Visualisierung von Felddatenerfassungsverfahren für Expositions- und Biomarkerbewertungen für die Studie des Household Air Pollution Intervention Network in Indien

Summary

Wir beschreiben die konsistenten, qualitativ hochwertigen Verfahren, die während der gesamten Luft- und biologischen Probenahmeprozesse an indischen Feldstandorten während einer großen randomisierten kontrollierten Studie verwendet werden. Erkenntnisse, die aus der Überwachung der Anwendung innovativer Technologien gewonnen werden, die für die Expositionsabschätzung in ländlichen Regionen angepasst sind, ermöglichen bessere Felddatenerfassungspraktiken mit zuverlässigeren Ergebnissen.

Abstract

Hier präsentieren wir eine visuelle Darstellung von Standardverfahren zur Erfassung von Daten auf Bevölkerungsebene über die persönliche Exposition gegenüber Luftverschmutzung in Haushalten (HAP) von zwei verschiedenen Studienstandorten in einer ressourcenbeschränkten Umgebung in Tamil Nadu, Indien. Feinstaub PM 2,5 (Partikel mit einem aerodynamischen Durchmesser von weniger als_2,5 Mikrometern), Kohlenmonoxid (CO) und Ruß (BC) wurden bei schwangeren Müttern (M), anderen erwachsenen Frauen (OAW) und Kindern (C) zu verschiedenen Zeiten über einen Zeitraum von 4 Jahren gemessen. Darüber hinaus wurden Ofennutzungsüberwachungen (SUMs) mit Thermometern zur Datenprotokollierung und Umgebungsmessungen der Luftverschmutzung durchgeführt. Darüber hinaus wurde die Machbarkeit der Entnahme biologischer Proben (Urin und getrocknete Blutflecken [DBS]) von Studienteilnehmern an den Feldstandorten erfolgreich demonstriert. Basierend auf den Erkenntnissen aus dieser und früheren Studien haben die hier verwendeten Methoden die Datenqualität verbessert und Probleme mit der Luftverschmutzung in Haushalten und der biologischen Probenentnahme in ressourcenbeschränkten Situationen vermieden. Die etablierten Verfahren können ein wertvolles Bildungsinstrument und eine wertvolle Ressource für Forscher sein, die ähnliche Luftverschmutzungs- und Gesundheitsstudien in Indien und anderen Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen (LMICs) durchführen.

Introduction

Weltweit ist die Exposition gegenüber Luftverschmutzung in Haushalten (HAP), hauptsächlich durch das Kochen mit festen Brennstoffen, eine der Hauptursachen für Morbidität und Mortalität ^1,2,3. Das Kochen und Heizen mit festen Brennstoffen (Biomasse wie Holz, Mist, Ernterückstände und Kohle) ist in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen weit verbreitet und wirft verschiedene gesundheitliche, ökologische und wirtschaftliche Probleme auf. PM 2.5 ist ein “stiller Killer”, der sowohl im Innen- als auch im Außenbereich auftritt ^4,5_. Die Luftqualität in Innenräumen in Indien ist oft erheblich schlechter als die Außenluftqualität und hat genug Aufmerksamkeit erregt, um als eine große Gefahr für die Umweltgesundheit angesehen zu werden⁴. Ein Mangel an messbasierten quantitativen Expositionsdaten hat die Bewertung der globalen Krankheitslast (GBD) im Zusammenhang mit HAP ^6,7 behindert.

Die aktuelle Forschung ignoriert oft, dass die Messung von HAP-Expositionen kompliziert ist und von vielen Faktoren abhängt, einschließlich der Art des Brennstoffs, des Ofentyps und einer gemischten Verwendung vieler sauberer und unreiner Öfen, ein Phänomen, das als “Stove Stacking” bekannt ist. Weitere Einflüsse auf die Exposition sind die Menge des verbrauchten Brennstoffs, die Belüftung der Küche, die Verweildauer in der Nähe des Kochherds, das Alter und das Geschlecht⁸. Der am weitesten verbreitete und wohl beste Indikator für die Exposition gegenüber HAP ist PM_2,5; Aufgrund des Mangels an erschwinglichen, benutzerfreundlichen und zuverlässigen Instrumenten war die Messung von Feinstaub (PM_2,5) jedoch besonders schwierig.

Verschiedene Studien haben berichtet, dass der Gehalt an einzelnen oder mehreren Luftschadstoffen mit unterschiedlichen Methoden gemessen wurde 8,9,10,11,12. In den letzten Jahren sind relativ kostengünstige Sensoren entstanden, die in der Lage sind, diese Schadstoffe in Innen- und Umgebungsumgebungen zu messen. Allerdings sind aus verschiedenen Gründen nicht alle diese Sensoren für die Feldarbeit geeignet, darunter Wartungskosten, Herausforderungen bei der Bereitstellung, Probleme bei der Vergleichbarkeit mit herkömmlichen Messmethoden, begrenzte personelle Ressourcen zur Validierung dieser Sensoren anhand von Referenzmethoden, die Schwierigkeit regelmäßiger Datenqualitätsprüfungen (über die Cloud) und begrenzte oder keine dezentralen Fehlerbehebungsmöglichkeiten. Viele der Studien mit dieser Art von Messungen haben sie als Proxy für die Exposition oder durch die Kombination von Umweltmessungen mit Expositionsrekonstruktion unter Verwendung von Zeitaktivitätsbewertungen 8,9,12,13,14 verwendet.

Persönliche Überwachung, bei der ein Monitor auf oder von einer Person durch Raum und Zeit getragen wird, kann ihre “wahre” Gesamtexposition besser erfassen. Studien, die die persönliche Exposition messen, kommunizieren oft nur kurz ihre genauen Protokolle, oft in ergänzenden Materialien zu wissenschaftlichen Manuskripten 9,12,13,14,15. Obwohl die in diesen Studien beschriebenen Techniken einen soliden allgemeinen Überblick über die Stichprobenmethodik geben, fehlen häufig die Besonderheiten der Felddatenerhebungsphasen^12,16.

Neben den Schadstoffkonzentrationen können in diesen Wohnungen zahlreiche weitere Merkmale überwacht werden. Die Überwachung des Ofenverbrauchs, eine Methode zur Bewertung des Zeitpunkts und der Intensität der Nutzung von Haushaltsenergiegeräten, ist ein wichtiger Bestandteil vieler aktueller Folgenabschätzungen und Expositionsabschätzungen^16,17,18,19. Viele dieser Monitore konzentrieren sich auf die Messung der Temperatur an oder in der Nähe der Verbrennungsstelle auf Kochherden. Während Thermoelemente und Thermistoren verwendet werden, fehlt es an Betriebsprotokollen für die Monitore, einschließlich der Frage, wie sie am besten auf Kochherden platziert werden, um die Variabilität der Ofennutzungsmuster zu erfassen.

Das Biomonitoring ist ebenfalls ein wirksames Instrument zur Bewertung von Umweltexpositionen, obwohl mehrere Faktoren die Wahl einer optimalen biologischen Matrix beeinflussen²⁰. Im Idealfall muss die Probenentnahme nicht- oder minimalinvasiv erfolgen. Die angewandten Methoden sollten eine einfache Handhabung, einen nicht restriktiven Versand und eine nicht einschränkende Lagerung, eine gute Übereinstimmung zwischen dem vorgeschlagenen Biomarker und der biologischen Matrix, relativ niedrige Kosten und keine ethischen Bedenken gewährleisten.

Die Entnahme von Urinproben hat einige große Vorteile für das Biomonitoring. Wie bei anderen Probenentnahmetechniken gibt es eine Reihe möglicher Methoden. Das Sammeln von 24-Stunden-Hohlurin kann für die Teilnehmer umständlich sein, was dazu führt, dass die Probenentnahme^{nicht eingehalten wird 20,21}. In solchen Fällen werden Stichproben, Hohlräume am ersten Morgen oder andere “bequeme” Probenahmen empfohlen. Die Menge des gesammelten Urins kann bei der Entnahme von Stichproben ein großer Nachteil sein, was zu einer Variabilität der Konzentrationen endogener und exogener Chemikalien führt. In diesem Fall ist die Anpassung anhand der Kreatininkonzentrationen im Urin eine häufig verwendete Methode zur Korrektur der Verdünnung²².

Eine weitere häufig gesammelte Bioprobe ist venöses Blut. Venöse Blutproben sind für das Biomonitoring oft schwer zu erhalten; Sie sind aufdringlich, angsteinflößend und erfordern eine ordnungsgemäße Probenhandhabung, -lagerung und -transport. Ein alternativer Ansatz mit getrockneten Blutflecken (DBS) kann für die Entnahme von Proben bei Erwachsenen und Kindern für das Biomonitoring nützlich sein²³.

Zwischen der einfachen Beschreibung von Feldmethoden und der Veröffentlichung detaillierter, replizierbarer Anweisungen zur Verwendung und zum Einsatz von Monitoren, die die wahre Komplexität der Felddatenerfassung von qualitätsgesicherten Proben widerspiegeln, besteht eine erhebliche Literaturlücke^24,25. In einigen Studien wurden Standardarbeitsanweisungen (SOP) für die Messung von Luftschadstoffen (Innen- und Umgebungsluft) und die Überwachung der Ofennutzung beschrieben.

Die wesentlichen Schritte hinter der Feldmessung, der Laborunterstützung und dem Transport von Überwachungsinstrumenten und Proben werden jedoch nur sehr selten beschrieben ^8,11,25. Die Herausforderungen und Einschränkungen der feldbasierten Überwachung sowohl in Umgebungen mit hohen als auch mit niedrigen Ressourcen können durch Video angemessen erfasst werden, was schriftliche Arbeitsanweisungen ergänzen und eine direktere Methode bieten könnte, um zu zeigen, wie Geräte und Probenahme- und Analysetechniken durchgeführt werden.

In der randomisierten kontrollierten Studie des Household Air Pollution Intervention Network (HAPIN) verwendeten wir Video- und schriftliche Protokolle, um die Verfahren zur Messung von drei Schadstoffen (PM_2,5, CO und BC), zur Überwachung der Ofennutzung und zur Entnahme von Bioproben zu beschreiben. HAPIN beinhaltet die Verwendung harmonisierter Protokolle, die die strikte Einhaltung von SOPs erfordern, um die Datenqualität von Proben zu maximieren, die zu mehreren Zeitpunkten an vier Studienstandorten (in Peru, Ruanda, Guatemala und Indien) gesammelt wurden.

Die Kriterien für das Studiendesign, die Standortauswahl und die Rekrutierung wurden bereits^{beschrieben 24,26}. Die HAPIN-Studie wurde in vier Ländern durchgeführt; Clasen et al. beschrieben die Studiensettings im Detail²⁶. Jedes Studienzentrum rekrutierte 800 Haushalte (400 Interventions- und 400 Kontrollpersonen) mit schwangeren Frauen im Alter zwischen 18 und 35 Jahren, die sich in der 9. bis 20. Schwangerschaftswoche befinden, Biomasse zum Kochen zu Hause verwenden und Nichtraucher sind. In einer Untergruppe dieser Haushalte (~120 pro Land) wurden auch andere erwachsene Frauen in diese Studie aufgenommen.

Nach der Rekrutierung wurden insgesamt acht Besuche durchgeführt. Die erste, zu Studienbeginn (BL), trat vor der Randomisierung auf. Die nächsten sieben wurden aufgeteilt in vor der Geburt (in der 24-28. Schwangerschaftswoche [P1], in der 32.-36. Schwangerschaftswoche [P2]), bei der Geburt (B0) und nach der Geburt (3 Monate [B1], 6 Monate [B2], 9 Monate [B3] und 12 Monate [B4]). Für M gab es drei Bewertungen (BL, P1 und P2), für OAWs sechs Bewertungen (BL, P1, P2, B1, B2 und B4) und für C wurden vier Bewertungen (B0, B1, B2 und B4) durchgeführt. Bei B0 wurden Biomarker- und Gesundheitsbewertungen durchgeführt, während beim B3-Besuch nur Gesundheitsbewertungen durchgeführt wurden.

Alle vier Länder folgten identischen Protokollen. In diesem Manuskript beschreiben wir die Schritte, die in Indien befolgt wurden. Die Studie wurde an zwei Standorten in Tamil Nadu durchgeführt: Kallakurichi (KK) und Nagapattinam (NP). Diese Standorte befinden sich zwischen 250 und 500 Kilometer von der Kernforschungseinrichtung am Department of Environmental Health Engineering des Sri Ramachandra Institute of Higher Education and Research (SRIHER) in Chennai, Indien, entfernt. Die Komplexität der Felddatenerfassungsprotokolle erfordert den Einsatz vieler Mitarbeiter mit unterschiedlichen Fähigkeiten und Hintergründen.

Wir präsentieren eine schriftliche und visuelle Darstellung der Schritte, die zur Abschätzung von Mikroumwelt- und persönlichen Expositionsproben bei schwangeren Müttern (M), anderen/älteren erwachsenen Frauen (OAW) und Kindern (C) auf Feinstaub, Kohlenmonoxid (CO) und Ruß (BC) erforderlich sind. Feldprotokolle für (1) die Überwachung der Umgebungsluftqualität mit Referenzmonitoren und kostengünstigen Sensoren, (2) die Langzeitüberwachung der Ofennutzung an konventionellen und Flüssiggasherden und (3) die biologische Probenentnahme (Urin und DBS) für das Biomonitoring werden ebenfalls vorgestellt. Dazu gehören Methoden zum Transport, zur Lagerung und zur Archivierung von Umwelt- und biologischen Proben.

Protocol

Die institutionelle Ethikkommission des Sri Ramachandra Institute of Higher Education and Research (IEC-N1/16/JUL/54/49), das Emory University Institutional Review Board (00089799) und das Indian Council of Medical Research-Health Ministry Screening Committee (5/8/4-30/(Env)/Indo-US/2016-NCD-I) genehmigten die HAPIN-Studie. Die HAPIN-Studie wird am clinicaltrials.gov als NCT02944682 identifiziert. Von den Studienteilnehmern wurden vor ihrer Teilnahme schriftliche Einverständniserklärungen eingeholt und die Studie nach …

Representative Results

Methoden der Mikroumgebung/persönlichen Luftprobenahme:Abbildung 1Ai zeigt eine schwangere Mutter, die die maßgeschneiderte Weste während des 24-stündigen Probenahmezeitraums trägt. Die Weste enthält das ECM, den CO-Logger sowie den Zeit- und Ortslogger mit der Powerbank. Es wurde sichergestellt, dass die Teilnehmer die Weste während des gesamten Probenahmezeitraums trugen, außer beim Baden und Schlafen. Der Ständer, der zum Aufhängen der Weste…

Discussion

In der länderübergreifenden HAPIN-Studie^19,24 haben wir Standardverfahren zur Erhebung von Daten auf Bevölkerungsebene zur persönlichen Exposition gegenüber Luftverschmutzung in Haushalten demonstriert und visuell dargestellt. Die hier beschriebenen feldbasierten Methoden zur Probenahme von Umwelt- und Biomarkern sind angemessen und durchführbar, insbesondere in gefährdeten Bevölkerungsgruppen in Umgebungen mit begrenzten Ressourcen, in denen die PM 2,5-E…

Materials

BD adult lancet	BD Biosciences	366594	DBS collection from finger
BD Quikheek infant safety lancet	BD Biosciences	368100 & 368101	Heel prick DBS collection
Beacon	Roximity	O/EM	Time and location monitor [TLM] (Personal monitor)
Beacon Logger	Berkley Air Monitoring group	xxxx	Time and location logger [TLL] (Indirect measurement)
Crdo ProMed Pelican Bag	Peli Biothermal USA		Cooler bag
Enhanced Children MicroPEM (ECM)	RTI International, Durham, NC, US	xxxx	Personal monitor of PM2.5
E-sampler	Met One Instruments	9800	Indirect measurement of ambient PM2.5
Geocene	Geocene Inc., Vallejo,CA	xxxx	for stove use monitoring
Humidity indicating card	DESSICARE, INC.	04BV14C10	Sample integrity indicator
Lascar	Lascar Electronics	EL-USB-300	Carbon monoxide (CO) data logger
PTS collect capillary tubes- 40 µL	PTS collect	2866	To collect heel prick DBS from children
Sartorius	Sartorius Lab Instruments, GmbH & Co, Germany	MSA6-6S-000-DF	Microbalance (Weighing filters)
SootScanTM	Magee Scientific Co, Berkeley, USA	OT21	Black carbon measurement
Vaccine Bag	Apex International, India	AIVC-46	Vaccine Bag
Whatman 903 Protein Saver card	GE Healthcare Life Sciences	10534612	Collection of capillary blood samples (Dried Blood Spot)