背景大气颗粒物污染是全球共同面临的重大环境和公共卫生问题。伴随着工业化和城市化快速发展进程,中国面对的形势更为严峻。大量研究已经证实,细颗粒物(PM2.5)暴露增加心血管疾病(CVD)风险,是引起人群心血管病发病率和死亡率升高的原因,老年人群更加敏感。PM2.5可以被人体吸入沉降到肺部,并通过气血平衡进入血液循环,而且随着粒径减小,健康危害增加。大量流行病学和临床研究报道了颗粒物健康危害及其生理和病理机制取得的进展,其中,国内很多研究关注不同区域或不同城市颗粒物浓度改变对CVD发病率、死亡率和住院率等的影响,欧美等发达国家开展的纵向研究多是基于较低的颗粒物暴露水平对心血管健康影响。近年来越来越多研究开始重视颗粒物组分对心血管健康的影响,国内外相关临床实践和毒理学研究发现,PM2.5内含的过渡金属等化学组分,可以通过影响心脏自主神经功能、体内离子平衡等对心血管健康产生危害。但国内有关PM2.5化学组分暴露对中老年人群心血管健康影响尚鲜有报道。传统的心血管健康效应指标多集中血脂、血糖、炎性因子等生化指标和血压等生理指标,目前心率变异性在临床实践和流行病学研究中仍然重视不足。心率变异性(HRV)是指心率节奏快慢随时间所发生的变化,反映的是自主神经系统活性,HRV可用于定量评估心脏交感神经与迷走神经张力及其平衡性,从而判断其对CVD的病情及预后。HRV通过测量连续正常R-R间期变化的变异性来反映心率变化程度、规律,从而用以判断其对心血管活动的影响。通常而言,在迷走神经活性增高或交感神经活性减低时HRV增高,反之HRV降低。HRV升高表明副交感神经张力增高,提高室颤阈,属保护因素;HRV降低表明交感神经张力增高,可降低室颤阈,属不利因素。HRV是预测心脏性猝死和心律失常性事件的一个有价值的指标,有望用于颗粒物及其化学组分暴露对心血管健康影响评价。中老年人群心血管健康受损,主要危险因素和环境与遗传的复杂相互作用有关。在种族和人口学因素固定的条件下,气象因素尤其是极端气温(热浪或寒潮)与CVD事件密切相关,会引起入院和死亡人数的增加。流行病学和统计学研究都已经证实,热浪或寒潮是CVD的独立危险因素。另外,个体服药情况对心血管健康影响显著。中老年人群身体机能出现退行性改变,心脏、血管等组织脏器健康状况下降,服用降压、降脂等药物对调节和稳定心血管健康具有重要作用,因此,在评价颗粒物污染等环境因素暴露对心血管健康影响时,需要考虑气温等气象因素以及服药等行为的效应修饰作用。目的通过固定群组设计,对中老年冠心病人群心血管相关生理生化指标,以及PM2.5及化学组分个体暴露水平进行重复测量,识别雾霾PM2.5及组分暴露心血管健康影响的敏感指标,探索个体化PM2.5及组分暴露对中老年人群心血管健康影响的评价方法。内容及方法本次研究基于对北京市2014-2016年PM2.5污染状况及时空分布特征分析,选择位于北京东部城区朝阳区东五环附近的定福庄西里社区和高井社区作为研究区域。2016年在社区建立监测点采集PM2.5样品,监测其质量浓度及主要化学组分浓度,在社区招募中老年冠心病患者作为调查对象,开展固定群组重复测量研究。研究结合室外PM2.5质量及主要化学组分浓度、室内外关系系数,估算受试人群的室内PM2.5质量及主要化学组分浓度;通过问卷调查收集受试人群时间-活动模式,利用微环境模型估算个体的PM2.5及主要化学组分暴露水平。通过采集空腹静脉血测试受试人群的高敏C反应蛋白(hsCRP)、血脂代谢水平等;通过动态心电图仪监测受试人群的心率变异性。采用混合效应模型分析个体水平上PM2.5及主要化学组分暴露对其生理、生化指标的影响,识别PM2.5及化学组分暴露对CVD影响的敏感指标,为CVD的早期干预、控制,以及我国制定相应的空气污染防治措施提供政策支持和理论依据。一.北京市大气PM2.5污染状况及时空分布特征。通过收集2014-2016年北京市PM2.5等大气污染物的每日环境监测数据及不同站点数据,比较不同季节和不同区域PM2.5等大气污染物的变化与差异,阐释大气PM2.5污染状况的时间变化趋势和空间分布特征,为研究区域的选择提供依据。收集2014-2016年北京市气象信息,考虑到体感温度与气温和湿度有关,结合每日气温和露点温度等数据计算表观气温值,阐述北京市表观气温随季节变化趋势。二.北京市东部城区大气PM2.5粒径和主要化学组分分布特征。根据2014-2016年北京市大气PM2.5污染状况及时空分布特征,选择北京东部城区的朝阳区东五环附近的定福庄西里社区和高井社区作为研究区域,2015年12月至2016年12月,开展为期一年的PM2.5连续监测,采用中流量大气颗粒物采样器连续采集24h空气PM2.5样品,并应用电感耦合等离子体质谱、离子色谱、高效液相色谱等技术对样品中金属(类金属)元素、水溶性离子、多环芳烃等主要化学组分进行分析,识别北京市东部城区PM2.5主要化学组分的分布特征。2015年12月至2016年1月,在监测点采用单颗粒飞行时间质谱技术分析PM2.5及组分的粒径分布特征。三.基于社区的固定群组追踪调查研究。在北京东部城区定福庄西里社区和高井社区招募50-75岁患有冠心病(CHD)的中老年居民志愿者,根据单组重复测量样本估算,确定样本量,按照纳入、排除标准选择22名(男女各半)调查对象入组。2016年1月至4月期间,开展连续4次追踪随访调查,每次随访调查期间同时进行个体暴露量估算和健康测量。(一)问卷调查。在第一次随访期间通过问卷调查详细收集调查对象的个人基本情况、生活饮食习惯、药物服用、居住环境和出行模式等信息,并作为基线资料;每次随访期间询问受试人群近一周的服药情况和出行模式等信息。(二)个体暴露量估算。通过连续采集获得空气PM2.5样品,分析样品中金属(类金属)元素、水溶性离子、多环芳烃等主要化学组分的浓度,引用前述报道的北京市PM2.5室内外关系系数,计算受试人群室内环境PM2.5及主要化学组分浓度;通过调查问卷的时间-行为模式量表,收集受试人群出行模式资料,根据受试人群室内外活动时间分布,结合室内外浓度,采用微环境模型评估个体PM2.5及主要化学组分的暴露水平。(三)健康测量。通过采集受试人群的空腹静脉血,测试其心血管炎性指标(hsCRP)水平,以及CVD危险因素—血糖、低密度脂蛋白(LDL)、高密度脂蛋白(HDL)、总甘油三酯(TG)、总胆固醇(TC)、纤维蛋白原(FIB)等生化指标;采用动态心电图仪监测24h个体心率变异性,包括SDNN、SDANN、rMSSD、pNN50等时域指标,以及HF、LF、VLF、LF/HF等频域指标。本次研究已经获得伦理审查委员会批准,并通过知情同意书,充分告知受试人群本次研究的目的、可获得利益及可能的损失。四.PM2.5及其化学组分暴露对中老年人群心血管急性健康影响研究。(一)首先对研究中重复测量获得的观察数据进行基本统计学处理,包括基于微环境模型和个体时间-活动模式获得的个体PM2.5及主要化学组分暴露水平,受试人群的心率变异性、心血管炎性指标、凝血指标等。根据正态性检验结果选择恰当的描述性表述(算数均值或四分位数间距),偏态分布的观察值根据需要进行对数转换,对受试人群的暴露和健康效应指标进行描述。(二)对暴露和健康效应指标进行恰当转换后,应用随机区组方差分析比较4次测量数据间的差异,并根据统计结果进行两两比较。(三)采用混合效应模型,按不同滞后、累计暴露情况对个体暴露水平和气象因素进行处理,分析调查期间,个体PM2.5及主要化学组分暴露水平和表观气温数据的滞后、累计暴露水平对心率变异性、CVD危险因素等的影响。筛选敏感的心血管健康效应指标。(四)对PM2.5及主要化学组分暴露量进行共线性诊断,依次构建单污染变量模型、双污染变量模型和多污染变量模型,所有模型都包括随机效应项和固定效应项,分析不同变量对心血管健康效应指标的作用。综合考虑服药情况、气象因素的效应修饰作用,进行分组分析和敏感性分析。统计分析均采用SAS 9.3的程序运行。未加特殊说明时,p<0.05视为统计学上具有显著性。结果一.本次研究观察期间,北京市PM2.5依然是首要空气污染物,污染水平较高,变化范围较宽,随季节和区域变化较大。2014、2015和2016年北京市PM2.5质量浓度年中位值分别为 66.5 μg/m3(5.2 μg/m3～392.6 μg/m3)、56.6 μg/m3(7.1μg/m3～477.5 μg/m3)和 55.5 μg/m3(7.4 μg/m3～394.5 μg/m3),整体呈逐年下降趋势,但降低幅度较小,环比下降分别为14.9和1.9%。北京市重度及以上污染天气集中分布冬季,即当年11月至次年1月期间,北京市PM2.5的质量浓度空间分布特征是呈由南向北浓度逐渐降低的梯度特征,北京市PM2.5浓度年均值持续呈现为明显的东南高、西北低的区域特性。二.在北京东部城区的朝阳区东五环附近的定福庄西里社区和高井社区自监测点开展环境空气PM2.5的连续采样,应用高灵敏度的环境化学分析仪器平台对样品中金属和类金属元素、多环芳烃等化学组分进行分析。2015年12月-2016年12月采集的PM2.5样品中化学组分检测结果显示,Zn、Se、Cu、Ti、Fe、B、Al、Pb、Mn、As、Sb、Na、K、Ca、Si、Mg、Ba、稀土元素、SO42-、NO3-等是北京市东部城区PM2.5主要化学组分。其中2015年12月-2016年1月期间,PM2.5样品中As含量中位值超过我国《环境空气质量标准》(GB 3095-2012)参考限值的1.3倍,PM2.5样品中Pb的24 h浓度极大值是参考限值0.6倍,Cd的24 h浓度极大值是参考限值2.2倍。2016年1月至4月期间雾霾天气PM2.5及化学组分浓度中位值均高于非雾霾天气,雾霾天气PM2.5及化学组分浓度中位值是非雾霾天气的1.4～7.3倍,PM2.5、碱金属、∑PAHs、硫酸盐、硝酸盐等均存在显著差异。主因子分析将PM2.5主要化学组分经正交矩阵变换提取出3个主因子,以Zn、Cd、Cu为代表的的过渡金属元素、SO42-、NO3-等为代表的二次粒子,Se元素等在第1个因子载荷均大于0.8,因子1对PM2.5的方差贡献率为57.2%;主因子2中载荷绝对值较大的组分是稀土元素,Ca、Mg为代表的碱土金属元素和以Ti、Fe为代表的过渡金属元素等,其载荷均大于0.85,因子2的方差贡献率为20.8%;铂族在主因子3中载荷较大,其载荷为0.84,因子3的方差贡献率为5.7%。2015年11月-2016年1月,采用高通量质谱分析技术监测PM2.5及其化学组分的粒径分布特征,结果发现,2.5μm以下的颗粒物质量浓度分布集中在0.3μm-1.0μm粒径段,以0.4μm-0.5μm段含量最高,小于0.2μm和大于1.9μm粒径段颗粒物质量浓度较低;数浓度分布主要集中在0.3μm-1.3μm粒径段,分布最密集的是 0.4μm-0.6μm粒径段,OC、EC、Al、Ca、Cd、Cr、Cu、Fe、Hg、Mg、Mn、Pb、Sb、Si、Ti、Tl、Zn、氯离子、硫酸盐、硝酸盐、铵盐和PAHs等化学组分的数浓度主要集中在0.3 μm-1.3μm粒径段,分布最密集的是0.4μm-0.6μm粒径段。尽管质量浓度在0.3μm以下较低,但Sb、Si、As、Cu、Hg、Pb、Mg、Zn、Ti、氯离子等的数浓度在0.3 μm以下的粒径段仍占有一定比例。研究结果提示,PM2.5中这些特征化学组分的心血管系统等健康危害效应更值得关注。三.在追踪随访调查中,22名调查对象完成了 4次随访调查的个体暴露评价和健康测量。调查对象平均年龄为60.1岁,女性患者11人(50%),12人空腹血糖值超过 6.10 mmol/L(54.5%),1人 TC ≥ 6.22 mmol/L 且 TG ≥ 2.26 mmol/L(4.5%)。4次重复测量的心血管效应指标进行随机区组方差分析,rMSSD和TC主体间效应的检验结果具有显著性。采用混合模型对重复测量资料进行分析,筛选了 pNN50和rMSSD等特征指标,发现PM2.5及PM25-Pb等组分暴露的滞后效应明显。多种模型比较分析,PM2.5及组分暴露的效应估计值在滞后3-6天(lag6-lag3)具有显著性意义。气温被认为是CVD独立的危险因素,高温热浪或低温寒潮气象因素都能够引起CVD死亡。本次研究比较了表观温度单变量和表观温度-PM2.5暴露双变量模型的结果,结果提示,对于更加敏感的HRV效应指标而言,PM2.5暴露对于气温的心血管健康效应有协同作用。服用降压/降脂药物会使冠心病患者HRV升高,本次研究分析结果显示,调查对象服用β-blocker的效应修饰明显,在控制PM2.5或PM2.5-Pb暴露情况下,都观察到β-blocker对心血管健康的保护作用;多变量的混合模型结果显示PM2.5-Pb等组分暴露对于单独PM2.5的健康危害效应可能具有一定的协同作用,且提前1天的组分暴露协同作用会更加显著。结论2016年1月至4月期间,PM2.5及化学组分浓度雾霾天气均高于非雾霾天气。2.5μm以下的颗粒物及组分的质量浓度和数浓度均呈现单峰分布,且分布特征基本一致,集中于0.3μm-1.0μm粒径段。PM2.5的有毒有害成分主要分布在小于1.0μm的粒径段,该粒径段PM2.5及化学组分的心血管系统健康危害效应更值得关注。研究中发展、改进或应用的方法及分析数据极大的丰富了我国PM2.5及化学组分粒径分析的监测方法,并积累了北京市中度污染区域细颗粒物及组分的粒径分布特征数据。利用基于时间-活动模式的微环境模型,评估受试人群的个体PM2.5暴露水平,比直接利用环境空气质量监测站点的PM2.5浓度更精确。短期PM2.5及其化学组分暴露会对中老年人群的pNN50和rMSSD等心率变异性指标和hs-CRP产生影响,但是这种影响的强度随着不同的PM2.5化学组分及暴露滞后时间而显著不同。PM2.5、PM2.5-Pb等暴露滞后3-5天,观察到pNN50和rMSSD显著降低,提示PM2.5及特征化学组分急性暴露对受试人群的心脏功能和自主神经功能产生损伤。pNN50和rMSSD是HRV中较为敏感和有价值的效应指标,为利用HRV评价PM2.5暴露对心血管健康影响提供了新的思路。本次研究关注PM2.5及化学组分对心血管健康影响的同时,还特别控制了气象因素、药物使用等潜在效应修饰或混杂作用。在同样的PM2.5及特定化学组分暴露情况下,均观察到服用β-blocker对心血管健康的潜在保护作用。这些研究结果,对于指导CVD高危人群的健康防护和用药具有重要的意义,为空气污染防治和人群健康保护提供了一定的数据支持和理论依据。