固體燃料導致的室內(nèi)空氣污染對肺部疾病的作用

劉十羽 高笑宇 孫德俊

1內(nèi)蒙古醫(yī)科大學,呼和浩特 010017;2國家衛(wèi)生健康委員會慢阻肺診治重點實驗室 內(nèi)蒙古自治區(qū)呼吸疾病重點實驗室 內(nèi)蒙古自治區(qū)人民醫(yī)院,呼和浩特 010017

固體燃料所致的室內(nèi)空氣污染是很多疾病的重要危險因素,全球約1/3的人使用固體燃料烹飪[1]。有研究發(fā)現(xiàn)導致室內(nèi)空氣污染的一個重要原因就是固體燃料的不充分燃燒,尤其在發(fā)展中國家且房屋通風不良的環(huán)境中,固體燃料燃燒導致的顆粒物 (particulate matter,PM)暴露水平至少比發(fā)達國家的最大濃度高一個數(shù)量級[2-3]。近年來,越來越多的人關注固體燃料燃燒煙霧暴露對人體健康的影響。研究表明兒童是受家庭空氣污染影響導致過早死亡的主要人群,尤其是5歲以下兒童[4]。而在中低收入國家的農(nóng)村地區(qū),使用固體燃料烹飪且不吸煙的女性已經(jīng)成為COPD 和肺癌患者的主要人群。此外,哮喘和結(jié)核病并未包括在家庭空氣污染的疾病負擔估計中,但是有充分的證據(jù)表明這2種疾病與空氣污染有關聯(lián)[5]。最近研究表明間質(zhì)性肺疾病 (interstitial lung disease,ILD)與空氣污染息息相關。本文綜述了近幾年國內(nèi)外針對固體燃料造成的家庭空氣污染對上述疾病影響的研究,為固體燃料煙霧顆粒導致的呼吸系統(tǒng)疾病的預防與治療提供參考。

1 室內(nèi)固體燃料的種類及研究狀況

固體燃料包括由植物、動物、動物糞便、木材、木炭和作物殘體等構(gòu)成的生物燃料以及煤炭,其煙霧的主要有害成分包括碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物、未燃燒完全的碳氫化合物顆粒和多環(huán)有機化合物等[6-7]。生物燃料產(chǎn)生的煙霧主要是一些可吸入顆粒,按粒徑大小可分為PM10和PM2.5兩 大 類[8]。其 中,PM10指 粒 徑≤10 μm 的PM;PM2.5指粒徑≤2.5μm 的PM。發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)許多廚房缺乏通風,這進一步加劇了污染物的濃度。從數(shù)量上來說,在室內(nèi)使用固體燃料烹飪時產(chǎn)生的煙霧PM 含量高達1 000μg/m3[9-10]。從質(zhì)量上講,盡管沒有尼古丁,木材和其他生物燃料燃燒所產(chǎn)生的煙霧類似于煙草燃燒。

固體燃料煙霧對人體健康不良影響的機制可能類似于煙草煙霧致病過程中涉及的機制[11]。氣道和肺泡中的氧化應激會刺激肺泡巨噬細胞并損傷上皮內(nèi)膜,進而刺激炎性細胞誘發(fā)炎癥[12]。這種肺局部炎癥反應會擴散到全身循環(huán)中,并導致其他器官 (如心血管系統(tǒng))和孕婦胎兒的不良反應。此外,肺泡巨噬細胞吞噬煙霧中的碳顆粒可能會增加呼吸道感染的風險[13-14]。固體燃料煙霧誘導的肺癌途徑可能與煙草煙霧誘導的肺癌途徑相同。

WHO 最近的一份報告估計,每年有380萬人死于因固體燃料和煤油的低效燃燒而造成的家庭空氣污染所致的疾病。盡管2017 年進行的全球疾病負擔研究項目 (The Global Burden of Disease Study,GBD)的最新版本發(fā)現(xiàn),自1990年以來,由固體燃料造成家庭空氣污染導致的傷殘調(diào)整生命年下降了40%以上,但在世界某些地區(qū),觀察顯示與這種暴露有關的風險實際上在增加[15]。流行病學研究的薈萃分析表明使用固體燃料所致的室內(nèi)空氣污染是中低收入國家引起健康損失和疾病負擔的重要危險因素。

2 固體燃料造成的室內(nèi)空氣污染與肺部疾病的關系

2.1 固體燃料造成的室內(nèi)空氣污染與兒童急性下呼吸道感染 急性下呼吸道感染是5 歲以下兒童死亡的主要原因,來自發(fā)展中國家的研究發(fā)現(xiàn),在固體燃料使用量最大的國家和地區(qū),兒童肺炎的發(fā)病率和病死率通常最高[16-17]。Karki等[18]在尼泊爾研究發(fā)現(xiàn),兒童肺炎發(fā)病率與家庭中使用的烹飪?nèi)剂项愋途哂酗@著關聯(lián) (OR=3.76,95%CI:1.20～11.82)。與此類似,Kelly等[19]研究發(fā)現(xiàn)以木材為燃料的家庭在48 h內(nèi)對肺炎治療無效的風險增加(RR=1.44,95%CI:1.09～1.92)。此外Buchner 和Rehfuess[20]發(fā)現(xiàn),室內(nèi)烹飪和季節(jié)與兒童肺炎顯著相關,雨季的OR值為1.80 (1.30～2.50),而旱季的OR值為1.51 (1.09～2.10),考慮與雨季期間在室內(nèi)或封閉式炊具中使用生物燃料做飯的比例上升有關。總之,這些流行病學研究表明,使用固體燃料與兒童急性下呼吸道感染風險升高具有關聯(lián)性。根據(jù)2017年全球疾病負擔報告分析,在1990年至2017年之間,由于家庭空氣污染的減少,全球呼吸道感染病死率下降了8.4%。對家庭空氣污染采取干預措施可以避免28.5%的5 歲以下兒童死于下呼吸道感染[21]。在預防兒童急性下呼吸道感染方面,最近有2項針對減少生物燃料煙霧暴露的干預措施的隨機對照試驗,一項包括500多名危地馬拉農(nóng)村嬰兒并干預使用煙囪柴火爐,另一項涉及10 000多名馬拉維的農(nóng)村兒童并使用更清潔燃燒的氣化爐[22]。在針對室內(nèi)烹飪的危地馬拉試驗中,兒童生物燃料煙霧暴露量減少了50%,意向性治療分析顯示,干預后肺炎的相對風險為0.67 (95%CI:0.45～0.98)。分析調(diào)整后的暴露-反應關系發(fā)現(xiàn),兒童暴露量與所有肺炎都有明顯的相關性。然而,在以戶外烹飪?yōu)橹鞯鸟R拉維試驗中,ITT 分析顯示沒有保護作用,可能由于干預措施并未顯著減少接觸[23]。

盡管有大量的流行病學數(shù)據(jù)支持兒童早期暴露于家庭空氣污染與肺炎之間的關聯(lián),但2個已發(fā)表的隨機對照試驗報告對于上述關聯(lián)顯示出相矛盾的結(jié)果。因此,下一步需要更好的暴露反應關系數(shù)據(jù)來評估爐灶和/或清潔燃料干預措施的潛在益處。

2.2 固體燃料造成的室內(nèi)空氣污染與COPD 在與室內(nèi)空氣污染有關的慢性呼吸系統(tǒng)疾病和心腦血管疾病中,受空氣污染影響最大的為COPD[24]。在發(fā)達國家,COPD 患者中吸煙比例很大,除此之外,COPD 患者中從未吸煙者也占有很大比例,尤其是用爐子做飯的婦女,可能是由于這些爐子排放出的各種污染物與煙草煙霧中的污染物含量相似。

多項病例對照和橫斷面研究發(fā)現(xiàn),與低暴露量或清潔燃料相比,使用生物燃料烹飪與慢性支氣管炎或COPD 之間存在關聯(lián)性。對2010年之前發(fā)表的研究進行系統(tǒng)評價和薈萃分析發(fā)現(xiàn)[9,25-27],研究收集的OR值均波動在1.94到2.80之間。在所有薈萃分析中,按性別進行的分層分析顯示,女性接觸固體燃料煙霧與COPD 之間的關聯(lián)性更強。上述結(jié)果可能由于她們在烹飪過程中接觸固體燃料煙霧的的機會更大。

目前有關生物燃料煙霧暴露對COPD 發(fā)展影響的縱向研究較少。Ramírez-Venegas等[28]追蹤了COPD 與生物燃料煙塵暴露相關的婦女的死亡風險,在7年隨訪期中的生存分析表明,患有COPD 并暴露于生物燃料煙霧的女性的病死率與吸煙引起的COPD 男性的病死率相似。來自墨西哥的一項尸檢研究發(fā)現(xiàn),與吸煙煙草引起的COPD 的女性相比,由生物燃料煙霧引起的COPD 的女性支氣管周圍纖維化程度更高,肺氣腫更少[29]。與此相似的是,我國一項研究發(fā)現(xiàn)生物燃料煙霧引起的COPD 的女性比煙草煙霧引起的COPD 的女性更容易出現(xiàn)呼吸困難和過敏性鼻炎[30]。

然而已發(fā)表的有關家庭空氣污染和COPD 的文獻存在一定局限性,主要缺點是缺乏對結(jié)果的客觀定義,尤其是缺乏支氣管擴張劑后肺活量測定法。2018年發(fā)表了2個來自多個國家的高質(zhì)量肺活量測定研究的大規(guī)模薈萃分析,其中包括支氣管擴張劑后檢測[31-32],令人意外的是這2個研究結(jié)果相矛盾,下一步研究盡量使用室內(nèi)客觀實測值對室內(nèi)空氣污染的暴露進行估計和對比[33]。

2.3 固體燃料造成的室內(nèi)空氣污染與哮喘 由于固體燃料煙霧對COPD 產(chǎn)生影響的證據(jù)很充分,而且哮喘和COPD都涉及氣道炎癥,因此固體燃料煙霧暴露與哮喘風險之間的關系引起廣泛研究興趣。2007年加納一項涉及1 000余名兒童的研究發(fā)現(xiàn)哮喘具有城鄉(xiāng)差異,盡管農(nóng)村地區(qū)更容易接觸固體燃料煙霧,但城市地區(qū)哮喘更為普遍[34]。

Po等[27]于2011年發(fā)表了有關兒童和婦女暴露于生物燃料煙霧與哮喘之間關系的系統(tǒng)綜述和薈萃分析。其中4項暴露于生物燃料煙霧的兒童哮喘研究的合并OR值為0.50 (95%CI:0.12～1.98),其他5 項女性研究匯總OR值為1.34 (95%CI:0.93～1.93)。隨后美國一項對508名成年人進行的調(diào)查發(fā)現(xiàn),哮喘與做飯時燃燒木材和煤炭顯著相關[35]。來自印度的一項更大的人口調(diào)查發(fā)現(xiàn),即使在控制了許多潛在混雜因素的影響之后,居住在使用生物燃料和固體燃料的家庭中的成年女性比居住在使用清潔燃料的家庭中的成年女性患哮喘的風險明顯更高[36]。此外,我國的一項關于環(huán)境PM2.5暴露和哮喘的研究發(fā)現(xiàn),與城市人口相比,農(nóng)村人口中家庭空氣污染暴露的關聯(lián)性更強[37]。與此相似,一項來自巴西的研究發(fā)現(xiàn),與沒有暴露于空氣污染的人相比,暴露于家庭空氣污染與較差的哮喘控制、嚴重哮喘和低水平肺功能有關[37]。

然而并非所有最新研究都顯示生物燃料煙霧暴露與哮喘結(jié)局之間的正相關性。Thacher等[38]最近對尼日利亞農(nóng)村地區(qū)的299名兒童進行的一項研究表明,煙塵暴露與哮喘癥狀或氣道阻塞的風險增加無關。該隨機對照試驗使用空氣過濾器為干預措施,盡管改善室內(nèi)空氣質(zhì)量并未影響哮喘患者的生活質(zhì)量,但ITT 分析確實顯示出呼吸流量晝夜波動率的次要指標有所改善。

盡管有上述研究,但因為已發(fā)表的證據(jù)參差不齊,最近的GBD 風險評估無法量化因暴露于家庭空氣污染引起的哮喘風險[39]。未來仍需要進一步的研究以更好地理解兒童和成年人中固體燃料煙霧暴露與哮喘之間的關系的本質(zhì),以及新發(fā)疾病和疾病惡化的關系。實際測量暴露并因此能夠建立暴露-反應關系的研究將特別有幫助。

2.4 固體燃料造成的室內(nèi)空氣污染與肺癌 由于化學成分的差異,部分固體燃料、生物燃料和煤炭的燃燒產(chǎn)生的排放物可能與不同的癌癥風險相關。國際癌癥研究機構(gòu)已經(jīng)得出結(jié)論,家庭使用煤是第一類致癌物,而由于流行病學證據(jù)有限,生物燃料被歸為第二類或可能的致癌物[40]。

關于家庭用煤和肺癌風險的系統(tǒng)評價和薈萃分析主要集中在中國[41-42]。研究發(fā)現(xiàn),家庭用煤做飯和取暖與肺癌的合并OR值大約為2,女性的風險略大于男性的風險。由于全球約30億固體燃料用戶中的絕大多數(shù)是暴露于生物燃料煙霧而不是煤煙,因此與前者相關的致癌風險問題是重要的問題。亞洲一項系統(tǒng)評估和薈萃分析發(fā)現(xiàn)使用生物燃料進行烹飪或取暖時的總OR值為1.17 (95%CI:1.01～1.37)[43]。與此類似,隨后一項尼泊爾的病例對照研究中OR值略高,為1.77 (95%CI:1.00～3.14)[44]。綜上所述,大多數(shù)研究表明女性比男性具有更大患肺癌的風險。

2.5 固體燃料造成的室內(nèi)空氣污染與ILD ILD 是一組以肺間質(zhì)彌漫性滲出、浸潤和/或纖維化為主要病變的疾病,給各國衛(wèi)生系統(tǒng)帶來重大的疾病負擔[45]。ILD 的終末期病理改變是肺纖維化。許多ILD 與已知的環(huán)境暴露相關,包括暴露金屬粉塵 (銅鋅合金、鉛、鋼)、木塵 (松樹)、務農(nóng)、石工,接觸家畜、植物、動物粉塵等。最近研究表明空氣污染物全程影響ILD 的發(fā)展和結(jié)局。

首先,暴露于空氣污染物可能與ILD 發(fā)病率有關。一項意大利北部研究[46]旨在揭示每日暴露于PM10、二氧化氮 (nitrogen dioxide,NO2)和臭氧對特發(fā)性肺纖維化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)發(fā)病率的影響,在未經(jīng)校正的模型中,雖然在多變量分析中無統(tǒng)計學意義,但在寒冷季節(jié),NO2濃度升高與IPF發(fā)生率相關。2017年一項研究涉及健康人弗雷明漢隊列研究發(fā)現(xiàn)[47],增加5年的元素碳暴露與肺間質(zhì)異常發(fā)生和進展的概率增加有關。此外,2019年Rice等[48]首次表明,累積空氣污染暴露與臨床前ILD 有關。

在疾病發(fā)展中,盡管缺乏其他ILD 的證據(jù),但高空氣污染暴露被認為是IPF患者不良臨床結(jié)局和肺功能下降的危險因素。美國一項針對IPF 患者的單中心研究發(fā)現(xiàn)[49],6年間PM10的累積暴露量每增加5μg/m3,就會使FVC額外下降46 ml。另一項使用每周肺活量測定法對25例IPF患者的研究表明,每周較高的NO2、PM2.5和PM10水平均與較低的FVC平均值相關聯(lián)[50]。

此外,盡管未發(fā)現(xiàn)NO2、PM2.5或PM10與急性加重之間存在關聯(lián),但平均臭氧暴露量增加也與急性加重頻率升高相關。首次在韓國IPF患者隊列中描述了空氣污染暴露與急性加重率之間的這種正相關關系[51]。在疾病結(jié)局方面,法國對192 例IPF 患者的研究是唯一證明PM10或PM2.5暴露與全因死亡率之間呈正相關的研究[52]。

雖然上述研究說明室內(nèi)空氣污染對ILD 的影響,但仍需要對這些重要的臨床結(jié)局進行更多研究,以評估空氣污染對ILD 患者的這些結(jié)局的影響,并探索導致這些影響的分子機制,以便確定診療策略。

3 目前研究不足

目前研究的一個問題是缺乏直接測量接觸量的方法,大多數(shù)研究并未包括對特定污染物的直接測量。對肺功能影響的定義從WHO 急性下呼吸道感染標準到胸部X 線確認不等,嚴重影響實驗效果評價。比如危地馬拉在隨機對照試驗框架內(nèi)進行的旨在預防兒童期肺炎的研究在ITT 分析中沒有發(fā)現(xiàn)煙囪式灶具對肺功能下降率的保護作用,但在暴露反應分析中卻有保護作用。這一發(fā)現(xiàn)強調(diào)了需要實際測量PM2.5的暴露量,而不僅僅是使用基于問卷的替代方法。另一個不足是針對改良的火爐對暴露于生物燃料煙霧的成年人的COPD 發(fā)展的影響,目前尚缺乏精心設計的縱向研究。

盡管研究表明較低的固體燃料煙霧暴露量可能與較低的COPD 風險有關,但仍存在一些關鍵問題,包括在這些情況下是否可以通過減少煙霧暴露量來預防COPD 的發(fā)生或發(fā)展以及兩者之間的暴露-反應關系的性質(zhì)。需要減少多少排放量才能對成人COPD 產(chǎn)生實質(zhì)性的好處[53]。急性影響 (肺炎)與慢性影響 (COPD)的暴露-反應關系也可能不同。需要具有足夠統(tǒng)計能力的前瞻性隊列研究,隨訪參與者足夠長的時間以準確測量肺功能下降的速率,并需要實際測量暴露量來回答這些問題。

此外,需要進行毒理學研究 (體外、動物和受控的人體暴露),以提高對生物燃料煙霧導致或促成疾病發(fā)病機制的途徑的機械理解。此類研究還可以幫助開發(fā)暴露和效應的生物標志物[54]。

4 總結(jié)

綜上所述,大量研究證實室內(nèi)固體燃料煙霧顆粒物污染與眾多的肺部疾病的發(fā)生發(fā)展呈正相關。目前全球約40%的人仍使用固體燃料烹飪,因此仍需要更清潔的烹飪方案來改善他們的健康,因為即使是最高效的燃燒固體燃料的爐具,其排放的PM2.5也要高于發(fā)達國家使用的燃氣和電爐具。如何消除或預防室內(nèi)固體燃料PM 污染的危害已迫在眉睫。太陽能發(fā)電、電磁爐等方式有望成為改善中低收入國家室內(nèi)空氣污染的有效方法。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突