膳食硒与β-胡萝卜素对抗氧化营养素混合物与卒中反向关联的贡献：基于NHANES的混合物模型和机器学习证据

《Food Science & Nutrition》：Dietary Selenium and β-Carotene Contribute to the Inverse Association Between Antioxidant Mixtures and Stroke: Evidence From NHANES Using Mixture Models and Machine Learning

　　

传统单因素分析往往无法全面评估膳食营养素之间的协同效应。本研究旨在探讨六种抗氧化相关营养素联合膳食摄入与卒中几率（odds of stroke）的关联。利用美国国家健康与营养调查（NHANES）数据库（n = 37,746），研究人员采用1:1倾向性评分匹配（PSM）校正基线混杂因素，建立2750人的匹配子队列。针对六种抗氧化相关营养素（维生素A、C和E、β-胡萝卜素、硒和锌），研究人员使用加权分位数和（WQS）回归、分位数g计算（qgcomp）、贝叶斯核机器回归（BKMR）及四种机器学习算法量化联合暴露效应并估计各组分相对贡献。在这些互补分析框架中，六种营养素较高联合摄入量一致与较低卒中几率相关。在WQS和qgcomp模型中，硒和β-胡萝卜素在观察到的反向混合关联中权重最大。BKMR将最高后验纳入概率（PIPs）赋予硒（0.988）和β-胡萝卜素（0.975），且这两种营养素在四种机器学习算法中均位列前两位特征。非线性分析提示硒和β-胡萝卜素呈曲线反向关联，较高摄入水平时反向关联减弱。此外，单变量效应在各背景暴露分位数间平行，无统计学证据表明六种营养素间偏离可加性。总之，该营养素混合物较高联合摄入与较低卒中几率相关。这些发现支持将抗氧化营养素作为膳食混合物而非孤立组分进一步研究。在提出预防建议前，需要开展采用重复膳食评估的前瞻性队列研究以服务于卒中预防。

论文解读

研究背景与问题：卒中是全球重大公共卫生挑战，2021年位列全球第三位死亡原因和第四位伤残调整生命年（DALYs）原因，每年约1190万新发病例，疾病负担主要由缺血性卒中驱动；尽管急性临床干预不断进展，人口老龄化仍使绝对负担增加，2050年全球卒中相关DALYs预计达1.89亿，且多达29%的卒中幸存者存在永久性残疾。因此，加强一级预防具有紧迫公共卫生意义，优化膳食结构（如地中海式饮食）是心脑血管事件的重要预防策略。纵向研究提示营养丰富食物较高摄入与心脑血管事件风险较低相关，抗氧化维生素和必需微量元素较高摄入也与卒中风险及不良预后呈负相关。然而，单种抗氧化补充剂的随机对照试验（RCTs）多未显示显著卒中保护作用，部分试验甚至提示特定心脑血管不良事件风险升高，形成“抗氧化悖论（antioxidant paradox）”。传统流行病学方法存在局限：膳食营养素在体内并非孤立作用，而构成具有复杂共线性和相互作用的“全食物基质（whole food matrix）”；单变量框架难以充分捕捉协同效应，可能高估或遮蔽单个组分真实效应；卒中人群基线风险因素聚集，常规线性协变量调整依赖统计外推，难以严格消除残余混杂；传统模型也不能充分刻画非线性暴露-反应关系或个体水平潜在交互。基于此，研究人员开展本研究。

研究人员开展的研究、结论与意义：研究人员基于NHANES数据库，先以1:1 PSM控制基线混杂，构建匹配子队列，再整合非参数混合物模型和机器学习，评估六种膳食抗氧化剂及微量元素混合暴露与卒中几率的关联，并识别贡献最大的营养素。研究得出，该营养素混合物较高联合摄入与较低卒中几率相关，硒和β-胡萝卜素在多种分析框架中贡献最一致；暴露-反应模式呈非线性，较高摄入水平时反向关联减弱；未发现六种营养素间偏离可加性的统计学证据。研究意义在于，为混合膳食来源的营养素摄入与孤立抗氧化补充之间的流行病学差异提供线索，并为未来前瞻性营养研究提出假设。

关键技术方法：样本来源于NHANES 1999—2018十个两年度周期，最终纳入37,746名参与者；采用首日24 h膳食回顾评估六种营养素，并以1:1最近邻PSM构建2750人匹配子队列。采用调查加权logistic回归评估独立效应；以WQS、qgcomp和BKMR评估混合暴露、非线性及交互；以限制性立方样条（RCS）和两段式logistic回归估计阈值；以LightGBM、Random Forest、支持向量机（SVM）和XGBoost结合Shapley加性解释（SHAP）评估特征重要性。

研究结果：
3.1 倾向性评分匹配前协变量平衡分析：通过比较36,370名非卒中个体和1,376名有卒中史个体，研究发现两组多个核心协变量存在不平衡（标准化均数差[SMD] > 0.10），其中年龄差异最大（SMD = 1.100；65.99岁 vs. 48.67岁），高血压（81.7% vs. 42.0%，SMD = 0.895）和糖尿病（35.5% vs. 13.9%，SMD = 0.519）患病率在卒中组更高，吸烟、收入贫困比、种族构成、教育水平和饮酒状态亦存在不同程度不平衡，故实施PSM以控制后续分析中的潜在混杂。
3.2 PSM及协变量平衡分析：通过1:1匹配，研究将1,375名有卒中史参与者与相应对照配对，得到2750人匹配子队列；匹配后年龄SMD由1.100降至0.016，高血压SMD由0.895降至0.017，糖尿病SMD由0.519降至0.068，均低于0.10；种族构成虽仍有统计学差异（p = 0.009），但SMD由0.280降至0.130，低于预设0.25可接受阈值，故在所有下游多变量模型中保留种族/民族作为校正协变量。
3.3 膳食营养素独立效应及剂量-反应轨迹：通过多变量logistic回归，研究发现完全校正模型中最高的维生素A、维生素C、维生素E、β-胡萝卜素和硒摄入四分位（Q4）相较于最低四分位（Q1）与卒中几率显著降低相关，且经错误发现率（FDR）校正后趋势检验和Q4 vs. Q1对比仍稳健（均q < 0.05）；锌无显著独立反向关联（Q4 vs. Q1：比值比[OR] = 0.80，95%置信区间[CI]：0.61–1.06，p = 0.126；趋势P = 0.350）。RCS分析提示硒（非线性P = 0.013）和β-胡萝卜素（非线性P = 0.001）呈非线性关联；两段式logistic回归估计硒拐点约79.8 μg/day，之上反向关联减弱但斜率仍弱负，β-胡萝卜素拐点约0.87 mg/day，之后斜率不再显著；β-胡萝卜素拟合曲线在3.0 mg/day时约达总下降的90%，较高摄入范围呈较宽平台。额外校正总能量后，维生素A、硒和β-胡萝卜素的反向关联仍显著，维生素C和E减弱至边缘显著。
3.4 营养素混合暴露对卒中的联合效应及权重分配：通过WQS和qgcomp模型，研究发现混合暴露指数每增加一个分位与卒中几率降低相关：WQS模型OR = 0.768（95% CI：0.679–0.870，p < 0.001），qgcomp模型OR = 0.738（95% CI：0.665–0.819，p < 0.001）；WQS和qgcomp均显示硒和β-胡萝卜素权重最大；额外校正总能量后权重分布基本不变，联合反向关联持续存在。匹配样本中硒与锌（r = 0.66）、β-胡萝卜素与维生素A（r = 0.62）存在中等相关。
3.5 BKMR分析及非线性交互评估：通过BKMR模型，研究发现当六种营养素联合暴露水平超过中位数时，总体混合物与卒中几率呈显著反向关联；PIPs显示硒（0.988）和β-胡萝卜素（0.975）最高，其余组分贡献边缘（PIPs < 0.37）。交互评估显示，当背景营养素固定于不同分位数时，各组分（尤其硒和β-胡萝卜素）效应估计及可信区间呈平行趋势，无统计学证据表明在所研究摄入范围内偏离可加性；单变量暴露-反应函数显示硒和β-胡萝卜素呈非线性反向关联，较高暴露范围斜率衰减，其余营养素曲线较平。能量校正BKMR中硒（PIP = 0.887）和β-胡萝卜素（PIP = 0.991）仍最高，总体效应、单变量估计及暴露-反应模式无实质变化。
3.6 基于机器学习的特征重要性及模型解释：通过LightGBM、Random Forest、SVM和XGBoost结合SHAP，研究发现仅含营养素的模型中硒和β-胡萝卜素按平均绝对SHAP值均稳定位列前两位；SHAP蜂群图显示硒和β-胡萝卜素高特征值多沿负SHAP轴聚集，提示较高摄入与较低卒中几率相关；在整合人口学和临床协变量的综合XGBoost模型中，二者仍为最重要的两个特征，局部解释亦支持高暴露与负SHAP值相关。模型测试集受试者工作特征曲线下面积（AUC）接近0.5，Brier评分0.248–0.252接近平衡测试集中无信息预测的0.25；原文指出这是匹配设计的预期属性，机器学习分析目的为量化特征重要性而非开发临床预测工具。

讨论部分总结：讨论指出，既往研究多依赖单营养素模型，忽略膳食组分间复杂共线性和潜在协同；本研究以国家代表性大样本先经PSM平衡年龄、高血压等基线混杂，再以WQS、qgcomp和BKMR等显示较高混合暴露与较低卒中几率相关，硒和β-胡萝卜素贡献最一致。能量校正后维生素A、硒和β-胡萝卜素仍显著，维生素C和E减弱至边缘显著，提示前者关联未被总能量摄入实质混杂；BKMR交互评估未见偏离可加性的统计学证据。临床证据显示，脱离天然膳食基质给予孤立高剂量抗氧化剂未有效降低全因死亡或总卒中发生，特定策略（如维生素E补充）甚至可能增加出血性卒中风险；相反，总膳食抗氧化能力较高与总卒中风险较低相关。Terao、Ursini and Maiorino、Xiong et al.等提出的跨相互补防御网络认为，亲脂性β-胡萝卜素与低密度脂蛋白（LDL）及细胞脂双层相关，硒依赖谷胱甘肽过氧化物酶（GPx）系统位于胞浆等水相环境，β-胡萝卜素清除脂相自由基后需水相还原系统再生，硒可动态清除自由基并触发硒蛋白激活。硒在本研究各框架中权重最大；Li et al.报告循环硒较高与缺血性卒中发生和死亡较低相关，但硒与血管结局可能呈双相，过量摄入与糖代谢紊乱和高血压相关。RCS提示硒拐点79.8 μg/day，高于美国推荐膳食 allowance（RDA）55 μg/day，远低于美国可耐受最高摄入量（UL）400 μg/day及2023年EFSA评估的较低UL 255 μg/day，提示反向关联主要位于生理充足范围，额外获益可能有限。Jenkins et al.的meta分析提示，从抗氧化混合物中去除硒反而与全因死亡增加相关。β-胡萝卜素呈非线性反向关联，拐点0.87 mg/day，处于 habitual 果蔬消费易达范围；原文指出β-胡萝卜素尚无官方RDA或UL，背景膳食摄入未与不良健康效应关联，而建议限制补充剂使用。ATBC等研究支持较高血清β-胡萝卜素与较低卒中特异和全因死亡相关；孟德尔随机化（MR）阴性结果提示仅由遗传背景升高的循环水平未必直接转化为卒中保护，保护作用可能受β-胡萝卜素加氧酶2（BCO₂）基因多态性和整体生活方式交互影响。机制上，β-胡萝卜素可淬灭单线态氧、清除过氧自由基，延迟氧化型低密度脂蛋白（ox-LDL）形成，保护内皮源性一氧化氮（NO）免受活性氧（ROS）淬灭，并下调核因子κB（NF-κB）等促炎通路；这些机制来自既往实验证据，并非当前观察性分析直接评估。局限性包括：横断面设计不能进行因果推断；单次24 h膳食回顾主要反映短期摄入、易受回忆偏倚影响，且不能排除按健康状态差异报告；NHANES不能区分缺血性与出血性卒中；1:1 PSM增强内部效度但损害外部效度，匹配子队列卒中患病率不再代表原始NHANES样本，结果应严格解释为受控流行病学框架内协变量校正关联而非全国代表性患病率估计，且严格匹配限制样本自然变异，不能完全排除匹配临床变量（如年龄和高血压）的残余效应修饰。研究结论（翻译）：在这项基于NHANES的横断面研究中，六种抗氧化相关营养素较高联合膳食摄入与自我报告医生诊断卒中的较低几率相关。在WQS回归、分位数g计算、BKMR和基于机器学习的特征解释中，硒和β-胡萝卜素对观察到的反向混合物关联贡献最一致。这些营养素的暴露-反应模式呈非线性，较高摄入水平时反向关联减弱。然而，由于横断面研究设计，不能从这些发现中得出因果推断，需要进一步前瞻性研究确认这些观察。