饮食质量与儿童心肺健康：心肺适能在心脏代谢健康中的中介作用分析

《Frontiers in Nutrition》：The associations of diet quality and cardiometabolic indicators in children and the mediation role of cardiorespiratory fitness

本研究通过横断面调查发现，在8-10岁中国儿童中，较高的全球膳食推荐（GDR）评分与较低的空腹胰岛素（FINS）、胰岛素抵抗指数（HOMA-IR）及心脏代谢风险（CMR）评分显著相关。分层分析显示这种关联在女童中更为显著。中介分析进一步揭示心肺适能（CRF）在饮食质量与代谢指标关系中起部分中介作用（中介比例25.3%-32.9%），提示健康饮食可能通过提升CRF改善儿童心脏代谢健康。

　　

1 引言

儿童肥胖已成为全球流行病，其重要后果是心脏代谢风险（CMR）的上升。CMR通常由中心性肥胖、血脂异常、血压升高和葡萄糖代谢受损等指标共同定义。生活方式相关因素如饮食和体力活动习惯可能促成CMR的建立，其中饮食质量已成为主要决定因素。全球范围内，不良饮食是非传染性疾病的第二大风险因素。

饮食质量指膳食模式或食物摄入符合膳食指南的程度，通常基于所消费食物的质量和多样性进行评估。现有证据表明，较高的饮食质量与改善的心脏代谢结果相关。在儿童中，研究显示了相似趋势，但数据往往限于特定区域或饮食模式。

饮食质量问卷（DQQ）是一种低负担工具，通过29个食物组的是/否问题来捕捉人群水平的膳食模式。它已在中国7-18岁儿童中得到验证，全球膳食推荐（GDR）评分包括：GDR-健康（健康促进食物）、GDR-限制（需限制成分）和总体GDR（综合评分）。DQQ的简短性（5分钟完成）和与WHO指南的一致性使其特别适合儿科研究。

心肺适能（CRF）定义为循环和呼吸系统在持续体力活动期间向骨骼肌供应氧气的能力，是心脏代谢健康的另一个关键决定因素。CRF通常通过最大摄氧量（VO₂max）或耐力测试（如20米往返跑测试（20mSRT））来测量。较高的CRF水平与肥胖儿童和青少年增强的胰岛素敏感性、降低的全身炎症、改善的脂质代谢和更好的心血管结局相关。重要的是，CRF是一个可改变的因素，可能介导生活方式因素（如含糖饮料消费）与肥胖之间的关系。

本研究有两个主要目标：首先，检验中国儿童中GDR评分与心脏代谢健康指标之间的关联，并评估潜在的性别差异；其次，评估CRF是否在该人群中介导饮食质量与心脏代谢结局之间的关系。

2 方法

2.1 研究参与者

这是一项横断面研究，使用了"宁波儿童青少年干预效果优化（OptiChild研究）"项目的基线数据，该项目是一项整群随机对照试验（临床试验.gov注册号：NCT05482165）。该项目于2022年9月从宁波市三个区的六所小学招募了1,640名8至10岁的三年级学生。本研究使用基线数据，并纳入了1,389名数据完整的学生。

该项目获得了宁波大学第一附属医院伦理委员会的批准（批准号：2021-R168），并获得了所有参与学生及其主要监护人的书面知情同意。

2.2 人体测量学和生化测量

所有人体测量均由当地社区卫生中心的训练有素的工作人员按照标准化程序在学校进行。参与者身高使用机械身高计测量，赤脚以确保精度。体重和脂肪量通过生物阻抗分析系统（Inbody770, USA）评估，参与者穿着轻便衣物且不穿鞋。腰围（WC）使用非弹性卷尺测量，置于下肋和髂嵴之间的中点，在正常呼气结束时测量。臀围在臀肌最大突出处使用非弹性卷尺测量，参与者直立站立，穿着轻便衣物，双脚并拢。身高、体重、WC和臀围的所有记录值精确到0.1单位。舒张压（DBP）和收缩压（SBP）使用欧姆龙数字血压计（Omron HEM-7121, Japan）在参与者至少休息5分钟后测量。

血样由认证护士在学校晨间健康检查期间使用标准化协议从肘静脉采集。所有样本在过夜空腹后获得，存储在4°C，并在同一天分析。空腹胰岛素（FINS）使用化学发光技术在自动化分析仪（Roche Cobas E602 Immunology Analyzer, Switzerland）上评估。空腹血糖（FPG）、甘油三酯（TG）、低密度脂蛋白胆固醇（LDL-C）、高密度脂蛋白胆固醇（HDL-C）和总胆固醇（TC）的水平使用酶法在另一台自动化系统（Beckman AU5800, USA）上测定。

体重指数（BMI）通过体重（千克）除以身高（米）的平方计算。BMI Z分数被计算以考虑儿童生长模式的年龄和性别差异，允许更适当地解释儿童的BMI。体脂百分比（BFP）通过脂肪量除以总体重乘以100计算。腰臀比（WHR）计算为腰围除以臀围，而腰高比（WHtR）通过腰围除以身高获得。胰岛素抵抗的稳态模型评估（HOMA-IR）计算为[FINS (μU/L) * FPG (mg/dL)]/405。已利用各种方法计算连续CMR评分，其中大多数包括与肥胖、脂质谱、代谢标记物和血压相关的指标。在本研究中，CMR评分通过添加WC、SBP、TG、TC/HDL-C比率和HOMA-IR的年龄和性别特异性Z分数得出，这与已建立的儿科CMR评分方法一致。每个参数的Z分数使用公式（值-均值）/SD计算，分别针对每个一岁年龄组的男孩和女孩。较高的CMR评分对应于升高的心脏代谢风险。

2.3 问卷

所有儿童被要求回忆前一天的食物组消费，并在训练有素的项目调查员的帮助下完成DQQ，调查员使用简化的、儿童友好的语言以确保理解。食物摄入根据适用于中国人群的DQQ工具编码为29个食物组，该工具使用关于过去24小时内消费的特定食物组的二元（是/否）问题，中文版DQQ工具已在7-18岁中国儿童中得到验证。GDR-健康评分和GDR-限制评分的范围从0到9，分别反映对全球膳食推荐中健康饮食成分和需限制或避免成分的遵守程度。较高的GDR-健康评分表示饮食中包含更多健康促进食物，而GDR-限制评分则相反。总体GDR评分计算为：GDR评分 = GDR-健康 - GDR-限制 + 9，确保一个正标度，其中较高值表示更好的饮食质量，其范围从0到18。GDR评分越高，可能满足的推荐就越多。所有参与者根据其GDR评分分为四个分位数，各分位数的分布如下：Q1为219人，Q2为397人，Q3为425人，Q4为348人。

中高强度体力活动（MVPA）时间的评估通过自我报告的体力活动问卷进行，该问卷已在中国儿童中得到验证，问卷细节已在别处描述。每日MVPA时间根据WHO建议分为上周≥60或<60分钟/天。

2.4 心肺适能测试

一名合格的体育教师使用20mSRT进行CRF评估，这是一种在儿童和青年中评估CRF的有效可靠方法。在20mSRT期间，参与者在相距20米的两条线之间来回奔跑，使其步调与音频提示同步。测试结构为多个阶段（或级别），每个阶段持续约1分钟，由几个20米圈（称为往返）组成。初始跑步速度为8.5公里/小时，每分钟增加0.5公里/小时（1分钟对应一个阶段）。当参与者连续两次未能及时随着音频信号到达线处，或因精疲力竭而停止时，测试结束。完成的圈数总数然后被用作估计每个儿童CRF水平的主要指标。

2.5 统计分析

参与者的人口统计学和身体特征使用描述性统计进行总结。连续变量的正态性使用Shapiro–Wilk检验和Q-Q图的视觉检查评估。跨GDR评分分位数的组间差异使用单因素方差分析（ANOVA）用于正态分布变量（报告为均值±标准差）或Kruskal-Wallis检验用于偏态变量（报告为中位数[四分位距]）。分类变量表示为计数（n）和百分比（%），其跨GDR评分分位数组的分布使用卡方检验评估。对于跨GDR评分分位数具有显著总体差异的连续变量，使用Tukey事后检验进行正态分布变量的成对比较，使用Dunn检验与Bonferroni校正进行非正态分布变量的成对比较。对于具有显著总体差异的分类变量，使用Bonferroni校正的卡方检验进行成对比较。

GDR评分与CMR指标之间的关系以及交互项（GDR评分×性别）通过广义线性混合效应模型（GLMM）探索，FINS、HOMA-IR和TG水平由于偏态分布进行了Ln转换。该模型纳入了学校水平的随机截距以解释参与者在学校内的聚类，因为数据收集是在学校水平进行的。构建了两个模型：模型1未调整，而模型2在模型1的基础上额外调整了年龄、性别和MVPA。进行分层分析以评估不同性别儿童中GDR评分与CMR指标的关联。

为了评估CRF在GDR评分与CMR指标关联中的中介作用，使用了R中的mediation包。执行了5,000次重抽样的自助法以估计间接效应。统计显著性使用双尾检验确定，p值阈值<0.05。所有统计分析使用R版本4.3.0进行。

3 结果

3.1 按GDR评分四分位数分层的临床、人口统计学和饮食特征

总共1,389名参与者被纳入分析，我们比较了纳入的儿童和排除的251名儿童的特征，未检测到纳入和排除学生之间的差异。GDR评分的直方图显示正态分布，值范围从3到18。

总样本包括52.7%的男孩和47.3%的女孩，平均年龄为8.48±0.29岁。按GDR评分四分位数分层的临床和人口统计学特征如表1所示。观察到性别分布（p<0.001）、WHR（p=0.029）、FPG（p=0.022）和CRF（圈数，p=0.020）的显著差异。较高GDR分位数（Q4）的参与者表现出较大比例的女孩、较高的CRF和较低的FPG。例如，FPG水平在Q1中显著高于Q4，而Q2和Q3处于中间状态，与任一组均无显著差异。MVPA时间在不同分位数间也显著差异（p<0.001），Q4显示参与MVPA>1小时/天的参与者比例最高（60.6%）。

饮食特征（表2）揭示了食物消费模式的显著变化。健康食品项目的消费随着GDR评分的增加而显著增加。例如，消费全谷物的儿童比例从Q1的20.1%上升到Q4的64.9%，大多数分位数间存在显著成对差异（p<0.05）。类似增加趋势在豆类、富含维生素A的蔬菜、深绿色叶菜、其他蔬菜、柑橘类水果和其他水果中观察到（所有p<0.001）。相反，不健康食品项目的消费随着GDR评分的增加而显著下降。例如，软饮料摄入的流行率从Q1的41.6%下降到Q4的仅3.7%，并且在烘焙甜点、加工肉类、油炸食品、快餐和包装咸零食中也观察到显著差异（所有p<0.001）。总体而言，GDR评分本身跨分位数逐步增加（Q1为7.1±1.2 vs. Q4为13.9±1.1，p<0.001）。

3.2 GDR评分与心脏代谢指标之间的关联

GDR评分与心脏代谢指标之间的关联使用两个模型评估（如表3所示）：一个未调整模型（模型1）和一个调整了年龄、性别和MVPA的模型（模型2）。在模型1中，较高的GDR评分与较低的BMI Z分数（β=?0.029，p=0.044）、WC（β=?0.161，p=0.035）、WHR（β=?0.002，p=0.003）、WHtR（β=?0.001，p=0.024）、FPG（β=?0.007，p=0.047）、FINS（β=?0.011，p=0.048）和HOMA-IR（β=?0.013，p=0.028）负相关，而与CRF正相关（β=0.405，p=0.006）。在模型2中调整协变量后，GDR评分仍然与FINS（β=?0.013，p=0.023）、HOMA-IR（β=?0.014，p=0.019）和CRF（β=0.441，p=0.003）显著相关。此外，在模型2中，GDR评分与CMR评分负相关（β=?0.074，p=0.030）。

3.3 按性别分层分析

GDR评分与心脏代谢指标之间的关联进一步按性别分层（表4）。性别与GDR评分之间的交互项对于BMI（p=0.020）、BMI Z分数（p=0.037）和BFP（p=0.025）显著，表明GDR评分与这些指标之间的关联因性别而异。在男孩中，GDR评分与大多数心脏代谢指标无显著关联，除了与20mSRT正相关（β=0.451，p=0.042）。相反，在女孩中，GDR评分与BMI（β=?0.108，p=0.005）、BMI Z分数（β=?0.049，p=0.008）、BFP（β=?0.322，p=0.008）、WC（β=?0.225，p=0.023）、WHtR（β=?0.002，p=0.014）、FINS（β=?0.021，p=0.012）、HOMA-IR（β=?0.022，p=0.010）和CMR评分（β=?0.126，p=0.014）显著相关。

3.4 CRF的中介效应

我们探讨了CRF在GDR评分与心脏代谢指标之间的中介效应（图2）。CRF介导了GDR评分与FINS之间关联的26.1%（p=0.036，图2A）和GDR评分与HOMA-IR之间关联的25.3%（p=0.028，图2B），并且我们发现了GDR评分与CMR评分之间关联的最大中介比例（中介效应：32.9%，p=0.034，图2C）。

4 讨论

在本研究中，我们发现较高的饮食质量，以更大程度遵守全球膳食推荐为特征，与更有利的心脏代谢谱相关，包括胰岛素抵抗（HOMA-IR）、FINS和更好的整体代谢健康，尤其是在女孩中。此外，发现CRF介导了饮食质量与CMR指标之间的关系，表明改善体能可能增强健康饮食对儿童心脏代谢健康的益处。

GDR评分提供了量化饮食质量及其对多样化人群健康结局影响的宝贵工具。与我们研究中使用DQQ不同，其他饮食评估方法可能繁琐或复杂。我们的发现与现有文献一致，表明较高的饮食质量与更好的心脏代谢健康结局相关。不良饮食质量，以过量摄入糖、加工食品和饱和脂肪为特征，已与肥胖、2型糖尿病和心血管疾病密切相关。我们的研究通过证明具有较高GDR评分的儿童表现出较低的BMI Z分数、腰围、FINS、HOMA-IR和其他代谢标记物来强化这些发现。这些结果强调了在儿童期促进高质量饮食模式以改善未来心脏代谢风险的重要性。DQQ在中国儿童中的验证进一步增强了其作为监测该人群饮食质量的可靠工具的实用性。

有趣的是，我们按性别进行的分层分析显示，饮食质量与心脏代谢指标之间的关联在女孩中比男孩更强。这种性别差异的可能解释包括青春期前胰岛素敏感性和脂肪分布的生理差异。研究表明，女孩在青春早期经历胰岛素敏感性的更大下降，使她们更容易受到饮食影响。未来的研究应更详细地探索这些性别特异性途径，以相应地定制饮食和体力活动干预措施。

CRF已被广泛认为是儿童心脏代谢健康的关键预测因子。先前的研究表明，较高的CRF与较低的代谢风险相关，包括降低的HOMA-IR、TG和较高的HDL-C。本研究进一步证实CRF介导了GDR评分与CMR因素之间的关联，特别是对于FINS、HOMA-IR和复合CMR评分。我们的发现与干预研究一致，显示体育锻炼干预降低了儿童的HOMA-IR和FINS，尽管空腹血糖通常保持不变。

在生理上，较高的CRF与改善的胰岛素敏感性、降低的炎症和增强的脂质代谢相关。然而，观察到的中介是部分的，CRF解释了饮食质量与心脏代谢结局之间关联的大约25.3%至32.9%。部分中介表明额外的途径可能负责剩余67%至75%的关系，例如肠道微生物群调节或表观遗传调控。例如，富含纤维的饮食增加短链脂肪酸生产，从而增强胰岛素信号传导。同样，某些营养素可以修改DNA甲基化和组蛋白乙酰化模式，影响参与葡萄糖代谢和脂质调节的基因表达。鉴于这些途径直接响应饮食成分并且独立于体能，它们对心脏代谢调节的贡献可能超过CRF单独的作用是合理的。因此，未来的研究不仅应包括CRF作为中介，还应整合肠道微生物群组成和表观遗传标记的测量以阐明它们各自的作用。

尽管有其优势，包括大样本量和使用经过验证的饮食和综合心脏代谢测量工具，但本研究有几个局限性。首先，横断面设计限制了我们在饮食质量、CRF和心脏代谢结局之间推断因果关系的能力。尽管中介分析提示了连接饮食质量、CRF和心脏代谢标记物的潜在途径，但需要纵向或实验研究来确认时间先后顺序和因果关系。其次，饮食数据是自我报告的，可能引入回忆偏倚。第三，一个潜在问题是通过20mSRT评估的CRF是否受身体大小和组成的影响。然而，20mSRT仍然是儿科人群大规模评估的合适、实用且广泛推荐的方法。

总之，本研究提供证据表明较高的饮食质量与中国儿童更好的心脏代谢健康相关，CRF扮演潜在的中介角色。这些发现支持需要综合健康促进策略，整合健康饮食和体力活动以改善儿童肥胖和其他CMR因素。需要进一步研究以更好地理解这些关系背后的机制，并探索它们对成人健康的长期影响。