固体燃料导致的室内空气污染对肺部疾病的作用

刘十羽 高笑宇 孙德俊

1内蒙古医科大学,呼和浩特 010017;2国家卫生健康委员会慢阻肺诊治重点实验室 内蒙古自治区呼吸疾病重点实验室 内蒙古自治区人民医院,呼和浩特 010017

固体燃料所致的室内空气污染是很多疾病的重要危险因素,全球约1/3的人使用固体燃料烹饪[1]。有研究发现导致室内空气污染的一个重要原因就是固体燃料的不充分燃烧,尤其在发展中国家且房屋通风不良的环境中,固体燃料燃烧导致的颗粒物 (particulate matter,PM)暴露水平至少比发达国家的最大浓度高一个数量级[2-3]。近年来,越来越多的人关注固体燃料燃烧烟雾暴露对人体健康的影响。研究表明儿童是受家庭空气污染影响导致过早死亡的主要人群,尤其是5岁以下儿童[4]。而在中低收入国家的农村地区,使用固体燃料烹饪且不吸烟的女性已经成为COPD 和肺癌患者的主要人群。此外,哮喘和结核病并未包括在家庭空气污染的疾病负担估计中,但是有充分的证据表明这2种疾病与空气污染有关联[5]。最近研究表明间质性肺疾病 (interstitial lung disease,ILD)与空气污染息息相关。本文综述了近几年国内外针对固体燃料造成的家庭空气污染对上述疾病影响的研究,为固体燃料烟雾颗粒导致的呼吸系统疾病的预防与治疗提供参考。

1 室内固体燃料的种类及研究状况

固体燃料包括由植物、动物、动物粪便、木材、木炭和作物残体等构成的生物燃料以及煤炭,其烟雾的主要有害成分包括碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物、未燃烧完全的碳氢化合物颗粒和多环有机化合物等[6-7]。生物燃料产生的烟雾主要是一些可吸入颗粒,按粒径大小可分为PM10和PM2.5两 大 类[8]。其 中,PM10指 粒 径≤10 μm 的PM;PM2.5指粒径≤2.5μm 的PM。发展中国家农村地区许多厨房缺乏通风,这进一步加剧了污染物的浓度。从数量上来说,在室内使用固体燃料烹饪时产生的烟雾PM 含量高达1 000μg/m3[9-10]。从质量上讲,尽管没有尼古丁,木材和其他生物燃料燃烧所产生的烟雾类似于烟草燃烧。

固体燃料烟雾对人体健康不良影响的机制可能类似于烟草烟雾致病过程中涉及的机制[11]。气道和肺泡中的氧化应激会刺激肺泡巨噬细胞并损伤上皮内膜,进而刺激炎性细胞诱发炎症[12]。这种肺局部炎症反应会扩散到全身循环中,并导致其他器官 (如心血管系统)和孕妇胎儿的不良反应。此外,肺泡巨噬细胞吞噬烟雾中的碳颗粒可能会增加呼吸道感染的风险[13-14]。固体燃料烟雾诱导的肺癌途径可能与烟草烟雾诱导的肺癌途径相同。

WHO 最近的一份报告估计,每年有380万人死于因固体燃料和煤油的低效燃烧而造成的家庭空气污染所致的疾病。尽管2017 年进行的全球疾病负担研究项目 (The Global Burden of Disease Study,GBD)的最新版本发现,自1990年以来,由固体燃料造成家庭空气污染导致的伤残调整生命年下降了40%以上,但在世界某些地区,观察显示与这种暴露有关的风险实际上在增加[15]。流行病学研究的荟萃分析表明使用固体燃料所致的室内空气污染是中低收入国家引起健康损失和疾病负担的重要危险因素。

2 固体燃料造成的室内空气污染与肺部疾病的关系

2.1 固体燃料造成的室内空气污染与儿童急性下呼吸道感染 急性下呼吸道感染是5 岁以下儿童死亡的主要原因,来自发展中国家的研究发现,在固体燃料使用量最大的国家和地区,儿童肺炎的发病率和病死率通常最高[16-17]。Karki等[18]在尼泊尔研究发现,儿童肺炎发病率与家庭中使用的烹饪燃料类型具有显著关联 (OR=3.76,95%CI:1.20～11.82)。与此类似,Kelly等[19]研究发现以木材为燃料的家庭在48 h内对肺炎治疗无效的风险增加(RR=1.44,95%CI:1.09～1.92)。此外Buchner 和Rehfuess[20]发现,室内烹饪和季节与儿童肺炎显著相关,雨季的OR值为1.80 (1.30～2.50),而旱季的OR值为1.51 (1.09～2.10),考虑与雨季期间在室内或封闭式炊具中使用生物燃料做饭的比例上升有关。总之,这些流行病学研究表明,使用固体燃料与儿童急性下呼吸道感染风险升高具有关联性。根据2017年全球疾病负担报告分析,在1990年至2017年之间,由于家庭空气污染的减少,全球呼吸道感染病死率下降了8.4%。对家庭空气污染采取干预措施可以避免28.5%的5 岁以下儿童死于下呼吸道感染[21]。在预防儿童急性下呼吸道感染方面,最近有2项针对减少生物燃料烟雾暴露的干预措施的随机对照试验,一项包括500多名危地马拉农村婴儿并干预使用烟囱柴火炉,另一项涉及10 000多名马拉维的农村儿童并使用更清洁燃烧的气化炉[22]。在针对室内烹饪的危地马拉试验中,儿童生物燃料烟雾暴露量减少了50%,意向性治疗分析显示,干预后肺炎的相对风险为0.67 (95%CI:0.45～0.98)。分析调整后的暴露-反应关系发现,儿童暴露量与所有肺炎都有明显的相关性。然而,在以户外烹饪为主的马拉维试验中,ITT 分析显示没有保护作用,可能由于干预措施并未显著减少接触[23]。

尽管有大量的流行病学数据支持儿童早期暴露于家庭空气污染与肺炎之间的关联,但2个已发表的随机对照试验报告对于上述关联显示出相矛盾的结果。因此,下一步需要更好的暴露反应关系数据来评估炉灶和/或清洁燃料干预措施的潜在益处。

2.2 固体燃料造成的室内空气污染与COPD 在与室内空气污染有关的慢性呼吸系统疾病和心脑血管疾病中,受空气污染影响最大的为COPD[24]。在发达国家,COPD 患者中吸烟比例很大,除此之外,COPD 患者中从未吸烟者也占有很大比例,尤其是用炉子做饭的妇女,可能是由于这些炉子排放出的各种污染物与烟草烟雾中的污染物含量相似。

多项病例对照和横断面研究发现,与低暴露量或清洁燃料相比,使用生物燃料烹饪与慢性支气管炎或COPD 之间存在关联性。对2010年之前发表的研究进行系统评价和荟萃分析发现[9,25-27],研究收集的OR值均波动在1.94到2.80之间。在所有荟萃分析中,按性别进行的分层分析显示,女性接触固体燃料烟雾与COPD 之间的关联性更强。上述结果可能由于她们在烹饪过程中接触固体燃料烟雾的的机会更大。

目前有关生物燃料烟雾暴露对COPD 发展影响的纵向研究较少。Ramírez-Venegas等[28]追踪了COPD 与生物燃料烟尘暴露相关的妇女的死亡风险,在7年随访期中的生存分析表明,患有COPD 并暴露于生物燃料烟雾的女性的病死率与吸烟引起的COPD 男性的病死率相似。来自墨西哥的一项尸检研究发现,与吸烟烟草引起的COPD 的女性相比,由生物燃料烟雾引起的COPD 的女性支气管周围纤维化程度更高,肺气肿更少[29]。与此相似的是,我国一项研究发现生物燃料烟雾引起的COPD 的女性比烟草烟雾引起的COPD 的女性更容易出现呼吸困难和过敏性鼻炎[30]。

然而已发表的有关家庭空气污染和COPD 的文献存在一定局限性,主要缺点是缺乏对结果的客观定义,尤其是缺乏支气管扩张剂后肺活量测定法。2018年发表了2个来自多个国家的高质量肺活量测定研究的大规模荟萃分析,其中包括支气管扩张剂后检测[31-32],令人意外的是这2个研究结果相矛盾,下一步研究尽量使用室内客观实测值对室内空气污染的暴露进行估计和对比[33]。

2.3 固体燃料造成的室内空气污染与哮喘 由于固体燃料烟雾对COPD 产生影响的证据很充分,而且哮喘和COPD都涉及气道炎症,因此固体燃料烟雾暴露与哮喘风险之间的关系引起广泛研究兴趣。2007年加纳一项涉及1 000余名儿童的研究发现哮喘具有城乡差异,尽管农村地区更容易接触固体燃料烟雾,但城市地区哮喘更为普遍[34]。

Po等[27]于2011年发表了有关儿童和妇女暴露于生物燃料烟雾与哮喘之间关系的系统综述和荟萃分析。其中4项暴露于生物燃料烟雾的儿童哮喘研究的合并OR值为0.50 (95%CI:0.12～1.98),其他5 项女性研究汇总OR值为1.34 (95%CI:0.93～1.93)。随后美国一项对508名成年人进行的调查发现,哮喘与做饭时燃烧木材和煤炭显著相关[35]。来自印度的一项更大的人口调查发现,即使在控制了许多潜在混杂因素的影响之后,居住在使用生物燃料和固体燃料的家庭中的成年女性比居住在使用清洁燃料的家庭中的成年女性患哮喘的风险明显更高[36]。此外,我国的一项关于环境PM2.5暴露和哮喘的研究发现,与城市人口相比,农村人口中家庭空气污染暴露的关联性更强[37]。与此相似,一项来自巴西的研究发现,与没有暴露于空气污染的人相比,暴露于家庭空气污染与较差的哮喘控制、严重哮喘和低水平肺功能有关[37]。

然而并非所有最新研究都显示生物燃料烟雾暴露与哮喘结局之间的正相关性。Thacher等[38]最近对尼日利亚农村地区的299名儿童进行的一项研究表明,烟尘暴露与哮喘症状或气道阻塞的风险增加无关。该随机对照试验使用空气过滤器为干预措施,尽管改善室内空气质量并未影响哮喘患者的生活质量,但ITT 分析确实显示出呼吸流量昼夜波动率的次要指标有所改善。

尽管有上述研究,但因为已发表的证据参差不齐,最近的GBD 风险评估无法量化因暴露于家庭空气污染引起的哮喘风险[39]。未来仍需要进一步的研究以更好地理解儿童和成年人中固体燃料烟雾暴露与哮喘之间的关系的本质,以及新发疾病和疾病恶化的关系。实际测量暴露并因此能够建立暴露-反应关系的研究将特别有帮助。

2.4 固体燃料造成的室内空气污染与肺癌 由于化学成分的差异,部分固体燃料、生物燃料和煤炭的燃烧产生的排放物可能与不同的癌症风险相关。国际癌症研究机构已经得出结论,家庭使用煤是第一类致癌物,而由于流行病学证据有限,生物燃料被归为第二类或可能的致癌物[40]。

关于家庭用煤和肺癌风险的系统评价和荟萃分析主要集中在中国[41-42]。研究发现,家庭用煤做饭和取暖与肺癌的合并OR值大约为2,女性的风险略大于男性的风险。由于全球约30亿固体燃料用户中的绝大多数是暴露于生物燃料烟雾而不是煤烟,因此与前者相关的致癌风险问题是重要的问题。亚洲一项系统评估和荟萃分析发现使用生物燃料进行烹饪或取暖时的总OR值为1.17 (95%CI:1.01～1.37)[43]。与此类似,随后一项尼泊尔的病例对照研究中OR值略高,为1.77 (95%CI:1.00～3.14)[44]。综上所述,大多数研究表明女性比男性具有更大患肺癌的风险。

2.5 固体燃料造成的室内空气污染与ILD ILD 是一组以肺间质弥漫性渗出、浸润和/或纤维化为主要病变的疾病,给各国卫生系统带来重大的疾病负担[45]。ILD 的终末期病理改变是肺纤维化。许多ILD 与已知的环境暴露相关,包括暴露金属粉尘 (铜锌合金、铅、钢)、木尘 (松树)、务农、石工,接触家畜、植物、动物粉尘等。最近研究表明空气污染物全程影响ILD 的发展和结局。

首先,暴露于空气污染物可能与ILD 发病率有关。一项意大利北部研究[46]旨在揭示每日暴露于PM10、二氧化氮 (nitrogen dioxide,NO2)和臭氧对特发性肺纤维化(idiopathic pulmonary fibrosis,IPF)发病率的影响,在未经校正的模型中,虽然在多变量分析中无统计学意义,但在寒冷季节,NO2浓度升高与IPF发生率相关。2017年一项研究涉及健康人弗雷明汉队列研究发现[47],增加5年的元素碳暴露与肺间质异常发生和进展的概率增加有关。此外,2019年Rice等[48]首次表明,累积空气污染暴露与临床前ILD 有关。

在疾病发展中,尽管缺乏其他ILD 的证据,但高空气污染暴露被认为是IPF患者不良临床结局和肺功能下降的危险因素。美国一项针对IPF 患者的单中心研究发现[49],6年间PM10的累积暴露量每增加5μg/m3,就会使FVC额外下降46 ml。另一项使用每周肺活量测定法对25例IPF患者的研究表明,每周较高的NO2、PM2.5和PM10水平均与较低的FVC平均值相关联[50]。

此外,尽管未发现NO2、PM2.5或PM10与急性加重之间存在关联,但平均臭氧暴露量增加也与急性加重频率升高相关。首次在韩国IPF患者队列中描述了空气污染暴露与急性加重率之间的这种正相关关系[51]。在疾病结局方面,法国对192 例IPF 患者的研究是唯一证明PM10或PM2.5暴露与全因死亡率之间呈正相关的研究[52]。

虽然上述研究说明室内空气污染对ILD 的影响,但仍需要对这些重要的临床结局进行更多研究,以评估空气污染对ILD 患者的这些结局的影响,并探索导致这些影响的分子机制,以便确定诊疗策略。

3 目前研究不足

目前研究的一个问题是缺乏直接测量接触量的方法,大多数研究并未包括对特定污染物的直接测量。对肺功能影响的定义从WHO 急性下呼吸道感染标准到胸部X 线确认不等,严重影响实验效果评价。比如危地马拉在随机对照试验框架内进行的旨在预防儿童期肺炎的研究在ITT 分析中没有发现烟囱式灶具对肺功能下降率的保护作用,但在暴露反应分析中却有保护作用。这一发现强调了需要实际测量PM2.5的暴露量,而不仅仅是使用基于问卷的替代方法。另一个不足是针对改良的火炉对暴露于生物燃料烟雾的成年人的COPD 发展的影响,目前尚缺乏精心设计的纵向研究。

尽管研究表明较低的固体燃料烟雾暴露量可能与较低的COPD 风险有关,但仍存在一些关键问题,包括在这些情况下是否可以通过减少烟雾暴露量来预防COPD 的发生或发展以及两者之间的暴露-反应关系的性质。需要减少多少排放量才能对成人COPD 产生实质性的好处[53]。急性影响 (肺炎)与慢性影响 (COPD)的暴露-反应关系也可能不同。需要具有足够统计能力的前瞻性队列研究,随访参与者足够长的时间以准确测量肺功能下降的速率,并需要实际测量暴露量来回答这些问题。

此外,需要进行毒理学研究 (体外、动物和受控的人体暴露),以提高对生物燃料烟雾导致或促成疾病发病机制的途径的机械理解。此类研究还可以帮助开发暴露和效应的生物标志物[54]。

4 总结

综上所述,大量研究证实室内固体燃料烟雾颗粒物污染与众多的肺部疾病的发生发展呈正相关。目前全球约40%的人仍使用固体燃料烹饪,因此仍需要更清洁的烹饪方案来改善他们的健康,因为即使是最高效的燃烧固体燃料的炉具,其排放的PM2.5也要高于发达国家使用的燃气和电炉具。如何消除或预防室内固体燃料PM 污染的危害已迫在眉睫。太阳能发电、电磁炉等方式有望成为改善中低收入国家室内空气污染的有效方法。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突