben aanleiding gegeven tot het nieuwe domein van ‘exposomics’, dat past in het rijtje van een reeks andere zogenaamde ‘omics’-technologieën.

De eerste ‘omics’-technologie was ‘genomics’, de studie van het volledige menselijke genoom en de technieken die ervoor gebruikt worden. De term is afgeleid van ‘genoom’ en werd in 1986 bedacht door de geneticus Thomas H. Roderick (Jackson Laboratory) tijdens een congres over de bepaling van het menselijke genoom. Na een congresdag ging hij samen met Frank Ruddle (Yale University) en Victor McKusick (Johns Hopkins University) naar de lokale McDonald’s om te overleggen over de oprichting van een nieuw wetenschappelijk tijdschrift. Tussen pot en pint werd nagedacht over een naam en werd Genomics voorgesteld, een naam die het tijdschrift nog altijd draagt. Snel na de introductie van de term ontstond in het zog van genomics een hele batterij van ‘omics’-disciplines, zoals ‘transcriptomics’ en ‘proteomics’. Een deel van de genetische informatie van de cellen wordt gebruikt voor de productie van eiwitten. In een eerste fase – de transcriptie – wordt de DNA-code omgezet naar messenger-RNA. Dit mRNA zal zich vervolgens binden aan ribosomen, waarna het mRNA wordt uitgelezen voor de vorming van eiwitten. Deze tweede fase noemt men ook de translatie. Transcriptie en translatie vormen samen één proces: de ‘genexpressie’. Er zijn naar schatting 25 000 genen gekend, die op die manier coderen voor meer dan 100 000 eiwitten.

In transcriptomics wordt mRNA geïdentificeerd en gekwantificeerd om alle genen te bepalen die tot expressie zijn gekomen. In proteomics onderzoekt men alle eiwitten (het proteoom) die aangemaakt worden door cellen. In deze onderzoeksdomeinen worden bijvoorbeeld genexpressie- en eiwitprofielen van pathologische cellen vergeleken met die van gezonde cellen. Dit onderzoek levert enorm veel informatie op over ziektemechanismen en genetische, moleculaire en biologische processen. Die kennis is belangrijk voor het voorkomen, de diagnose en de behandeling van een aandoening.

In tegenstelling tot het genoom verschillen de genexpressie en het proteoom van cel tot cel. Elk celtype gebruikt maar een beperkt deel van de genetische informatie. Huidcellen gebruiken bijvoorbeeld andere genetische informatie dan longcellen. Bovendien wijzigen genexpressie- en eiwitprofielen voortdurend tijdens de normale levenscyclus van een cel, ook onder invloed van veranderingen in de omgeving van de cel. Dit laatste wordt specifiek onderzocht in ‘toxicogenomics’. In dit onderzoeksdomein worden de gevolgen bestudeerd van blootstelling aan omgevingsfactoren en toxische stoffen op genen en hun expressie. De blootstelling aan stoffen kan met in-vitro-experimenten vrij goed worden gecontroleerd en gekarakteriseerd, maar bij mensen blijft dit heel moeilijk. De opname verloopt immers via verschillende wegen, zoals longen, huid, maag of darmen, en heeft verschillende oorzaken, zoals het beroep, de voeding of het algemene milieu. Mensen zijn blootgesteld aan duizenden verschillende stoffen, die nog niet allemaal gekend en geïdentificeerd zijn, en waarvan we slechts een klein percentage kunnen meten.

De blootstelling aan omgevingsstoffen wijzigt bovendien sterk gedurende het leven. De luchtkwaliteit varieert per seizoen en naargelang van de weersomstandigheden. Door de industrialisering verslechterde de luchtkwaliteit drastisch gedurende de twintigste eeuw, en dit had een impact op de gezondheid van de mens. Tegelijkertijd verbeterden de hygiëne en de voeding, wat dan weer een gunstige invloed had op de levenskwaliteit en -duur van de mens.

Ook het voedingspatroon verandert met de leeftijd. Pasgeborenen worden eerst gevoed met (moeder)melkproducten. Zelfs hier kunnen omgevingsstoffen worden opgenomen, zoals dioxines, vetoplosbare, hormoonverstorende stoffen die via de moedermelk bij de baby terechtkomen. In de peutertijd kruipen kinderen over de grond en gaan ze tal van niet-eetbare zaken in hun mond stoppen en mogelijk inslikken. Kinderen zijn gevoeliger dan volwassenen en de opname van giftige stoffen kan dan ook ernstige gevolgen hebben. Een bekend voorbeeld is loodvergiftiging bij peuters door het opeten van afgebladderde loodhoudende verf. De blootstelling kan enorm variëren tijdens het leven en tussen verschillende personen (er zijn ook specifieke culturele verschillen) en blijft dus moeilijk te kwantificeren. Met ‘omics’-technologieën wordt het wellicht mogelijk om de individuele blootstelling tijdens het volledige leven te beschrijven.

‘Exposomics’ hoort ook thuis in het ‘omics’-rijtje. De term werd in 2005 voorgesteld door Christopher Wild, directeur bij het International Agency for Research on Cancer (IARC). In exposomics wordt het exposoom bestudeerd, dus de volledige blootstelling tijdens het leven (van wieg tot graf). De technische moeilijkheden voor de bepaling van het exposoom zijn intussen niet meer onoverkomelijk: in de toekomst zal het mogelijk zijn om de impact van blootstelling op de ontwikkeling van ziekte te onderzoeken. Binnen exposomics zijn er twee grote onderzoekslijnen. Sommige onderzoekers werken aan sensoren om de externe blootstelling te meten (bottom-upbenadering). Anderen werken aan methodes om het ‘interne exposoom’ te detecteren (top-downbenadering), door bijvoorbeeld genexpressie- en eiwitprofielen in bloedcellen te onderzoeken, die de globale effecten van voeding, toxische stoffen en andere risico’s weergeven.

Bij ‘bottom-up exposomics’ bemonstert men lucht-, water-, bodem- en voedingssstalen, waarna de monsters geanalyseerd worden en de blootstelling gekwantificeerd wordt. Via chemische analysetechnieken zoals gaschromatografie of massaspectrometrie is het perfect mogelijk om in een luchtstaal honderden vluchtige organische componenten tegelijk te detecteren en te kwantificeren, waaronder alifatische, aromatische en gehalogeneerde koolwaterstoffen, esters, ketonen, glycolethers en derivaten, en alcoholen. Daarnaast kan men via inductief gekoppelde plasma-massaspectrometrie (ICP-MS) concentraties van verschillende metalen (chromium, cadmium, lood, …) in gecollecteerd stof bepalen. Het voordeel van deze benadering is dat de blootstelling rechtstreeks gekoppeld kan worden aan de oorsprong. Er kunnen dan vrij snel preventieve maatregelen bij de bron worden genomen om de blootstelling te verminderen: toxische stoffen verwijderen of afschermen, of dampen afzuigen en filteren. Dergelijke maatregelen verhinderen of verminderen de opname in het lichaam, waardoor die stoffen minder of geen gezondheidseffecten en ziektes meer kunnen veroorzaken. Dit is de krachtigste manier om aan ziektepreventie te doen.

Heel wat stoffen kunnen worden gemeten, maar een belangrijk nadeel is dat er, afhankelijk van de stof die je wilt meten, een ander opnamemedium nodig is. Het is nog niet mogelijk om alle toxische stoffen op éénzelfde monsternamemedium te onderzoeken. Voor solventen wordt bijvoorbeeld een actieve koolbuis gebruikt, terwijl metalen op een polyvinylchloride (PVC) filter worden gemeten. Vervolgens zijn er verschillende analysetechnieken nodig om de verschillende stoffen te onderzoeken. Er lopen momenteel testen met microchips in draagbare toestellen (zoals gps-toestellen, smartphones of horloges) om zoveel mogelijk stalen tegelijkertijd op micromedia te vangen en direct te meten. Andere onderzoekers maken gebruik van beeldvormingstechnieken om bijvoorbeeld de opname van stoffen via de voeding in kaart te brengen. Zoals je met een smartphone een foto van een monument kan nemen, waarna een applicatie je bijkomende informatie geeft over het monument, zou je met een smartphone een foto van je maaltijd kunnen nemen, waarna het toestel een berekening maakt van de samenstelling en die bijhoudt in een persoonlijke dieethistoriek. Die gegevens kunnen op geregelde tijdstippen worden gesynchroniseerd en opgeslagen in een medisch elektronisch dossier. Deze info kan dan tijdens consultaties worden gebruikt door artsen en paramedici om gepersonaliseerd advies te geven om ziektes te voorkomen, oorzaken van ziektes vast te stellen, te diagnosticeren en te behandelen. Het is niet ondenkbaar dat dit (binnenkort) kan worden gerealiseerd, gezien de snelle vooruitgang in draadloze data- en informatie-uitwisseling.

De manier waarop stoffen worden opgenomen, omgezet, ontgift en uitgescheiden, verschilt van mens tot mens

Bij de tweede onderzoekslijn, ‘top-downexposomics’, ligt de nadruk op het menselijke lichaam. Omdat toxische stoffen pas een invloed hebben op de gezondheid na opname in het lichaam, beschouwen de aanhangers van deze benadering het lichaam als de meeste relevante omgeving om de blootstelling te bestuderen. Na opname in het lichaam worden stoffen via de stofwisseling onschadelijk gemaakt of gemetaboliseerd, waarna ze uitgescheiden worden via de urine. Tijdens de stofwisseling kunnen ook potentieel toxische nevenproducten of metabolieten ontstaan. De mens is dus blootgesteld aan een complex mengsel van exogene (buiten het lichaam) en endogene (in het lichaam) toxische stoffen. De manier waarop stoffen worden opgenomen, omgezet, ontgift en uitgescheiden, verschilt van mens tot mens. Dit is erfelijk bepaald, maar wordt ook beïnvloed door andere factoren zoals stress of overgewicht. Als gevolg hiervan is het mogelijk dat verschillende personen, bij eenzelfde blootstelling, een verschillende hoeveelheid giftige stof in het lichaam hebben. In een top-downanalyse van het exposoom zouden op geregelde tijdstippen tijdens het leven van een persoon bloedstalen worden verzameld. Men kan dan de voornaamste klassen van toxische stoffen gaan meten, zoals reactieve elektrofielen, endocriene verstorende stoffen of metalen. Via deze analyse krijg je dan een idee van zowel de opgenomen toxische stoffen als de schadelijke stoffen die aangemaakt zijn in het lichaam. Maar net zoals in de bottom-upbenadering dien je te beschikken over verschillende analysetechnieken.

Een alternatief is om de vroegtijdige effecten in fysiologische processen te bestuderen. Deze veranderingen genereren wijzigingen in het lichaam, die op hun beurt kunnen worden gebruikt als indicator voor een blootstelling of ‘biomarker’. Reactieve elektrofielen die kanker kunnen veroorzaken door binding aan het DNA zijn bijvoorbeeld moeilijk te bepalen in het lichaam omdat ze zo snel chemisch reageren. Daarom meten we de reactieproducten die voor langere tijd in het bloed aanwezig blijven, bijvoorbeeld elektrofiele stoffen gebonden aan het serum albumine. Een ander voorbeeld is het kwantificeren van de oestrogene activiteit om de effecten van endocriene verstoorders te bepalen. Stoffen die een impact hebben op het immuunsysteem leiden tot de productie van cytokines en chemokines, die kunnen ook worden gemeten in het serum. Zoals eerder beschreven gaat er de laatste jaren heel veel aandacht naar genexpressie- en eiwitprofielen die de globale effecten weergeven van voeding, toxische stoffen en andere risico’s. Er zijn inderdaad aanwijzingen dat cellen op een bepaalde manier gaan reageren na blootstelling aan bepaalde stoffen. In dit onderzoek probeert men typische genexpressie- en eiwitprofielen te vinden voor blootstelling aan bijvoorbeeld kankerverwekkende stoffen (toxicogenomics).

Binnen het genoomonderzoek worden sinds enkele jaren genoomwijde associatiestudies (Genome-wide Association Studies of GWAS) uitgevoerd, die de genetische verschillen tussen aangetaste of zieke cellen (zoals kankercellen) en gezonde cellen bestuderen om de risicogenen voor een bepaalde ziekte (zoals kanker) te ontdekken. Gezien de belangrijke impact van de omgeving op ziekte is het nu tijd om naar analogie hiermee een ‘human exposome project’ op te zetten. Dit heeft als belangrijke doelstelling het exposoom te bepalen van individuen met een verschillende etniciteit, die leven in verschillende omgevingen en die verschillende risicofactoren hebben voor ziektes. Momenteel worden de ideeën hierover verzameld en de eerste projecten opgezet, zoals het Exposome Alliance Project.

Van zodra dit technisch realiseerbaar is, kunnen dan omgevingswijde associatiestudies (Environment-wide Association Studies of EWAS) worden uitgevoerd. EWAS onderzoeken de verschillen in blootstelling tussen gezonde cellen of mensen en zieke cellen of mensen. Deze milieu-equivalenten van de GWAS zijn echter alleen mogelijk als epidemiologen kunnen beschikken over de volledige blootstellingsgegevens om de relatie met ziekten te onderzoeken. Door de huidige technische beperkingen hebben epidemiologen de neiging zich alleen te concentreren op een bepaalde stof of op een bepaalde categorie van blootstelling: bijvoorbeeld volgens de bron (voeding, beroep, milieu), volgens het type stof (chemisch, biologisch, fysisch) of volgens het medium (lucht, water, voeding, …). In de praktijk kunnen al die blootstellingscategorieën bijdragen tot chronische ziekten en moeten ze dus samen worden onderzocht in plaats van elk afzonderlijk.

Kenmerkend voor het ‘human exposome project’ is de technologische uitdaging, die vergelijkbaar is met de uitdagingen bij de start van het ‘human genome project’, toen DNA-sequencing nog in de kinderschoenen stond. Voor de bepaling van het menselijk exposoom zijn analytische systemen nodig om gelijktijdig duizenden stoffen in kleine hoeveelheden lichaamsvloeistof (bijvoorbeeld bloed) en media (bijvoorbeeld voedsel) te detecteren. Hiervoor zou micro-arraytechnologie kunnen worden gebruikt, omdat bij deze techniek slechts minimale hoeveelheden staal nodig zijn. Via een microvloeistofsysteem (microfluidics) kan het opgeloste staal gericht over arrayspots worden gestuurd en vervolgens geanalyseerd. Alternatieve methodes zijn tandem-massaspectrometrie en gen- en eiwitchips. Dergelijke platformen voor ‘high-throughput’-testen zullen, zoals in het ‘human genome project’, leiden tot belangrijke schaalvoordelen en de ontwikkeling van commerciële apparaten of kits voor het screenen van belangrijke ecologische risico’s in bloedmonsters.

Wordt het effect van de genen op de gezondheid beïnvloed door milieu of voeding, of is het effect van de omgeving afhankelijk van een specifieke genetische opmaak?

Ten slotte kunnen dan, met de succesvolle karakterisering van het individuele exposoom en genoom, zowel milieu- als genetische determinanten van ziekten samen worden verzameld om interacties tussen het gen en de omgeving te onderzoeken. In dergelijke studies (Genome- and Environment-wide Association Studies of GEWAS) kan dan worden onderzocht of het effect van de genen op de gezondheid al dan niet beïnvloed wordt door milieu of voeding of omgekeerd: of het effect van de omgeving afhankelijk is van een specifieke genetische opmaak. Als we, zoals in het ‘human genome project’, erin slagen om de volledige blootstelling tijdens het hele leven in kaart te brengen en die enorme hoeveelheid aan gegevens correct te verwerken en te interpreteren, moeten we op termijn in staat zijn de oorzaken van de meeste aandoeningen te achterhalen. Via preventie kunnen dan de omgevingsgerelateerde aandoeningen zoveel mogelijk worden voorkomen.

B. Borrell, ‘Epidemiology: Every bite you take’, in: Nature, 2011, 470 (7334), 320-322.

S.M. Rappaport, M.T. Smith, ‘Epidemiology. Environment and disease risks’, in: Science, 2010, 330 (6003), 460-461.
Exposome Alliance Project: http://exposomealliance.org/

Lode Godderis is als arbeidsgeneesheer-toxicoloog verbonden aan de KU Leuven.