6.1 Q1|北京大学NHANES发文 | 重金属及其与肺功能和气道炎症的关系

1.第一段–文章基本信息

文章题目：Heavy metals and their relationships with lung function and airway inflammation: insights from a population-based study

中文标题：重金属及其与肺功能和气道炎症的关系：一项基于人群的研究的见解

发表杂志：Journal of Translational Medicine

影响因子：1区，IF= 6.1

发表时间：2025年6月

2.第二段–研究思路

本研究思路

本文的研究思路是基于2011-2012年美国国家健康与营养调查（NHANES）的数据，探讨多种重金属（镉、汞、锰、铅和硒）暴露与成人呼吸道炎症及肺功能之间的关系。研究首先筛选出符合条件的3576名成年参与者，并测量了其血液中的重金属浓度、呼出气一氧化氮分数（FeNO）以及肺功能指标（包括FEV₁、FVC和FEV₁/FVC）。随后，利用多变量线性回归模型、贝叶斯核机器回归（BKMR）模型、加权分位数和（WQS）回归模型等多种统计方法，分析了重金属暴露与FeNO、肺功能指标之间的关联，并进行了亚组分析和交互作用检验。研究结果揭示了不同重金属暴露对呼吸道炎症和肺功能的影响存在差异，强调了加强重金属环境监管的重要性。

3.第三段-Introdction

背景

呼吸道疾病包括多种急性和慢性疾病，其中慢性呼吸道疾病是全球第三大常见疾病，占全球死亡原因的约7%，导致1.1232亿伤残调整生命年。最常见的慢性呼吸道疾病包括哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）和慢性支气管炎，这些疾病对全球非传染性疾病负担贡献显著。早期预警指标对于有效预防和控制呼吸道疾病至关重要。呼吸道炎症被认为是呼吸道损伤的关键病理生理基础，呼出气一氧化氮（FeNO）是呼吸道炎症的重要标志物，可用于评估哮喘等炎症性气道疾病。肺功能参数（如FEV₁、FVC和FEV₁/FVC）是评估呼吸道健康和诊断COPD、哮喘等疾病的关键指标。通过整合FeNO和肺功能指标，可以更全面地了解呼吸道损伤。环境污染中的重金属问题日益严重，其对健康的危害受到广泛关注。重金属通过多种途径进入人体，可能引发氧化应激和炎症反应，进而导致呼吸道损伤。然而，目前的研究大多仅关注少数重金属或其他化学物质与肺功能或气道炎症的关联，缺乏对多种重金属暴露与气道炎症和肺功能关系的综合研究。

4.第四段-Methods

方法

本研究使用了2011-2012年NHANES数据库的调查数据，最初纳入了9756人。我们排除了年龄小于20岁的人群（N=4196）、缺少肺功能数据的人群（N=1220）、缺少呼出气一氧化氮（FeNO）数据的人群（N=220）、缺少重金属数据的人群（N=172）以及其他变量数据缺失的人群（N=372）。最终分析纳入了3576名符合条件的成年参与者。

暴露：重金属测量

全血样本经过处理、冷冻至-30摄氏度，并送至国家环境健康中心实验室科学处和疾病控制与预防中心进行研究。研究人员采用电感耦合等离子体质谱法（ICP-MS）技术测定全血中铅（Pb）、镉（Cd）、汞（Hg）、锰（Mn）和硒（Se）的浓度。所有分析物的检测限保持不变，铅的检测下限为0.25 µg/dL，镉为0.16 µg/L，硒为30 µg/L，锰为1.06 µg/L，汞为0.16 µg/L。如果结果低于检测限，则变量值为检测限除以根号二。

结局:  呼出气一氧化氮（FeNO）、肺功能

FeNO采用Aerocrine NIOX MINO®手持式NOx分析仪进行测量，该设备于2008年获得FDA认证。该设备使用电化学传感器检测呼出气NOx水平，提供5到300 ppb的整数值。参与FeNO测试的研究对象年龄在20到79岁之间，排除了当前胸痛或因身体问题导致用力呼气或使用补充氧气的个体。NHANES协议要求根据制造商建议的测试程序进行两次可重复的FeNO测量，如果前两次呼吸未达到可重复标准，参与者将再进行两次呼吸（总共最多四次测试尝试）。呼吸健康ENO程序手册详细描述了FeNO测试过程。

使用Ohio 822/827干式滚筒密封体积肺活量计进行肺功能测量，测量指标包括FEV1（mL）、FVC（mL）、FEV1/FVC（%）、呼气峰值流量（PEF）（mL/s）以及用力呼气流速（25%到75%肺活量）（FEF 25-75%）（mL/s）。20到79岁的参与者进行了肺活量测定。排除了当前胸痛或身体问题、使用补充氧气、近期眼部、胸部或腹部手术、心肌梗死、中风、结核病接触或近期咯血的参与者。个体肺活量测定持续进行，直到从参与者那里获得可重复的肺活量图，总体目标是让参与者达到三次可接受的呼气操作，根据美国胸科协会（ATS）标准，FVC和FEV1的两个最高值显示出最小的变异。肺功能测试计划的详细信息可在相关网站上查阅。

协变量:

年龄、性别、种族、家庭收入与贫困比（PIR）、婚姻状况、教育水平、体质指数（BMI）、吸烟状态和血清可替宁

统计学方法

本研究使用R（版本4.3）和EmpowerStats（版本4.2）进行统计分析，采用“gWQS”和“BKMR”软件包完成WQS回归和BKMR模型。连续或分类变量通过t检验或方差分析进行分析，结果以均值±标准差（SD）和百分比（%）描述。首先，通过多变量线性回归分析五种重金属与FeNO或肺功能的关系，设置第一四分位数（Q1）为对照组，并进行趋势检验。模型1未调整协变量，模型2调整年龄、性别和种族，模型3全面调整多种协变量。为评估发表偏倚，进行漏斗图和Egger检验。其次，按性别、年龄、种族、BMI和吸烟状态进行亚组分析，探索重金属暴露与FeNO或肺功能的敏感性和交互作用。年龄分为三组，BMI分为四组。亚组分析中未调整分层变量本身。第三，使用WQS回归模型评估重金属对FeNO和肺功能的整体和个体效应，通过10000次迭代的自助法构建WQS指数，数据集分为40%训练集和60%验证集，最终在验证集中测试加权混合暴露与结果的关系。最后，采用BKMR模型评估重金属对肺功能和FeNO风险的联合效应，使用马尔可夫链蒙特卡洛算法进行10000次迭代，评估单个效应和相互作用。研究未使用加权估计以避免过度调整偏差，通过多重插补处理缺失数据，双侧p值<0.05被认为具有统计学意义。

5.第五段-Results

结果

基线特征

研究纳入了3576名成年参与者，分析了其FeNO水平和肺功能指标。结果显示，FeNO水平在年龄较大、男性、教育水平较高（高中以上）和家庭收入与贫困比（PIR）较高的参与者中更高，而当前吸烟者、BMI较高和血清可替宁水平较高的参与者的FeNO水平较低。此外，年龄较大、女性、非西班牙裔黑人、教育水平较低、PIR较低和可替宁水平较低的参与者FEV₁和FVC值较低，而FEV₁/FVC比值较低的参与者更可能是年龄较大、男性、非西班牙裔白人、教育水平较低且已婚者。此外，FEV₁/FVC比值较低的参与者更可能具有较高的PIR、BMI和血清可替宁水平，且更可能是曾经或当前吸烟者。

重金属暴露与FeNO的关系

在多变量线性回归分析中，血清汞（Hg）水平与FeNO呈显著正相关，即使在完全调整模型中，这种关系依然存在（每单位血清Hg增加，FeNO增加0.20 ppb）。血清镉（Cd）与FeNO在未调整和部分调整模型中呈负相关，但在完全调整模型中不显著。血清硒（Se）与FeNO在未调整和部分调整模型中呈正相关，但在完全调整模型中不显著。血清铅（Pb）仅在部分调整模型中与FeNO呈负相关。血清锰（Mn）与FeNO在所有模型中均无显著关联。

重金属暴露与肺功能的关系

对于FEV₁，所有模型均显示血清Cd和Pb与FEV₁呈显著负相关。在完全调整模型中，每单位血清Cd增加，FEV₁降低106.22 ml；每单位血清Pb增加，FEV₁降低17.85 ml。血清Se在部分调整模型中与FEV₁呈正相关，但在完全调整模型中不显著。血清Mn和Hg在未调整模型中与FEV₁呈负相关，但在完全调整模型中不显著。对于FVC，血清Cd在所有模型中均与FVC呈显著负相关。在完全调整模型中，每单位血清Cd增加，FVC降低74.94 ml。血清Pb在完全调整模型中也与FVC呈负相关。血清Se在未调整模型中与FVC呈正相关，但在完全调整模型中不显著。血清Mn和Hg在未调整模型中与FVC呈负相关，但在完全调整模型中不显著。对于FEV₁/FVC，血清Cd在所有模型中均与FEV₁/FVC呈显著负相关。在完全调整模型中，每单位血清Cd增加，FEV₁/FVC降低1.35%。血清Mn在所有模型中均与FEV₁/FVC呈显著正相关。血清Se在部分调整模型中与FEV₁/FVC呈正相关，但在完全调整模型中不显著。血清Pb在完全调整模型中与FEV₁/FVC呈负相关。血清Hg在所有模型中均与FEV₁/FVC无显著关联。

敏感性分析

敏感性分析显示，除血清Hg与FeNO（0.30, -0.20, 0.80）以及血清Mn与FEV₁/FVC（0.10, -0.02, 0.22）在完全调整模型中无显著关联外，其他结果均与主要分析一致。

亚组分析

亚组分析显示，血清硒与FeNO的关系受年龄影响（p=0.02）。BMI分层分析显示血清汞、锰、硒、铅与FeNO之间存在交互作用（p<0.05）。吸烟状态分层分析显示血清镉、汞、硒与FeNO之间存在交互作用（p<0.05）。此外，血清汞和硒与FEV₁/FVC的关系受性别影响，血清硒和FEV₁/FVC的关系在男性中更为显著，而血清汞和FEV₁/FVC的关系在女性中更为显著。BMI分层分析显示血清硒、铅与FEV₁/FVC之间存在交互作用（p<0.05）。吸烟状态分层分析显示血清硒与FEV₁/FVC的关系在当前吸烟者中更为显著。

BKMR分析

BKMR分析显示，镉暴露与FeNO水平呈负相关，而汞和锰暴露与FeNO水平呈正相关。五种重金属的联合暴露对FeNO水平的总体效应为抑制性。对于FEV₁和FEV₁/FVC，镉暴露呈负相关，而汞和锰暴露与FEV₁/FVC呈正相关。联合暴露对FEV₁的总体效应先增强后抑制，对FEV₁/FVC的总体效应先抑制后增强，最终呈增强效应。

WQS分析

WQS分析显示，镉暴露是影响FeNO、FEV₁和FEV₁/FVC的最主要负面因素，其对FeNO、FEV₁和FEV₁/FVC的负向权重分别为0.90、0.622和0.85。汞和锰是与FeNO正相关的最主要因素，硒是与FEV₁和FEV₁/FVC正相关的最主要因素，其权重分别为0.455和0.339。

6.第六段–结论与启发

结论与启发

结论

我们发现不同重金属与肺功能和气道炎症之间的关联并不一致。镉（Cd）和铅（Pb）暴露与肺功能降低相关，而汞（Hg）暴露与气道炎症呈正相关。在加权分位数和（WQS）分析中，硒（Se）对FEV₁和FEV₁/FVC的贡献权重最强，尽管在完全调整模型中，硒与FEV₁和FEV₁/FVC的关联并不显著。这些发现强调了加强对重金属暴露环境监管的必要性。未来的研究应该采用更具前瞻性的方法来阐明这些关系。

【光速科研启发】

选题：本研究聚焦于多种重金属（镉、汞、锰、铅和硒）暴露与成人呼吸道炎症及肺功能之间的关系，填补了目前关于多种重金属暴露与呼吸道健康综合影响研究的空白，具有重要的临床和公共卫生意义。

统计学：研究采用多变量线性回归模型、贝叶斯核机器回归（BKMR）模型和加权分位数和（WQS）回归模型，综合评估重金属暴露与呼吸道炎症标志物（FeNO）及肺功能指标（FEV₁、FVC、FEV₁/FVC）之间的关联，并通过亚组分析和交互作用检验，揭示不同人群特征对这种关联的潜在影响。

数据库：研究基于2011-2012年美国国家健康与营养调查（NHANES）数据库，确保样本的全国代表性与数据的丰富性。通过严格筛选，排除不符合条件的参与者，最终纳入3576名成年受试者，为研究提供了高质量的数据基础。

启发：研究结果提示，在评估呼吸道健康风险时，应综合考虑多种重金属暴露的联合影响，而不能仅关注单一金属。通过亚组分析，发现特定人群（如不同性别、BMI水平或吸烟状态）中某些重金属与肺功能或气道炎症的关联更为显著，为针对性的公共卫生干预和临床监测提供了依据。此外，本研究强调了加强对重金属环境暴露监管的重要性，提示未来研究应进一步探索重金属暴露与呼吸道健康之间的因果关系，并考虑重金属暴露与其他环境因素（如空气污染）的交互作用。