孕期重金属暴露与不良出生结局的关联：基于贝叶斯核机器回归的混合污染物效应解析

本综述采用贝叶斯核机器回归（BKMR）等先进模型，系统分析孕期重金属（HMs）混合暴露对早产（PTB）、低出生体重（LBW）和小于胎龄儿（SGA）的联合效应，发现砷（As）是PTB的关键风险因子，而硒（Se）、锰（Mn）、铊（Tl）的协同作用显著增加LBW风险，并首次揭示重金属暴露与SGA之间存在U型剂量-反应关系，为环境健康风险评估提供了非线性建模新范式。

　　

引言

不良出生结局包括早产（PTB）、低出生体重（LBW）、小于胎龄儿（SGA）和大于胎龄儿（LGA），是全球重大公共卫生问题。这些结局不仅是围产期婴儿发病和死亡的直接原因，还与儿童期和成年期多种慢性疾病风险密切相关，如糖尿病、心血管疾病、慢性呼吸系统疾病和神经行为障碍。近年来，研究逐渐聚焦环境暴露因素，特别是孕期重金属（HM）暴露作为出生结局的重要环境风险因素。越来越多的流行病学研究报告称，母亲尿液重金属浓度与多种不良新生儿健康结局相关，包括LBW、体型偏小和先天性畸形。这些出生结局不仅影响新生儿生存和发育，还可能对儿童期乃至成年期健康产生持久影响。

广西是中国重要的有色金属产区之一，富含铅、锌、锰等矿产资源。然而，大规模采矿及相关活动导致该地区部分土壤受到严重重金属污染，部分地区铅、镉、砷等污染物浓度超过国家控制标准。尽管绿色纳米技术、新材料和环境修复技术在减少环境污染方面取得了一定成功，但孕妇人群的暴露控制和健康保护仍面临巨大挑战。

方法

研究人群

本研究于2022年至2023年间在桂林某三级医院招募了676名孕早期孕妇。纳入标准包括：年龄≥18岁；在桂林居住至少一年；单胎妊娠；无神经系统或慢性疾病家族史；愿意在桂林医科大学第二附属医院进行产前检查和分娩。参与者需完成全面问卷调查并提供血液和尿液样本。应用排除标准后，最终分析纳入489名孕妇，包括36例PTL、38例LBW和44例SGA。

样本收集

本研究采用标准化生物样本收集方案：在常规产前检查期间，使用无菌聚丙烯容器采集孕妇空腹晨尿样本（上午6:00-8:00）。采集后所有样本立即闪冻并保存在-80°C的Thermo Scientific?超低温冷冻箱中，然后使用经过验证的无菌低温运输箱（Nalgene?）并配备温度监测，运输至分析实验室。

重金属测量方法

使用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）分析尿液样本中的重金属浓度，包括镁（Mg）、锰（Mn）、铜（Cu）、砷（As）、硒（Se）、锶（Sr）、钼（Mo）、镉（Cd）、钛（Ti）和铅（Pb）。将7.35 mL 68%浓HNO₃用超纯水稀释得到500 mL 1% HNO₃溶液。玻璃仪器包括雾化室和雾化器浸泡在1% HNO₃中超过48小时。样品锥和截取锥用1% HNO₃溶液清洗，然后用超纯水冲洗并干燥备用。尿液样本在室温下解冻后涡旋混合。取75 μL解冻尿液样本加入1425 μL 1% HNO₃中。目标元素浓度（μg/L）在所述操作参数下使用测定标准系列和试剂空白溶液确定。如果尿液中金属含量低于检测限（LOD），则该变量值赋值为LOD除以2的平方根。质量控制样品和试剂空白经过测试以确保实验过程中无污染发生。尿液中重金属浓度经过比重（SG）校正，结果以μg/L表示。

出生结局测量

作为常规产后护理的一部分，所有婴儿的出生体重、身长和头围均由训练有素的产科医生测量。每次测量重复三次以确保可靠性，计算平均值并记录在新生儿医疗记录中。孕周根据末次月经日期结合超声检查结果确定。早产定义为妊娠37周前分娩。低出生体重定义为出生体重小于2500 g。小于胎龄儿和大于胎龄儿分别定义为基于中国新生儿性别分层出生体重曲线的第10百分位以下和第90百分位以上。

统计分析

经SG校正的重金属浓度进行对数转换以近似正态分布。PTL组与非PTL组、LBW组与非LBW组以及SGA组与非SGA组的描述性统计以均值±标准差或中位数（P25，P75）表示连续变量，以频数（百分比）表示分类变量。比较分析使用Mann-Whitney U检验或Student t检验分析连续变量，而分类变量使用卡方检验分析各组间差异。为识别对PTL、LBW和SGA结局影响最大的金属，我们采用随机森林模型，选择了四种金属进行后续亚组分析。这些金属的尿液浓度以几何均值与四分位数分布（P25，P50，P75）表示。经过自然对数转换后，使用Mann-Whitney U检验分析PTL组与非PTL组、LBW组与非LBW组以及SGA组与非SGA组之间四种选定金属血液浓度的组间差异。进行Spearman等级相关分析以确定金属间的相关系数。

在四种金属浓度的第25、50和75百分位处拟合限制性立方样条。为评估剂量-反应关系的性质，我们检验了第二个样条系数为零的原假设，从而确定这些金属尿液浓度与PTL、LBW和SGA结局概率之间是否存在线性或非线性关系。

进行逻辑回归分析以评估尿液铊（Tl）、硒（Se）、砷（As）和镉（Cd）水平与PTL的关联；Tl、Se、As和Pb与LBW的关联；以及Tl、Se、As和Pb与SGA的关联。结果以比值比（OR）及相应的95%置信区间表示。在这些模型中，尿液金属浓度分为三分位（低、中、高暴露组），以第一三分位作为参考组。潜在混杂因素包括收入水平、教育程度、种族、职业、孕周和母亲BMI，作为分类变量纳入模型。鉴于尿液砷、硒、铊、锰和镉水平存在中度至轻度相关性，在评估个体金属暴露与PTL、LBW和SGA风险关联时，其他金属被排除作为协变量。使用受试者工作特征（ROC）曲线分析独立评估模型1和模型2的预测性能。此外，通过多变量逻辑回归分析检验模型2的预测能力。

此外，我们采用BKMR模型评估金属混合物对LBW、PTL和SGA风险的累积效应。模型运行20000次迭代以评估砷、硒、铊、锰和镉浓度在第25、50和75百分位处的累积影响。为检查个体金属效应，我们将其他四种金属的浓度固定在第25、50或75百分位，同时将目标金属的浓度从第25百分位变化至第75百分位。

统计分析使用R版本4.4.1进行，所有检验中p值<0.05被认为具有统计学意义。

结果

表2总结了研究参与者的人口学特征。孕妇平均年龄为33.2±4.73岁。大多数参与者出生于农村地区（76.89%），55.01%具有大学及以上学历。汉族占主导地位，职业多样。26.79%的参与者患有妊娠期糖尿病，54.19%有多胎妊娠史。7.36%发生早产（<37周），49.49%的新生儿为男性。

所有10种金属在100%的样本中均被检测到；然而，铝和铬因检测率低于50%被排除分析。使用随机森林模型，我们确定了四种金属（铊[Tl]、硒[Se]、砷[As]和镉[Cd]）和五个协变量（收入、妊娠次数、出生日期、产次和BMI）对新生儿出生日期影响显著。此外，四种金属（铊[Tl]、硒[Se]、铅[Pb]和砷[As]）和五个协变量（早产[PTL]、产次、收入、妊娠次数和BMI）对新生儿出生体重影响最大。另外，四种金属（硒[Se]、铊[Tl]、砷[As]和铅[Pb]）和五个协变量（BMI、职业、产次、出生日期和收入）被确定为小于胎龄儿（SGA）的最影响因素。

表3呈现了489名孕妇尿液中经SG校正的金属浓度分布。六种金属在尿液中的水平呈弱至中度相关（相关值范围0.14-0.65）。在限制性立方样条模型中，我们观察到母亲尿液砷、铊、硒和镉浓度与PTL发生率之间存在显著的剂量-反应关系。此外，母亲尿液锰、铊、硒和铅水平与LBW发生率呈现不同的剂量-反应模式。同样，母亲尿液砷、铊、硒和铅浓度与SGA发生率之间存在显著的剂量-反应关系。

为评估金属暴露与PTL概率的关联，我们将每种金属水平作为连续和分类变量进行分析。最初，所有四种金属的浓度作为连续变量时，与PTL风险无显著相关性。然而，在调整潜在混杂因素（包括收入、妊娠次数、分娩日期、产次和BMI）后，无机砷浓度出现显著趋势（p<0.05），OR值为1.01（95%置信区间：1.00–1.03）。校准前模型1（ROC）的曲线下面积（AUC）为0.62，校准后模型2提高至0.681，表明调整后模型拟合度增强。

为研究金属暴露与LBW风险的关联，将金属水平作为连续和分类变量进行分析。在未调整模型中，仅无机硒浓度与LBW概率显著相关（p<0.01），OR值为1.02（95% CI：1.01–1.03）。调整潜在混杂因素（包括母亲收入、产次、孕周、BMI和妊娠次数）后，在三个暴露组中观察到显著关联：硒暴露组（调整后OR：1.02，95% CI：1.01–1.03）、锰暴露组（调整后OR：1.05，95% CI：1.01–1.09）。分析金属浓度作为分类变量时，高硒暴露组与低暴露组相比，LBW风险显著增加（OR：3.48，95% CI：1.33–9.67）。模型性能评估显示，未调整ROC模型（模型1）的AUC为0.679，调整后模型（模型2）提高至0.697。

为评估母亲金属暴露与SGA婴儿概率的关联，我们将金属水平作为连续和分类变量进行分析。初步分析显示，四种测量的金属暴露与SGA风险之间无统计学显著关联，无论是否调整潜在混杂因素（包括母亲收入、职业、孕周、产次和BMI）。然而，在检查金属浓度作为分类变量时，我们观察到中等砷暴露组的孕妇与低铅暴露组相比，SGA风险显著更高（调整后OR：3.00；95% CI：1.29–7.48）。此外，控制潜在混杂因素后，无机砷浓度与SGA显著相关（p<0.05），调整后OR为3.63（95% CI：1.47–9.64）。

我们展示了BKMR模型的可视化结果。为探索潜在的非线性确定性-反应关系，我们进行了单变量分析以评估个体重金属污染物与三种不良出生结局（PTL、LBW、SGA）的关联。在这些分析中，所有剩余PAH代谢物保持在其第50百分位值。所得图形表示说明了重金属污染物对这三种不良出生结局的线性效应。为进一步研究尿液重金属浓度与出生结局之间的潜在关联，我们在多变量模型中对响应函数进行了横断面分析。为评估代谢物的个体效应，我们通过将每种重金属的浓度从第25百分位调整至第75百分位进行了单变量分析，同时将所有其他代谢物的浓度维持在预定阈值（第25、50或75百分位）以分离每种重金属的特定效应。

图示说明了尿液重金属水平与三种不良出生结局（PTL、LBW、SGA）之间的剂量-反应关系。具体而言，我们通过将尿液重金属浓度从第25百分位逐步调整至第50和75百分位来评估效应。分析中观察到的平行暴露-反应曲线表明不同重金属之间无显著交互作用。我们的研究揭示了混合暴露的显著累积毒性效应。剂量-反应分析表明，随着暴露水平增加，LBW和PTL的概率呈单调增加。相反，SGA的概率呈现非单调关系，在较低暴露水平初始增加后，在较高浓度时下降。

讨论

在本研究中，我们评估了孕期重金属暴露对桂林某三级医院招募的489名孕妇不良出生结局的潜在影响。分析显示，母亲尿液砷浓度升高显著增加早产（PTL）风险，而硒、铊和锰水平升高与LBW发生率增加相关。值得注意的是，这些关联仅在特定孕周时间窗口观察到，表明胎儿对金属暴露的敏感性在不同妊娠阶段存在差异，可能存在易感暴露的关键期。

为进一步探索多种金属的协同效应，我们使用BKMR建模评估了混合重金属暴露对不良出生结局的累积效应。分析表明，混合金属浓度升高与LBW风险正相关，这与既往研究结果一致。例如，武汉的一项前瞻性队列研究发现，宫内锰暴露与胎儿和婴儿生长受限强烈相关，尤其在孕24周和婴儿12月龄时效应最为显著。武汉的另一项研究进一步指出，孕中晚期尿液锰浓度非常高或非常低五分位数组的孕妇出生体重显著低于中间组。

除锰外，其他重金属对早产和出生体重也显示显著影响。例如，武汉的另一项研究使用加权分位数和回归发现，金属混合物整体对PTB风险有正向效应（OR=1.44，95% CI：1.32–1.57），其中铬（Cr）和钒（V）权重最高，分别为0.41和0.32。进一步的BKMR分析也证实了金属混合物与早产之间的正相关，尤其是钒的独立效应最为显著。此外，伊朗的一项研究表明，早产孕妇血清铜和锌水平显著低于足月产孕妇，提示铜和锌可能通过某些生物学机制在早产发生中起保护作用。以色列的一项横断面研究发现出生体重与铊浓度负相关，与镍浓度正相关，而西班牙的INMA（环境与儿童）项目观察到孕期镉暴露水平升高与出生体重降低显著相关。这些结果在某些方面与我们研究的发现存在差异，可能反映了不同地区重金属暴露水平、来源和人群敏感性的差异。

针对我们研究中观察到的砷的显著效应，有必要进一步探索潜在机制。砷是一种广泛存在的环境污染物，可通过饮用水、污染食物或空气等多种途径进入人体。其主要来源包括自然地质过程和工业污染等人为因素。多项研究表明砷暴露可导致多器官系统损伤，包括肾脏、肝脏、免疫、内分泌、造血、神经、呼吸和生殖系统，且对发育中的个体尤为敏感。相关流行病学研究指出饮用砷污染水与早产和胎儿死亡等不良妊娠结局密切关联。例如，Yang等在中国台湾东北部进行的一项研究发现饮用砷浓度0.15至3587 μg/L的水与新生儿LBW和PTB风险显著升高相关。

硒作为一种关键微量元素，在妊娠期同样扮演重要角色。它是抗氧化防御系统的关键组成部分。一项随机临床试验表明孕期补硒显著提高孕妇血浆谷胱甘肽水平，降低丙二醛浓度（氧化应激标志物）。体外实验进一步证实硒减轻胎盘滋养细胞氧化损伤并改善其线粒体功能。大量研究将母亲氧化应激与不良妊娠结局相关联，包括LBW、SGA、流产、早产、先兆子痫和妊娠期糖尿病。过度氧化应激还可通过损害胎盘功能影响胎儿生长，增加LBW风险。例如，Hu等在动物实验中发现胎盘氧化应激可通过抑制血管生成引发宫内胎儿生长受限。基于这些证据，我们假设母亲硒水平不足可能通过诱导胎盘氧化应激增加LBW风险。

结论

本研究系统揭示了孕期多种重金属混合暴露与不良妊娠结局的关联：砷被确定为与PTB风险显著相关的关键金属，而硒、锰和铊的联合暴露与LBW发生风险显著更高相关；观察到重金属暴露与小于胎龄儿（SGA）之间可能存在U型剂量-反应关系。这种非线性特征表明健康风险可能在低剂量和高剂量暴露水平均存在，为理解复杂环境暴露的健康效应提供了新的分析思路。

尽管本研究在方法学应用和研究发现方面具有创新性，但仍存在若干局限性。首先，研究样本仅来自广西桂林一家三级医院（n=489），样本量相对较小，地理代表性有限，可能影响研究结果的外部普适性。其次，本研究使用孕早期单次尿液样本评估重金属暴露，仅反映近期暴露，难以覆盖整个妊娠期，尤其未能捕捉特定关键时间窗口的暴露变化。基于这些局限性，建议未来研究可从以下方面开展：开展多中心大样本前瞻性队列研究，特别是在具有不同金属污染特征的地区，以评估地理差异对结果的影响；结合妊娠不同阶段的生物标志物，构建高时间分辨率的暴露时间窗模型；通过体外类器官或动物模型等实验手段进一步探索U型剂量-效应关系的生物学机制。

本研究有助于深化对孕期有害金属暴露与不良出生结局关系的理解，为制定孕期金属暴露干预策略和公共卫生政策提供科学依据。在金属污染较严重地区，研究结果还可为制定环境管理和污染控制措施提供参考。加强孕期环境暴露的动态监测和个体化健康管理可能有助于降低不良妊娠结局风险，改善母婴健康。同时，多种金属混合暴露的健康风险评估仍面临挑战。尽管本研究使用BKMR等先进模型评估金属间交互作用，但由于金属种类繁多和作用机制复杂，协同或拮抗效应仍未完全阐明。未来研究可通过扩大样本量、延长随访时间、结合多维环境因素进一步探索孕期金属暴露效应的调控机制，从而推动环境健康风险评估向动态化和精准化方向发展。