野火源与非野火源PM2.5长期暴露对美国20州居民心肺疾病住院风险影响的比较研究——基于自身对照设计的分析

《Nature Communications》：Cardiopulmonary hospitalization risks from wildfire-specific and non-wildfire PM2.5 in 20 US states

　　

在美国，日益加剧的野火活动已使野火特定细颗粒物（wildfire-specific PM_2.5）成为空气污染的一个重要且不断增长来源，然而其长期健康影响及相对于非野火PM_2.5（non-wildfire PM_2.5）的毒性差异仍不清楚。研究人员采用自身对照设计（self-controlled design），分析了2006–2019年间美国20个州2年平均野火特定和非野火PM_2.5暴露与心肺疾病住院风险之间的关联。每增加1 μg/m³，野火特定PM_2.5与所有心肺疾病住院风险的显著升高相关，相对风险（relative risk, RR）范围从心力衰竭的10%到哮喘的16%。相比之下，非野火PM_2.5每增加1 μg/m³所关联的风险增幅较小，范围从慢性阻塞性肺疾病（chronic obstructive pulmonary disease, COPD）的4.7%到高血压的8.5%。在少数族裔、大都市居民、受教育年限较少的人群以及贫困程度较高的社区中，野火特定和非野火PM_2.5均表现出更强的关联。总体而言，在同等浓度增量下，长期暴露于野火特定PM_2.5所导致的心肺住院风险高于非野火PM_2.5，这凸显出野火烟雾作为一个日益增长的公共健康威胁，需要与常规空气质量控制策略相结合的有针对性缓解措施。

**论文解读**

**一、研究背景与问题**

细颗粒物（PM_2.5）已被确认为导致心肺疾病的首要环境风险因素，其可深入肺部并进入血液循环，损害心脏和肺等重要器官。环境PM_2.5来源多样，包括交通排放、工业活动和农业等。近年来，由于气候变化驱动的野火频率和强度不断增加，以及人类活动向火灾易发区域的扩张，野火正成为PM_2.5的重要来源。在全球范围内，预计到21世纪末，火灾易发区域的面积将扩大29%。在美国许多地区，极端烟雾年份中野火烟雾已占年PM_2.5浓度的一半以上，并导致过去几十年因《清洁空气法》（Clean Air Act）而实现的PM_2.5下降趋势出现逆转。

然而，目前存在几个关键研究空白。第一，与非野火PM_2.5相比，野火特定PM_2.5含有更高比例的亚微米颗粒、碳质物质和极性有机化合物，毒理学研究已表明同等剂量下野火特定PM_2.5可诱导更强的心肺毒性，但比较两者相对毒性的大规模人群证据十分有限。第二，现有关于野火特定PM_2.5健康影响的研究大多聚焦于短期效应，忽视了颗粒物在体内的潜在蓄积及其持续影响。填补上述空白对于全面量化野火的健康影响以及制定应对日益加剧的野火活动的长期缓解策略至关重要。

为此，研究人员利用美国20个州2006年至2019年的住院数据，探索了长期暴露于野火特定和非野火PM_2.5对所有主要类型心血管和肺部疾病住院风险的影响。该研究发表于《Nature Communications》。

**二、关键技术与方法概述**

本研究的主要技术方法包括：首先，采用了一种扩展的自身对照设计（self-controlled design），以每个病例的住院年份为病例期，选取前后年份作为对照期，通过条件逻辑回归（conditional logistic regression）评估长期暴露效应，该设计可固有地控制时间不变混杂因素（如遗传易感性、吸烟史等）。其次，野火特定PM_2.5数据来源于一个结合地面监测、卫星和再分析数据的机器学习模型（空间分辨率10×10 km²，空间外样本R²=0.67）；非野火PM_2.5通过从全源PM_2.5浓度中扣除野火特定部分获得，全源PM_2.5来自一个融合卫星观测、土地利用回归、气象数据和化学传输模型的时空集成模型（分辨率1×1 km²，交叉验证R²=0.82）。样本数据来源于20个州的州住院患者数据库（State Inpatient Databases, SID），覆盖2006–2019年共计57,264,966例心血管住院和32,691,394例肺部疾病住院记录，患者来自亚利桑那、加利福尼亚、科罗拉多、特拉华、佐治亚、爱荷华、印第安纳、肯塔基、马里兰、密歇根、明尼苏达、北卡罗来纳、内布拉斯加、新泽西、纽约、俄勒冈、罗德岛、佛蒙特、华盛顿和威斯康星州。

**三、主要研究结果**

**住院患者特征**：研究共纳入57,264,966例心血管疾病住院和32,691,394例肺部疾病住院。心血管住院中占比最大的是高血压（27.5%），肺部住院中占比最大的是其他呼吸系统疾病（42.4%）。因急性呼吸系统疾病和哮喘住院的患者较其他疾病患者更年轻。大多数患者为白人，居住在大都市地区。肥胖共病在哮喘住院患者中最为普遍（12.0%），而糖尿病共病在心力衰竭住院患者中最为普遍（32.8%）。

**暴露水平**：在研究涵盖的20个州中，加利福尼亚州的野火特定PM_2.5和非野火PM_2.5浓度均为最高。研究期间，ZIP代码层面的年平均野火特定PM_2.5浓度为0.29 μg/m³（范围：0.00–11.15 μg/m³），非野火PM_2.5为7.78 μg/m³（范围：0.005–22.78 μg/m³）。2年平均非野火PM_2.5浓度约为野火特定PM_2.5的20–27倍。

**野火与非野火PM_2.5与住院风险的比较**：与非野火PM_2.5相比，野火特定PM_2.5每增加1 μg/m³与所有被研究的心肺疾病住院风险更大增幅相关。具体而言，野火特定PM_2.5每增加1 μg/m³，脑血管病住院RR为1.131，缺血性心脏病RR为1.129，高血压RR为1.122，心律失常RR为1.117，其他心血管疾病RR为1.117，心力衰竭RR为1.100。肺部疾病中，野火特定PM_2.5对哮喘影响最大（RR=1.160），对肺炎影响最小但仍显著（RR=1.109）。非野火PM_2.5每增加1 μg/m³也与所有心肺疾病住院风险升高相关，但幅度较小：高血压RR为1.085，脑血管病RR为1.071，缺血性心脏病RR为1.065，其他心血管疾病RR为1.062，心力衰竭RR为1.055，心律失常RR为1.052。然而，由于野火特定PM_2.5浓度远低于非野火PM_2.5，按每标准差（standard deviation, SD）增加计算时，非野火PM_2.5的风险增幅更大。

**敏感性分析**：总体而言，野火特定和非野火PM_2.5长期暴露与心肺住院风险之间的关联在调整不同协变量后保持稳健。仅基于主要出院诊断代码识别住院、或将非野火PM_2.5负值设为零后，效应估计基本不变。当采用3年或4年移动平均作为替代暴露窗口时，野火特定PM_2.5与心肺住院的关联随暴露时间延长而增强，而非野火PM_2.5的关联则相对稳定。在不同对照年份选择下结果一致，表明自身对照设计对对照年份的选择不敏感。按州分层分析显示，在PM_2.5水平较高的州（尤其是加利福尼亚州）关联更强。

**分层分析**：西班牙裔和其他种族/族裔群体经历了更高的心肺住院风险。居住在都市地区、教育程度较低社区或贫困程度较高社区的人群中，PM_2.5相关风险更强。此外，共存肥胖或糖尿病的患者通常表现出更高的PM_2.5相关心肺住院风险。年龄、性别和疾病严重程度定义的亚群之间差异较小。

**四、讨论与结论**

本研究覆盖美国20个州，发现2年平均暴露于野火特定和非野火PM_2.5均与所有主要类型心肺疾病住院风险升高相关。尽管大多数野火为突发性事件，但研究结果表明其健康影响是持久的，提示需要制定长期野火管理策略和防护措施以减少烟雾暴露。重要的是，研究人员发现野火特定PM_2.5每单位暴露造成的住院风险更高，这意味着除依赖传统空气质量控制策略外，还应加大对野火管理的投入。

当前，美国的空气质量监管策略在很大程度上将野火烟雾排除在《国家环境空气质量标准》（National Ambient Air Quality Standards, NAAQS）达标的判定之外，而传统的野火管理方法（如控制性燃烧）主要关注财产保护，而非将人群烟雾暴露最小化，这一方面应在未来工作中更充分地整合。少数族裔、共存肥胖或糖尿病的个体、大都市居民以及教育程度较低和贫困程度较高社区的居民对两种来源PM_2.5均表现出更高的易感性，这可归因于结构性种族主义和社会经济差距，包括更差的医疗可及性、更高的污染负担、更少的社区资源等。

野火特定PM_2.5每单位更高的毒性可能与其独特的化学组成有关，其含有更高比例的亚微米和超细颗粒以及更高浓度的氧化性和促炎性物质（如多环芳烃），这些更小尺寸的组分更易渗透进入人体。在未来气候变化情景下，美国野火活动预计将大幅增加，部分地区年野火特定PM_2.5浓度可能达到10 μg/m³。因此，尽管当前浓度较低，野火特定PM_2.5的公共健康影响不容低估。

研究的优势包括：大样本覆盖20个州各年龄段居民；使用具有完整时空覆盖的建模野火特定PM_2.5数据；全面覆盖所有主要心肺疾病类型；采用新颖的自身对照设计，最大限度地减少了未测量的时间不变和缓慢变化混杂因素带来的偏倚。局限性包括：野火特定PM_2.5预测模型的空间分辨率和预测性能欠佳，可能引入暴露测量误差；通过从总PM_2.5中扣除野火特定部分估算非野火PM_2.5可能引入非差异性测量误差，但敏感性分析表明结果对此误差稳健；仅覆盖20个州且最新数据距今近6年，可能限制推广性；SID缺乏唯一患者标识符，无法识别同一人的重复住院，可能导致标准误被低估；可能存在未测量的时变因素造成的残余混杂；2年平均暴露窗口导致病例期和对照期重叠，可能使效应估计偏向零假设。

研究结论为：在同等浓度增量下，长期暴露于野火特定PM_2.5比非野火PM_2.5造成更高的心肺住院风险；两种来源PM_2.5在少数族裔、大都市居民、教育程度较低和贫困程度较高社区中效应更强。考虑到快速增长的野火活动导致空气质量改善趋势逆转，以及野火特定PM_2.5的更高毒性，除依赖传统空气质量控制策略外，应加大对野火管理的投入。