基于k-means聚类分析揭示空气污染混合暴露与死胎风险的非线性关联

本研究创新性地运用k-means聚类分析方法，系统评估了美国境内六种标准空气污染物（PM2.5、PM10、SO2、NO2、O3、CO）的混合暴露模式与死胎风险的关联。研究发现特定污染组合（尤其是高PM2.5/SO2的Cluster 4）可使死胎风险显著升高43%，突破了传统单污染物线性模型的局限，为制定针对性环境干预措施提供了科学依据。

　　

每年全球约有200万个家庭遭受死胎的创伤，而美国过去二十年的年死胎数始终徘徊在2万例左右，被美国国立儿童健康与人类发展研究所称为"不可接受的高水平"。更令人担忧的是，近三分之一的死胎病例无法明确病因。空气污染作为可改变的风险因素备受关注，但既往研究多聚焦单一污染物（如PM_2.5）与死胎的线性关系，且研究结论存在显著矛盾——有些显示PM_2.5浓度每增加10μg/m3可使死胎风险上升1.03-1.52倍，而另一些研究却未发现显著关联。这种不一致可能源于现实环境中人们实际暴露的是多种污染物组成的复杂混合物，各组分间可能存在协同或拮抗的非线性作用。为破解这一难题，由Naomi O. Riches领衔的研究团队在《Hygiene and Environmental Health Advances》发表了一项开创性研究，首次采用k-means聚类算法系统分析空气污染混合物与死胎风险的关联。

研究团队整合了美国环境保护署（EPA）2004-2013年的六种标准空气污染物监测数据（包括PM_2.5、PM₁₀、SO₂、NO₂、O₃和CO）与美国疾病控制预防中心（CDC）全国生命统计系统的1,212万出生和6.7万死胎记录。通过k-means聚类识别污染暴露模式，采用主成分分析解析聚类特征，最后通过多变量逻辑回归评估不同污染集群与死胎风险的关联，并调整了母亲年龄、妊娠年龄、种族、婚姻状况、婴儿性别、母亲体重增长及健康状况等混杂因素。

3. Results

3.1. K-means聚类分析

通过肘部法和Davies-Bouldin指数确定最优聚类数k=4，生成四个具有显著污染特征差异的集群：Cluster 1呈现低CO、NO₂、SO₂与较高O₃特征，反映较低燃烧源污染；Cluster 2以最高O₃和PM₁₀浓度为特征；Cluster 3显示高CO和NO₂与中等颗粒物水平；Cluster 4则具有最高的PM_2.5（14.49μg/m3）和SO₂（4.60ppm）浓度，且这两种污染物均超出美国国家环境空气质量标准（NAAQS）。地理分布显示Cluster 4中37%的县位于工业活动密集的宾夕法尼亚州。

3.2. 主成分分析

前四个主成分累计解释87.3%的变异，其中PC1（39.8%）主要受NO₂、PM_2.5和SO₂驱动，PC2（20.4%）与O₃强相关，PC3（15.9%）关联SO₂、PM₁₀和CO，PC4（11.2%）则与CO、O₃和PM₁₀相关。主成分散点图证实相似污染特征的观测值成功聚集。

3.3. 逻辑回归分析

以年死胎率下降的Cluster 3为参照，调整混杂因素后发现：暴露于Cluster 1的孕妇死胎风险增加40%（OR=1.40, 95%CI:1.36-1.44）；Cluster 2风险增加13%（OR=1.13, 95%CI:1.09-1.16）；Cluster 4风险增幅最高达43%（OR=1.43, 95%CI:1.38-1.49）。值得注意的是，当单独分析各污染物时，SO₂每ppm增加使死胎风险上升12%（OR=1.12），但PM_2.5反而显示保护效应（OR=0.93），凸显混合物分析相比单污染物模型的优势——PM_2.5与SO₂的协同作用可能单独组分更危险。

4. Discussion

本研究首次运用k-means聚类揭示空气污染混合物与死胎的非线性关联。Cluster 4（高PM_2.5/SO₂）风险最高，可能与工业源（如化石燃料燃烧、制造业）和页岩气开采活动有关——宾夕法尼亚州作为全美第二大天然气产地，其密集的压裂作业已知与低出生体重和早产风险相关。毒理学机制研究表明，这类污染混合物可能通过诱发炎症反应、抗血管生成效应、内皮功能障碍及胎盘功能不全等多途径影响妊娠结局，其中胎盘损伤是核心环节：动物模型显示污染暴露导致胎盘形态改变（重量减轻、血管结构异常）、DNA损伤和表观遗传修饰。

研究优势在于纳入全国性大样本（逾1200万妊娠案例）和真实世界多污染物数据。局限包括县级暴露评估的空间异质性、未充分纳入社会健康决定因素（如 socioeconomic status），以及监测点覆盖不足（仅133个县有完整污染物数据）。未来需结合更精细时空分辨率、敏感期暴露评估和分子机制探索。

结论强调：空气污染混合暴露（尤其PM_2.5-SO₂组合）对死胎风险的影响超越单污染物效应，提示环境政策需从单一污染物管控转向混合物监管。临床医生应警示孕妇减少工业区活动，公共卫生策略需重点关注污染密集型地区（如宾夕法尼亚州）的孕产妇保护。该方法为评估复杂环境暴露与健康结局的非线性关系提供了新范式。