陳嘉惠，胡大宇，賈 旭，牛 薇，鄧芙蓉，郭新彪

(北京大學公共衛(wèi)生學院勞動衛(wèi)生與環(huán)境衛(wèi)生學系，北京 100191)

臭氧(ozone，O3)是光化學煙霧的主要成分，具有強氧化性和強刺激性，其水溶性較小，易進入呼吸道的深部。研究表明，短期暴露于O3與肺功能下降、氣道炎癥增加、呼吸系統(tǒng)疾病入院和死亡增加等有關[1-5]，長期的O3暴露還與哮喘、慢性阻塞性肺疾病、肺癌等呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)病風險增加有關，影響人群疾病的發(fā)生發(fā)展，最終導致死亡[6-8]。目前關于O3與人群呼吸健康的研究主要集中在兒童、慢性阻塞性肺疾病(chronic obstructive plumonary disease，COPD)患者和哮喘患者等敏感人群，對于健康人群的關注相對較少，且目前的研究結果不完全一致，需要更多的數(shù)據(jù)來探索O3對呼吸系統(tǒng)的效應。

反映不同暴露時長的O3監(jiān)測指標，如日1 h最大濃度、日最大8 h平均濃度和24 h平均濃度等，均被應用于現(xiàn)有的流行病學研究中[9-11]，其中，日1 h最大濃度(daily 1 h maximum concentration of O3，O3-1 h max)是指O3每日的每小時平均濃度的最大值，日最大8 h平均濃度(daily maximum 8-h average concentration of O3，O3-8 h max)是指一天24 h中O3最大的8 h滑動平均值，24 h平均濃度(24-h average concentration of O3，O3-24 h avg)是指一天24 h的O3濃度的算數(shù)平均值。不同的監(jiān)測指標對應著不同大小的健康效應，但目前多數(shù)研究只選擇O3多個監(jiān)測指標中的一個闡述研究結果，導致在比較或者合并不同的研究結果時無法統(tǒng)一度量標準。雖然有研究建議通過某種簡單的比例換算來實現(xiàn)研究結果的比較或合并[12-13]，但也有研究認為通過某一比例換算污染物不同監(jiān)測指標下的效應值差異較大[14]。因此，O3的健康效應研究應盡可能給出多種監(jiān)測指標下的效應值。

為此，本研究采用定組研究設計，選取健康年輕人為研究對象，旨在探討大氣O3的短期暴露與健康年輕人肺功能和氣道炎癥的關聯(lián)，關注不同監(jiān)測指標下O3的健康效應，為大氣污染健康效應研究提供科學數(shù)據(jù)，為今后我國修訂大氣O3濃度限值提供直接的參考數(shù)值。

1 資料與方法

1.1 研究對象

在北京市海淀區(qū)某區(qū)域內招募高校大學生100名，于2017年12月至2018年6月對其進行3次隨訪。這些研究對象的入選標準為：年齡18～29歲，在北京居住超過一年，無吸煙、飲酒及長期飲用咖啡的習慣，未患有呼吸、心血管系統(tǒng)相關疾病，及未長期服用藥物。研究開始前通過基線調查問卷收集了研究對象的人口統(tǒng)計學信息。研究期間，研究對象主要在固定區(qū)域居住活動，接受了3次隨訪，每次隨訪測定肺功能和氣道炎癥，間隔至少兩個星期。同時收集研究期間環(huán)境空氣監(jiān)測站的大氣污染數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)。本研究開始前獲得北京大學生物醫(yī)學倫理委員會審查批準(IRB00001052-16066)， 所有的研究對象均簽署了知情同意書。

1.2 暴露數(shù)據(jù)監(jiān)測

本研究選取了距研究對象居住社區(qū)最近的空氣監(jiān)測站作為環(huán)境污染物的代表。研究人員從監(jiān)測站獲得了包括O3、二氧化氮(nitrogen dioxide，NO2)、二氧化硫(sulfur dioxide，SO2)和細顆粒物(particular matter with aerodynamic diameter ≤ 2.5 μm，PM2.5)在內的環(huán)境空氣污染物的每小時濃度，并計算了24 h內至少測量了18 h的O3、NO2、SO2和PM2.5的24 h平均濃度以及O3的日1 h最大濃度和日最大8 h平均濃度。每日氣象數(shù)據(jù)(包括溫度和相對濕度)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(https://data.cma.cn/)。

1.3 健康指標測量

1.3.1肺功能測量 研究使用便攜式PEF儀(型號Model 2110，英國Vitalograph Ltd.公司)測量包括第一秒用力呼氣容積(forced expiratory volume in the first second，F(xiàn)EV1)和最大呼氣流量(peak expiratory flow，PEF)在內的肺功能指標。研究開始前對研究對象進行培訓，直到研究對象熟悉肺功能的測量技術以保證測定質量。每一個隨訪過程中，肺功能的測定進行2～5次，當兩次測定值相對差異小于10%時，研究人員將測量值記錄在隨訪手冊中。根據(jù)美國胸科學會和歐洲呼吸學會的肺活量標準[15]，選擇每次測量中最好的測量值(即最大值)用作最終模型的分析，可以更準確地代表研究對象的肺功能。

1.3.2氣道炎癥測量 使用分段式呼出一氧化氮監(jiān)測儀(MKT140,英國Bedfont公司)測量研究對象的呼出氣一氧化氮(fractional exhaled nitric oxide，F(xiàn)eNO)。FeNO是呼吸道炎癥無創(chuàng)和敏感性的生物標志物，應嚴格按照美國胸科學會和歐洲呼吸學會推薦的標準化程序進行測定[16]。在肺功能測量前測量FeNO，以避免深度吸氣對一氧化氮濃度的影響。

1.4 統(tǒng)計學分析

使用Excel 2016及R3.5.1軟件進行數(shù)據(jù)整理和統(tǒng)計學分析。在分析過程中主要采用的分析方法包括描述性統(tǒng)計分析、相關性分析和線性混合效應模型，P<0.05認為差異有統(tǒng)計學意義。

1.4.1描述性分析 采用均數(shù)±標準差及范圍值對研究對象的基本信息[如年齡、性別、體重指數(shù)(body mass index，BMI)]與研究對象3次隨訪的肺功能和氣道炎癥水平進行統(tǒng)計描述。研究期間的大氣污染物和氣象數(shù)據(jù)呈非正態(tài)分布，采用P50(P25，P75)對其進行描述，但為了與國內外研究進行比較，亦采用均數(shù)±標準差進行描述。

1.4.2相關性分析 采用Spearman 相關分析對大氣污染物、氣象因素之間進行相關性分析，并根據(jù)不同污染物之間的相關性，在進行單污染物模型分析的同時，選取合適的污染物進行雙污染物模型的分析。

1.4.3大氣O3與人群肺功能和氣道炎癥指標的關聯(lián)分析 為了控制研究對象間的異質性，將肺功能指標FEV1和PEF轉化為百分比偏差指標，即先將每位研究對象的指標減去其相應指標平均值，再將得到的差值除以這個平均值，最后將得到的數(shù)值乘以100。由于FeNO呈偏態(tài)分布，對其進行以10為底的對數(shù)轉換以改善其正態(tài)性。調整研究對象的個體特征，包括性別、年齡、BMI及其他潛在混雜因素(如溫度、濕度、星期幾效應等)，將研究天數(shù)及研究天數(shù)的平方納入模型的固定項，以校正長期趨勢的影響。線性混合效應模型結構為：

Yit=b0+ui+b1x1+…+bpxp+βPollutant +εit,

其中Yit為第i個對象在t時間的健康指標測量值，b0是總截距，ui是第i個研究對象特定的隨機截距，x1～xp是協(xié)變量，b1～bp是x1～xp的回歸系數(shù)，β是污染物的回歸系數(shù)，εit是第i個研究對象在t時間的剩余誤差。為了評估O3對健康指標潛在的累積滯后效應，分別納入在健康指標測量之前不同滑動平均值的污染物濃度水平(Avg1～Avg7，Avg1即1 d滑動平均值)， 采用單污染物模型對O3與健康指標之間的關聯(lián)進行估計，并分別納入同期的PM2.5、SO2、NO2建立雙污染物模型。結合線性混合效應模型中得到的參數(shù)估計，使用Loess Smother的方法對O3和健康指標之間的暴露-反應關系進行擬合。

1.5 質量控制

研究開展前嚴格按照納入排除標準招募研究對象,所有研究人員接受統(tǒng)一的研究相關內容培訓。研究期間，每次使用儀器前均對其進行校準，以保證測量數(shù)據(jù)的準確性和可靠性；每位研究對象健康指標的測量控制在相對固定的時間，以減少時間趨勢的影響。研究結束后，在研究信息錄入計算機前，對其進行邏輯核對，確保研究對象與結局一一對應；數(shù)據(jù)錄入時，采用雙錄入方式并建立數(shù)據(jù)庫。

2 結果

2.1 研究對象基本情況

最終參與本研究的研究對象有97名，有效健康測量數(shù)據(jù)為285組(表1)。研究對象的平均年齡為(24.4±2.2)歲，平均BMI為(24.7±4.3) kg/m3，其中男性有65名，女性有32名。研究對象FEV1、PEF和FeNO的平均值分別為(3.3±0.8) L、(413.1±145.9) L/min和(17.8±10.2) μg/m3。

2.2 研究期間的大氣污染物水平及氣象因素

研究期間大氣O3-1 h max、O3-8 h max和O3-24 h avg的P50(P25，P75)分別為102.5(76.8，163.0) μg/m3、91.1(68.3，154.3) μg/m3和61.6(36.9，81.7) μg/m3。研究期間的溫度為(9.6±11.8) ℃，相對濕度為(41.2±15.9) %(表2)。研究期間大氣O3-1 h max和O3-8 h max 與SO2呈顯著負相關，與PM2.5呈顯著正相關；O3-24 h avg與SO2和NO2呈顯著負相關(表3)。

表1 研究對象的基本情況和健康指標測量情況

表2 2017年12月至2018年6月大氣污染物和氣象因素水平

表3 研究期間大氣污染物和氣象因素的Spearman相關分析結果

*P< 0.05, #P< 0.01.

2.3 大氣O3與肺功能和氣道炎癥的相關分析

2.3.1肺功能 大氣O3濃度的升高與FEV1下降有關，且不同監(jiān)測指標下均表現(xiàn)顯著(P<0.05)。O3-1 h max的6 d滑動平均值每增加71.5 μg/m3，F(xiàn)EV1降低6.2%(95%CI：-11.8%，-0.5%)。O3-8 h max的7 d滑動平均值每增加62.0 μg/m3，F(xiàn)EV1降低6.2%(95%CI：-11.6%，-0.7%)。O3-24 h avg的4 d滑動平均值每增加32.9 μg/m3，F(xiàn)EV1降低3.1%(95%CI：-6.0%，-0.1%)；累積5 d時，F(xiàn)EV1降低3.7%(95%CI: -7.1%，-0.2%)。沒有觀察到不同監(jiān)測指標下O3與PEF的顯著相關性(圖1)。

2.3.2氣道炎癥 大氣O3濃度的升高與FeNO上升有關，且不同監(jiān)測指標下均表現(xiàn)顯著(P<0.05)。O3-1 h max的1 d滑動平均值每增加71.5 μg/m3， FeNO升高13.1%(95%CI：0.5%，27.4%)；在累積6 d時健康效應值達到最大，此時FeNO升高63.3%(95%CI：13.8%，134.3%)。O3-8 h max的3 d滑動平均值每增加62.0 μg/m3，F(xiàn)eNO升高32.6%(95%CI：10.6%，58.9%)；累積7 d時，F(xiàn)eNO升高75.5%(95%CI：19.3，158.0%)。O3-24 h avg的3 d滑動平均值每增加32.9 μg/m3，F(xiàn)eNO升高 19.3%(95%CI：5.2%,35.3%)；累積5 d時，F(xiàn)eNO升高25.3%(95%CI: 3.6%，51.6%，圖1)。

2.4 不同污染物模型的分析結果

選擇效應最為顯著的avg擬合污染物模型。單污染物模型中，O3-24 h avg的5 d滑動平均值每增加一個四分位數(shù)間距(interquartile range，IQR)，研究對象的FeNO顯著升高25.3%(95%CI：3.6%，51.6%)。雙污染物模型中，調整同時期PM2.5后，O3-24 h avg對FeNO的效應值略微降低，統(tǒng)計學意義仍舊顯著；調整同時期SO2或NO2后，O3-24 h avg對FeNO的效應值大幅度降低，且統(tǒng)計學意義不再顯著。無論調整PM2.5、SO2還是NO2，(Avg5) O3-24 h avg對FEV1、(Avg6) O3-1 h max和(Avg7) O3-8 h max對FeNO的效應值相較于單污染物模型雖有所改變，但一直維持統(tǒng)計學意義顯著(表4)。

2.5 大氣O3與肺功能和氣道炎癥的暴露-反應關系曲線

使用 Loess Smother 的方法擬合1 d滑動平均(Avg1)的O3和呼吸指標之間的暴露-反應關系曲線(圖2)。當O3-24 h avg ≤93 μg/m3， FEV1隨著O3-24 h avg的增加而降低；當O3-24 h avg >93 μg/m3時，隨著O3-24 h avg增加，F(xiàn)EV1穩(wěn)定不變。當O3-1 h max ≤160 μg/m3時，隨著O3-1 h max的增加，PEF先降低后逐漸趨于不變；當O3-1 h max >160 μg/m3時，PEF隨O3-1 h max的增加而降低。無論選取何種監(jiān)測指標(O3-1 h max、O3-8 h max或O3-24 h avg)，O3與FeNO之間的關系都近乎線性，隨著O3暴露濃度的升高，F(xiàn)eNO呈穩(wěn)定上升趨勢。

3 討論

肺功能能夠反映呼吸道的通暢程度及肺容量的大小，F(xiàn)eNO由氣道上皮細胞中的一氧化氮合酶產生、是氣道炎癥的無創(chuàng)性指標，兩者常用于評價空氣污染對呼吸系統(tǒng)的早期影響。國內外環(huán)保部門主要關注O3的短期急性健康效應，故一開始的O3的環(huán)境空氣質量標準只有1 h平均標準；后來一些研究發(fā)現(xiàn)，在很多O3濃度低于1 h平均濃度限值的地區(qū)，暴露O3中6～8 h仍然存在相關的健康效應，因此國內外逐漸將8 h平均濃度限值納入O3的環(huán)境空氣質量標準中，日1 h最大濃度(O3-1 h max)和日最大8 h平均濃度(O3-8 h max)成為評價O3的日暴露水平的標尺。但流行病學研究中習慣使用24 h平均濃度(O3-24 h avg)作為O3的監(jiān)測指標，多種監(jiān)測指標的交替應用導致研究結果難以直接比較或合并。本研究探索不同監(jiān)測指標下大氣O3與健康年輕人肺功能和氣道炎癥的關聯(lián)，是國內少數(shù)關于不同監(jiān)測指標的O3對人群健康效應的研究[9, 11]，本研究能夠為大氣O3與人群健康效應的相關研究提供數(shù)據(jù)，同時為今后我國修訂O3濃度限值提供直接的參考數(shù)值。

表4 不同污染物模型中O3監(jiān)測指標每增加一個IQR對FEV1和FeNO變化的效應估計

Estimated changes were adjusted for age, gender, BMI, long-term time trend, temperature, and relative humidity. Estimated changes with 95%CIin FEV1and FeNO associated with an interquartile range (IQR) increase of O3monitoring metrics in mixed-effects models.The IQRs of the monitoring metrics were 71.5 μg/m3for O3-1 h max, 62.0 μg/m3for O3-8 h max, 32.9 μg/m3for O3-24 h avg. *P< 0.05.

FEV1和PEF衡量肺功能的不同方面,FEV1體現(xiàn)大氣道功能和肺容量，反映了肺組織的彈性狀態(tài)和氣道通暢程度；PEF則是體現(xiàn)大氣道流量和肺流量，反映了呼吸肌的力量及氣道有無阻塞[17-18]。本研究發(fā)現(xiàn)，3種監(jiān)測指標下大氣O3水平的增加與FEV1的降低有關(P<0.05)，與PEF的變化無顯著關聯(lián)。O3引起FEV1降低的可能機制如下：O3可激活肺上皮細胞和炎癥細胞中與應激信號轉導有關的核轉錄因子NF-kB及其核轉移，誘導產生細胞因子和炎前因子如粒細胞-巨噬細胞克隆刺激因子、腫瘤壞死因子、白細胞介素、黏附分子等[19]。這些因子引起中性粒細胞等在氣道和肺泡的浸潤，從而導致炎癥發(fā)生和組織損傷，影響肺組織彈性狀態(tài)和氣道通暢程度，導致FEV1下降。關于O3暴露與肺功能的關聯(lián)機制目前尚不明確。一些研究表明，O3短期暴露與肺功能呈負相關[20-23]。一項關于23名健康年輕個體的隨機交叉實驗表明，O3能夠誘導肺功能下降[24]。Li等[11]探索了北京市大氣O3短期暴露與COPD患者肺功能的關聯(lián)，發(fā)現(xiàn)O3-8 h max(80.5 μg/m3， 5 d)的四分位數(shù)間距增加與FEV1降低5.9%(95%CI：-11.0%，-0.7%)和PEF降低6.2%(95%CI：-10.9%，-1.5%)有關，但O3-1 h max與FEV1和PEF之間沒有顯著相關性，而O3-24 h avg的1 d滑動平均值每增加54.6 μg/m3，F(xiàn)EV1顯著增加 2.8%(95%CI：0.6%，5.0%)。Huang等[20]對北京市46名中學生進行的定組研究發(fā)現(xiàn)，室內O3短期暴露與肺功能呈負相關。也有一些研究表明，O3暴露與肺功能之間沒有顯著相關性[4, 25]。短期O3暴露對肺功能影響的研究結果并不一致，這可能是由于研究對象、暴露時間、暴露水平等因素不同導致的。

本研究還發(fā)現(xiàn)，3種監(jiān)測指標下大氣O3水平的增加均與FeNO的升高顯著相關(P< 0.05)，暴露-反應關系曲線也表明FeNO隨著O3暴露濃度的升高呈穩(wěn)定上升趨勢，但分別納入SO2、NO2后，O3-24 h avg的效應估計結果的顯著性消失。O3引起FeNO升高的可能機制為：O3激活肺上皮細胞和炎癥細胞中的核轉錄因子NF-kB及其核轉移，誘導產生各種細胞因子和炎前因子，引起炎癥發(fā)生，從而誘導氣道上皮細胞中的誘導型一氧化氮合酶合成，產生大量一氧化氮，導致FeNO升高[19, 26]。目前，已經有許多學者探討了O3短期暴露與FeNO之間的聯(lián)系，研究結果并不完全一致，但大部分結果提示了O3暴露與FeNO呈顯著正相關[4, 27-29]。Nickmilder等[27]使用FeNO評估了大氣O3對健康兒童的炎癥作用，相較于較低濃度的O3水平，大氣1 h O3濃度達到167 μg/m3時(此時8-h O3濃度為135 μg/m3)，可以觀察到所有研究對象的FeNO顯著上升(P< 0.0001)。一項對89名在長沙郊區(qū)生活工作的健康成人的縱向研究顯示，單污染物模型中24 h的O3每增加21.4 μg/m3，F(xiàn)eNO增加24.1% (95%CI: 11.0%，38.8%)，調整PM2.5、SO2或NO2后其正相關的統(tǒng)計學意義顯著性仍舊保持[29]。

本研究Spearman相關分析顯示，O3的3個監(jiān)測指標相互之間有很強的相關性，而O3-1 h max和O3-8 h max的相關系數(shù)高達0.97(P<0.01)， 且兩者對FEV1和FeNO的效應值相近，滯后時長相等。這一發(fā)現(xiàn)與之前的研究一致，表明基于日1 h最大濃度和日最大8 h平均濃度的O3效應比基于24 h平均濃度的更為相似[11, 30]。此外，相較于其他監(jiān)測指標，O3-24 h avg對FEV1的滯后效應出現(xiàn)得更早且持續(xù)時間更長，提示肺功能的改變更依賴于O3的日均變化；O3-1 h max對FeNO的滯后效應出現(xiàn)得更早，提示FeNO的上升可能是由高濃度O3數(shù)小時的暴露引起的，不是一天中穩(wěn)定的劑量?？偟膩碚f，O3-1 h max暴露引起的健康效應相關性更為顯著，更能靈敏反映O3的呼吸系統(tǒng)效應。

本研究尚存在一定的局限性。本研究使用固定監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，即室外空氣污染水平來代表研究對象的空氣污染暴露水平，沒有考慮室內的空氣污染情況。室內外空氣污染水平存在較大差距，而人大部分時間都是在室內環(huán)境度過的，故研究存在一定程度的暴露測量誤差。因此，今后若能探索出根據(jù)室外空氣污染物濃度預測室內空氣污染物濃度的預測模型或方法，或者應用個體采樣技術測定研究對象的空氣污染暴露水平，將會實現(xiàn)更加精確的暴露評估和健康效應評估。

綜上所述，大氣O3的短期暴露與健康年輕人的肺功能降低和氣道炎癥增加有關，且基于日1 h最大濃度的O3對呼吸指標更為敏感。這一結果為制定空氣質量標準、改善大氣污染及保障人群健康提供了一定的科學依據(jù)。