哮喘是最常见的慢性气道疾病,全球超过3.3亿人受到哮喘的困扰
[1],特别是在发展中国家。研究发现,我国儿童哮喘患病率近年来持续升高
[2]。尤为值得关注的是,全球疾病负担(global burden of disease, GBD)2021年数据显示,其患病率已增长至3.76%
[3]。大量研究已证实空气污染对儿童哮喘及相关呼吸系统疾病影响较大
[4-5],与成人相比,儿童的免疫和呼吸系统仍不成熟,单位体重呼气量更大,因此儿童对空气污染暴露的敏感性更高
[6-9]。
大气细颗粒物(fine particulate matter, PM
2.5)是城市空气污染的主要来源
[10-11],PM
2.5暴露可增加哮喘发生、发展及恶化的风险
[4, 12-13]。其毒性不仅与质量浓度有关,还受其粒径和化学组分等因素的影响
[14-15]。然而,关于PM
2.5组分对儿童哮喘影响的证据仍然很少且结果并不一致。英国的一项巢式病例对照研究(n=37,401)发现产前产后暴露于黑碳(black carbon, BC)与儿童哮喘发生有关
[16],另一项在温哥华的研究则未发现围产期暴露BC与出生到10岁儿童的哮喘发病相关
[17]。此外,Lavigne等人
[18]基于一项加拿大回顾性出生队列研究发现,儿童时期暴露于PM
2.5及其组分BC、铵根离子(NH
4+)和硝酸根离子(NO
3-)与儿童哮喘患病风险呈正关联,硫酸根离子(sulfate, SO
42-)则为负关联。中国武汉的一项研究(
n=8 943)表明,生命早期暴露于PM
2.5的有机质(OM)、SO
42-和NO
3-组分会增加儿童哮喘患病风险
[19]。这些研究关联强度及其不一致的原因可能与研究区域大气PM
2.5化学特征以及浓度不同有关。
由于我国不同区域大气颗粒物来源与组分存在显著差异,其健康影响可能具有地域特异性。因此,本研究以广东省广州、佛山与茂名3个城市为研究区域,探讨大气PM2.5及其组分暴露对儿童哮喘及相关症状的影响。研究结果可为有针对性地制订大气颗粒物污染防控措施具有公共卫生学意义。
1 对象与方法
1.1 研究对象
2021年7月至2022年5月采用多阶段整群抽样方法随机选取广东省茂名、广州与佛山3个城市中的14个行政区,每个行政区内随机选取1~2所小学和中学,最后在每所学校的每个年级随机抽取1~2个班级,班级内的所有学生完成问卷调查,调查对象的纳入标准为在该地区居住时间≥2年。调查内容包括个人特征、社会经济学特征以及生活习惯等。共招募77,034名6~18岁儿童,排除有家庭哮喘史与没有完成调查问卷参与者,最终纳入74,179名儿童,所有儿童和监护人均签署知情同意书。本研究通过了中山大学公共卫生学院伦理委员会批准(No.2019-138)。
诊断标准:① 医师诊断哮喘:医师已经诊断出反复出现的症状(如喘息、呼吸困难、胸闷、夜间或清晨咳嗽);② 持续性咳嗽:过去12个月每周咳嗽≥4 d,持续咳嗽≥3个月;③ 持续性咳痰:过去12个月每周有痰或胸腔有粘液≥3 d;④ 喘息:无论孩子是否感冒,呼吸时存在呼哧呼哧或吹口哨声音。
1.2 研究方法
1.2.1 PM2.5暴露评估
基于卫星遥感数据即美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration, NASA)Terra卫星携带的中分辨率成像光谱仪(Moderate-Resolution Imaging Spectroradiometer, MODIS)(
https://ladsweb.nascom.nasa.gov/search/index.html)、大气气溶胶光学厚度(aerosol optical depth, AOD)、气象数据(
http://data.cma.cn/)、土地利用数据等预测因子对2021至2022年PM
2.5、可吸入颗粒物(inhalable particulate matter,PM
10)日浓度进行估算,并使用机器学习方法(随机森林)进行模型开发和预测,其分辨率为10 km × 10 km。最终将研究对象的学校住址编码为地理经度和纬度,叠加在每日预测PM
2.5和PM
10浓度网格上。进而评估研究对象个体在2021-2022年间大气污染物(PM
2.5和PM
10)暴露的浓度。
1.2.2 PM2.5颗粒物采集
于2021年7月至8月、11月至12月在广东省广州、佛山与茂名3个城市各调查点进行PM2.5样本采集。在各调查点校园内选取相对空旷、通风良好、周围无污染源及障碍物,且不影响学生正常上课和活动的地点作为PM2.5样本采集点。采用武汉天虹150C/D和武汉天虹TH-1000被动式大气采样仪和石英滤膜进行连续24 h的样本采集。采样器入口距地面高度约1.5 m。根据我国环境空气颗粒物采样要求及检测方法(HJ 93-2013)对大气颗粒物样本进行采集。采样后,取出采样膜,对折放置在预清洁的铝箔中,使用冰盒暂时保存,带回实验室后储存在-20 ℃的冰箱中。
1.2.3 PM2.5组分检测
阴阳离子浓度分析:使用陶瓷剪刀与塑料镊子将采样膜样本剪裁为约0.5 cm × 0.5 cm的碎片,经超声提取后,对提取液进行离心处理,再经0.45 μm微孔滤膜(Millipore针头式过滤器)过滤。采用离子色谱仪(型号ICS-2000,Dionex Corp,USA)对7种阴阳离子进行定量分析,包括Cl⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻、钠离子(Na⁺)、钾离子(K⁺)、镁离子(Mg²⁺)和钙离子(Ca²⁺)。
重金属浓度分析:取适量采样膜样本,使用超级微波消解系统(Milestone Ultra CLAVE,意大利)进行消解处理,随后利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS,Thermo Scientific ICAP RQ,USA)测定7种金属元素的含量,包括铝(Al)、铁(Fe)、镍(Ni)、锌(Zn)、砷(As)、锑(Sb)和钛(Ti)。具体分析方法依据《空气和废气颗粒物中铅等金属元素的测定 电感耦合等离子体质谱法》(HJ 657-2013)执行。
碳组分分析:将适量采样膜样本经陶瓷剪刀剪碎后置于石英炉中,在纯氦气环境程序升温,使有机碳(organic carbon, OC)挥发并转化;随后在氦气-氧气混合环境中继续升温,使元素碳(elemental carbon, EC)氧化,最终通过火焰离子化检测器(flame ionization detector, FID)分别检测OC与EC的含量。
1.2.4 问卷调查
知情同意书、研究背景信息和调查问卷在研究开始前分发给研究对象的父母或法定监护人。调查问卷包括研究对象的家庭人口、社会经济和生活方式信息。经过专业培训的护士根据世界卫生组织(World Health Organization, WHO)的身体检查标准程序测量参与者的身高和体重。
根据文献[
20],设计问卷中潜在的混杂因素项,包括年龄、性别、父母教育程度与家庭年收入等信息。
1.3 统计学方法
对连续变量采用(±s)表示,分类变量采用[n(%)]表示。组间比较采用t检验(连续变量)或χ2检验(分类变量),假设检验采用双侧检验,以P<0.05表示差异具有统计学意义。
2 结果
2.1 儿童基本特征
研究共纳入74 179人,其中女生34 716人(45.89%),男生39 463人(54.11%);儿童平均年龄为12.16±3.08岁。男生的哮喘、喘息、持续咳痰率高于女生(
P<0.001,
表1)。
2.2 PM2.5及组分暴露特征
2021至2022年调查区域的PM
2.5和PM
10浓度范围分别为22.87~43.54 μg/m³和38.05~55.97 μg/m³,平均浓度分别为34.53 μg/m³和47.10 μg/m³。在PM
2.5组分中,金属离子浓度最高的为SO
42-,NO
3-与Ca
2+,其平均浓度分别为328.66 μg/m
3, 211.89 μg/m
3与31.79 μg/m
3;金属元素最高的为Al(748.45 ng/m
3),其次为Fe(616.05 ng/m
3),浓度最低为As元素(4.85 ng/m
3)。碳元素中有机碳浓度为12.59 μg/m
3,元素碳为3.25 μg/m
3(
表2)。
2.3 大气颗粒物及PM2.5组分与儿童哮喘及相关症状的关联
分析结果显示大气PM
10、PM
2.5及其组分暴露与儿童哮喘及相关症状患病存在正向关联,例如PM
2.5每增加一个四分位距(Interquartile Range, IQR)浓度,儿童哮喘、喘息、持续咳嗽及持续咳痰患病风险分别增加0.70倍[比值比(odds ratio, OR):1.70,95%置信区间(confidence interval, CI):1.45, 2.01],0.30倍(
OR:1.30,95%
CI:1.21,1.38),0.34倍(
OR:1.34,95%
CI:1.24,1.45)与0.27倍(
OR:1.27,95%
CI:1.13,1.42),PM
10也表现出类似的关联。此外,PM
2.5组分中水溶性离子、金属元素和碳元素也与儿童哮喘及相关症状存在正关联。其中PM
2.5组分中水溶性离子Cl
-,NO
3-每增加一个IQR浓度,医师诊断哮喘患病风险分别增加0.13倍(
OR:1.13,95%
CI:1.11,1.16)和0.10倍(
OR:1.10,95%
CI:1.08,1.12),其余离子0.02~0.08倍。金属元素Fe、As、Ti每增加一个IQR浓度,医师诊断哮喘患病风险分别增加0.46倍(
OR:1.46,95%
CI:1.42,1.50)、0.40倍(
OR:1.40,95%
CI:1.36,1.44)和0.31倍(
OR:1.31,95%
CI:1.27,1.36),其余元素0.02~0.30倍。碳元素中有机碳每增加一个IQR浓度,医师诊断哮喘患病风险增加0.38倍(
OR:1.38,95%
CI:1.35,1.41),类似关联在喘息、持续咳嗽、持续咳痰等症状中也可观察到(
表3)。
2.4 性别与大气颗粒物的交互作用与儿童哮喘及相关症状的关联性
表4显示PM
10、PM
2.5与儿童哮喘及相关症状的关联在男女均有效应,其中PM
10、PM
2.5与喘息患病关联在女生中更为显著(
P交互<0.05)。PM
2.5每增加一个IQR浓度,女生持续喘息患病风险增加0.37倍(
OR:1.37,95%
CI:1.27,1.49)。而在男生中增加0.25倍(
OR:1.25,95%
CI:1.16,1.34),相似的规律在PM
10中也存在,其余指标差异无统计学意义(
P>0.05)。
3 讨论
随着我国工业化、城镇化建设的不断发展,大气颗粒物(如PM
10和PM
2.5)已经成为当前空气中的主要污染物,呼吸道为大气颗粒物在机体中沉积的主要途径,颗粒物粒径大小以及空气中浓度的不同则其进入机体的程度也不一样。PM
10的粒径相对较大,因此主要沉积在呼吸道的肺主支气管,而PM
2.5由于粒径更小,更容易吸附含有多种重金属的无机物、含有多环芳烃类的有机物、含有病原的微生物以及甲醛SO
2等有害气体,由于粒径较小,更容易长时间的漂浮停留于空气中,且能够经气流推动扩散到肺泡中,对人体健康的影响相较于PM
10更为严重。大量流行病学研究已证实,大气颗粒物(如PM
10和PM
2.5)暴露是儿童哮喘及相关症状发生与发展的重要环境危险因素
[21-23]。例如,一项越南的生态学研究发现PM
2.5、PM
1和NO
2暴露与儿童因下呼吸道感染(包括肺炎、支气管炎和哮喘)入院率呈正相关
[21]。有系统综述
[22]进一步指出,交通相关污染物PM
10、PM
2.5、BC和NO
2可使儿童哮喘风险增加5%- 8%。本研究的结果与这一普遍共识相一致,进一步证实了PM
10、PM
2.5与儿童哮喘患病风险之间存在正向关联。更为重要的是,本研究将关联证据拓展至颗粒物的化学组分层面,发现PM
2.5中的水溶性离子(Cl⁻、NO₃⁻)、金属元素(Fe、As、Ti)和有机碳(Organic Carbon, OC)表现出更强的效应值,提示这些特定组分可能是驱动颗粒物呼吸健康危害的关键有毒成分。
关于颗粒物化学组分与儿童过敏性疾病关联的研究目前仍相对有限,但本研究的关键发现与部分前沿研究相互印证。例如,与Clark等人
[16]和Lavigne等人
[18]的研究相似,我们同样观察到碳组分(如OC)及二次离子(如NO₃⁻)在哮喘发病中的潜在重要作用。然而,该领域的结果并不完全一致。有研究
[17]未发现BC暴露与儿童哮喘发病的关联,这种不一致性可能源于研究设计、人群遗传背景与暴露模式的地域性差异,以及不同地区PM
2.5总体化学构成的本质不同。在我国,PM
2.5中的NO₃⁻和OC主要与机动车尾气和二次转化过程相关
[24-25],而金属元素(如Fe、As、Ti)则多来源于交通排放、工业活动及扬尘
[26]。因此,识别并控制这些源自本地特定污染源的关键有毒组分,对于制订精准的公共卫生干预策略至关重要。
在机制层面,现有理论为颗粒物及其组分的健康效应提供了潜在解释。普遍认为,PM
2.5可能通过诱发炎症损伤
[27]、干扰细胞内钙稳态
[28]及氧化应激
[29]等途径参与哮喘发病。针对特定组分,BC可能通过影响DNA甲基化
[30]、促进炎症反应
[31]、引起血管收缩
[32]及氧化应激等机制影响呼吸健康;NO₃⁻则可能通过修饰关键蛋白
[33]或促进一氧化氮(NO)生成
[34]等方式加剧过敏反应;SO₄²⁻亦被报道可能通过系统炎症与凝血机制参与哮喘发生
[35]。尽管如此,各组分具体且精确的致病机制仍有待通过毒理学研究进一步阐明。
本研究还表明,女生在颗粒物暴露与喘息症状的关联中表现出更高的敏感性。这一结果可以从既有的生理学理论中找到依据。研究
[36]表明,男性在出生时肺部结构与功能发育通常领先于女性,这可能导致环境刺激物对气道的影响存在固有的性别异质性
[37]。此外雌激素可能通过影响2型免疫反应或IL-17a介导的气道炎症,从而在青春期后女性中观察到更高的哮喘患病率
[38]。本研究观察到的儿童期性别差异,为上述理论提供了新的流行病学线索,但其具体机制仍需未来研究深入探索。
本研究优势包括大样本量、同步评估不同粒径颗粒物及其化学组分、识别关键有害成分,并探讨性别修饰效应。然而,仍存在若干局限性:① 横断面设计难以确立暴露与结局的时序关系,无法完全推断因果关系;② 污染物采样仅涵盖冬夏两季,可能无法完全代表年度平均暴露水平,但在多维度分析中观察到一致效应,提示结果具有一定稳健性;③ 尽管采用多阶段分层抽样从14个城区招募参与者,仍不能完全排除选择偏倚;④ 虽已控制多项混杂因素,但未获取如个体时间-活动模式等潜在环境协变量,残留混杂可能仍然存在。
本研究发现广东省广州、佛山与茂名大气PM10与PM2.5及其组分暴露与儿童哮喘及相关症状的患病风险存在正向关联性,其中Cl⁻、NO₃⁻,金属元素Fe、As、Ti以及OC等组分的影响较为突出。此外,研究发现女生可能对颗粒物暴露所致喘息症状更为敏感。研究结果表明广东省广州、佛山与茂名大气颗粒物及其组分对儿童呼吸健康有不良影响,可为该区域开展大气颗粒物的针对性管控和健康效应评估提供流行病学依据。
广东省医学科研基金课题(A2021263)